从4数到5竟然把大脑难坏了！新研究破解百年难题
从4数到5竟然把大脑难坏了！新研究破解百年难题Original 学术经纬
2024-01-20 19:40 2024-01-20 19:40
如果在你面前摆上两只苹果，相信大家根本不需要数数，一眼就能看出苹果的数量；但如果苹果变成了7只，大脑辨别出正确数字的用时就要更长了，很可能内心里还需要默数。或者换个说法，如果只看一眼7只苹果的图像就消失，最终回答数量出错的读者可能不在少数。
问题出现了：如果苹果数量是3、4、5……我们的大脑还能准确无误地在一瞬间识别出来吗？大脑“一眼识数”的极限是多少？在这两种情况下，大脑的运行机制有着怎样的不同呢？
早在1871年的《自然》杂志上，一篇名为《数字辨别能力》（The Power of Numerical Discrimination）的短文就讨论了这个问题。作者通过简单的实验发现，人们在面对数量3和4时能做到准确无误；但令人意外的是，当数量增加到5时，错误就开始出现了——在107次测试中，有5次志愿者将5认成了6或者7。接下来，数量越多，错误率自然也越高。
当然，这样简单的实验说明的东西有限，也远没有触及大脑内部的机制。到了近80年后，有研究将大脑快速、识别物体数量不超过4的能力称作“数字感知”（subitizing）；相反，超过4时大脑处理的方式变成了“估计”（estimation），速度也准确率也都下降了——在这个观点中，大脑在两种情况下的工作方式出现了分歧。
▲神经元激活示意图（图片来源：Christian Burkert/Volkswagen-Stiftung/University of Bonn）
我们的大脑在处理不同的数量时，究竟发生了什么？大脑是采用了两种不同的机制；还是工作机制其实一样，只是对小数字的不准确比例低到可以忽略不计？这个百年争论直到今天也没有得到解决。
近期，一项发表于《自然-人类行为》的研究通过对颞叶区域单个神经元活动的记录与分析得出了结论：大脑在处理≤4个与＞4个物体时，真的有两种截然不同的神经元激活机制！这个延续了超过150年的争议，有了迄今最为清晰的答案。
这项研究由德国图宾根大学的Andreas Nieder教授与波恩大学医学中心Florian Mormann教授领导。
在通过手术切除病变的神经组织来治疗癫痫时，为了确认病灶的位置，医生有时会先将电极插入患者的大脑。正是这个过程给了研究团队开展细胞层面研究的机遇。在这项由17位患者参与的研究中，研究团队在准备手术时会将极细的微电极插入颞叶，用来测定单个神经元对视觉刺激的响应。这些志愿者会看到电脑屏幕上一闪而过的点，画面持续时间只有半秒，而他们需要答出看到的点的数量——是奇数还是偶数。
与此前的发现一样，在不超过4个点时，他们总是能非常迅速地作出反应，几乎不会犯错。但随着点的数量增加，他们出错的频率开始增加，执行任务时的思考时间也变得更长。
此前的研究已经发现，我们的大脑拥有分别负责不同数量的神经元。例如在面前出现3个或7个物体时，激活的神经元是不一样的。那么，这些不同情况下，微电极记录下了怎样的神经元活动呢？
▲图像短暂出现后，志愿者需要回答看见的点是奇数还是偶数（图片来源：AG Mormann/University of Bonn）
首先是“大量”数字的情形。以看到7个物体为例，研究注意到，神经元激活与数字并不是一一对应的，数量略微改变时，这些神经元同样被激活，只是激活的程度略低。举例来说，负责7个物体的神经元，在大脑处理6或8个物体时也会被在一定程度上被激活；而到了5或9个物体时，激活程度就更微弱了。
然而，在处理3个物体时，情况完全不同。这时的神经元活动有着优异的选择性，并且还伴随着抑制效应——当负责3个物体的神经元被激活，它们会同时抑制负责相邻数字（也就是2和4）的神经元活动，从而降低了被数量3错误激活的风险。但在超过4个数字时，如前文所述，神经元活动的选择性下降，这也解释了大脑在辨识数字时的错误率突然上升的原因。
由此，这项研究不仅给出了这道百年难题的答案，还为理解人类大脑处理数字的方式提供了新的线索，并且可能有助于更好地理解计算障碍症状。
封面图来源：123RF参考资料： Kutter, E.F., Dehnen, G., Borger, V. et al. Distinct neuronal representation of small and large numbers in the human medial temporal lobe. Nat Hum Behav 7, 1998–2007 (2023). https://doi.org/10.1038/s41562-023-01709-3 Nerve cells can detect small numbers of things better than large numbers of things. Retrieved Oct 2nd, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1003294
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