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从4数到5竟然把大脑难坏了!新研究破解百年难题

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发表于 2024-1-20 23:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
从4数到5竟然把大脑难坏了!新研究破解百年难题[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]

[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]Original [color=var(--weui-FG-2)]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“[color=var(--weui-LINK)][url=]数字感知[/url]”(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。


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▲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。

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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?

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▲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:[1] 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[2] 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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