منذ أكثر من 150 عاما، اكتشف الاقتصادي والفيلسوف ويليام ستانلي جيفونز شيئا غريبا بشأن الرقم 4. فبينما كان يفكر في كيفية تصور العقل للأرقام، ألقى حفنة من الفاصوليا السوداء في صندوق من الورق المقوى. ثم، بعد نظرة خاطفة، خمن عددهم، قبل أن يعدهم لتسجيل القيمة الحقيقية. وبعد أكثر من 1,000 تجربة، رأى نمطًا واضحًا. عندما كان هناك أربع حبات أو أقل في الصندوق، كان دائمًا يخمن الرقم الصحيح. ولكن بالنسبة لخمس حبوب أو أكثر، كانت تقديراته السريعة غير صحيحة في كثير من الأحيان.

وصف جيفونز لتجربته الذاتية، نشرت في الطبيعة في القرن الرابع الميلاديقال: "لقد وضع الأساس لكيفية تفكيرنا في الأرقام". ستيفن بيانتادوسي، أستاذ علم النفس وعلم الأعصاب في جامعة كاليفورنيا، بيركلي. لقد أثار جدلاً طويل الأمد ومستمرًا حول سبب وجود حد لعدد العناصر التي يمكننا الحكم بدقة على وجودها في المجموعة.

الآن، دراسة جديدة in طبيعة السلوك البشري لقد اقتربت من الإجابة عن طريق إلقاء نظرة غير مسبوقة على كيفية تحفيز خلايا الدماغ البشرية عند تقديمها لكميات معينة. تشير النتائج التي توصلت إليها إلى أن الدماغ يستخدم مزيجًا من آليتين للحكم على عدد الأشياء التي يراها. واحد يقدر الكميات. أما العامل الثاني فيزيد من دقة تلك التقديرات، ولكن بالنسبة لأعداد صغيرة فقط.

وقال بيانتادوسي، الذي لم يشارك في الدراسة، إنه "من المثير للغاية" أن النتائج تربط الأفكار التي نوقشت منذ فترة طويلة بأسسها العصبية. "ليس هناك الكثير من الأشياء في مجال الإدراك حيث تمكن الناس من تحديد أسس بيولوجية معقولة للغاية."

على الرغم من أن الدراسة الجديدة لا تنهي الجدل، إلا أن النتائج تبدأ في كشف الأساس البيولوجي لكيفية حكم الدماغ على الكميات، والتي يمكن أن تطرح أسئلة أكبر حول الذاكرة والانتباه وحتى الرياضيات.

الرقم المفضل للخلايا العصبية

القدرة على الحكم الفوري على عدد العناصر في المجموعة ليس لها علاقة بالعد. يمتلك الأطفال الرضع هذا الحس العددي حتى قبل أن يتعلموا اللغة. ولا يقتصر الأمر على البشر: فالقرود والنحل والأسماك والغربان وغيرها من الحيوانات مصابة به أيضًا.

يجب أن يكون القرد قادرًا على الحكم بسرعة على عدد التفاحات الموجودة في الشجرة، وكذلك عدد القرود الأخرى التي يتنافس معها على تلك التفاحات. عندما يواجه الأسد أسودًا أخرى، عليه أن يقرر ما إذا كان سيقاتل أم يهرب. يحتاج نحل العسل إلى معرفة المنطقة التي تحتوي على أكبر عدد من الزهور للبحث عن الطعام. تتمتع أسماك الجوبي بفرص أفضل للهروب من المفترس إذا انضمت إلى المياه الضحلة. وقال: "كلما كانت المياه الضحلة أكبر، كانت الأسماك الصغيرة أكثر أمانا". بريان بتروورث، عالم الأعصاب الإدراكي في جامعة كوليدج لندن والذي لم يشارك في العمل الجديد.

هذه الحس العددي الفطري ولذلك فهو أمر بالغ الأهمية للبقاء على قيد الحياة، وزيادة فرص الحيوان في العثور على الغذاء، وتجنب الحيوانات المفترسة والتكاثر في نهاية المطاف. وقال: "إن الأمر ببساطة يؤتي ثماره من أجل بقاء الحيوان على قيد الحياة ليكون قادرًا على التمييز بين الكميات الرقمية". أندرياس نيدر، رئيس قسم فسيولوجيا الحيوان بجامعة توبنغن في ألمانيا، والذي شارك في قيادة الدراسة الجديدة. وحقيقة أن هذه القدرة موجودة في حيوانات متنوعة، من الحشرات إلى البشر، تشير إلى أنها نشأت منذ زمن طويل، وأن أساسها العصبي أثار اهتمام علماء الإدراك لعقود من الزمن.

في عام 2002، عندما كان نيدر يعمل مع عالم الأعصاب إيرل ميلر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كزميل ما بعد الدكتوراه، نشروا أحد الأدلة الأولى على أن الأرقام هي مرتبطة بخلايا عصبية معينة. وفي تجربة سلوكية باستخدام القرود، وجدوا أن هذه الخلايا العصبية، التي تقع في قشرة الفص الجبهي حيث تتم المعالجة على مستوى أعلى، لديها أرقام مفضلة - أرقام مفضلة، عندما يتم إدراكها، تجعل الخلايا تضيء في عمليات مسح الدماغ.

على سبيل المثال، يتم ضبط بعض الخلايا العصبية على الرقم 3. وعندما يتم تقديم ثلاثة أشياء إليها، فإنها تطلق المزيد. يتم ضبط الخلايا العصبية الأخرى على الرقم 5 وتنشط عندما يتم تقديمها لخمسة أشياء، وهكذا. لا تلتزم هذه الخلايا العصبية حصريًا بمفضلاتها: فهي أيضًا تنشط للأرقام المجاورة لها. (وبالتالي فإن الخلية العصبية المضبوطة على الرقم 5 تنشط أيضًا لأربعة وستة أشياء.) لكنها لا تفعل ذلك كثيرًا، وكلما ابتعد الرقم المقدم عن الرقم المفضل، انخفض معدل إطلاق الخلايا العصبية.

كان نيدر متحمسًا للأسئلة الأعمق التي قدمها العمل حول تطوير القدرة الرياضية. تؤدي الأرقام إلى العد، ومن ثم إلى تمثيلات الأرقام الرمزية، مثل الأرقام العربية التي تمثل الكميات. هذه الأرقام الرمزية تدعم علم الحساب والرياضيات. قال نيدر: "بالنسبة لنا، فإن معرفة كيفية تمثيل الأرقام [في الدماغ] تضع الأساس لكل ما سيأتي لاحقًا".

وتابع ليتعلم قدر استطاعته عن الخلايا العصبية العددية. في عام 2012، اكتشف فريقه أن الخلايا العصبية تستجيب لأرقامها المفضلة عندما تكون كذلك تقدير مجموعة من الأصوات أو العناصر المرئية. ثم، في عام 2015، أظهروا ذلك الغربان لديها أيضًا عدد من الخلايا العصبية. وقال نيدر إنه في عرض "لسلوك الغراب المذهل"، تمكنت الطيور من النقر بشكل صحيح على عدد النقاط أو الأرقام العربية المعروضة لها.

ومع ذلك، لم يتمكن أحد من تحديد عدد الخلايا العصبية لدى البشر. وذلك لأن دراسة الدماغ البشري أمر بالغ الصعوبة: فالعلماء عادة لا يستطيعون الوصول إلى نشاطه بشكل أخلاقي في التجارب بينما يكون الناس على قيد الحياة. لا تتمتع أدوات تصوير الدماغ بالدقة اللازمة لتمييز الخلايا العصبية الفردية، ولا يمكن للفضول العلمي وحده أن يبرر زرع أقطاب كهربائية غازية في الدماغ.

لكي يدقق نيدر في الدماغ الحي، كان بحاجة إلى العثور على المرضى الذين لديهم بالفعل زراعة أقطاب كهربائية والذين سيوافقون على أن يكونوا جزءًا من بحثه. وفي عام 2015، اتصل فلوريان مورمان - رئيس مجموعة الفيزيولوجيا العصبية المعرفية والسريرية في جامعة بون، وهو أحد الأطباء القلائل في ألمانيا الذين يقومون بتسجيلات خلية واحدة في المرضى البشر - لمعرفة ما إذا كان هو ومرضاه سينضمون إلى بحث نيدر عن الخلايا العصبية ذات العدد البشري. . أجاب مورمان بنعم، وبدأ فريقهم في العمل على فحص نشاط الدماغ لدى مرضى الصرع، الذين سبق أن تم زرع أقطاب كهربائية لديهم لتحسين الرعاية الطبية لهم.

أجرى تسعة مرضى حسابات بسيطة في رؤوسهم بينما سجل الباحثون نشاط أدمغتهم. من المؤكد أن البيانات موجودة في نيدر ومورمان رأى الخلايا العصبية تطلق النار لأرقامهم المفضلة – وهي المرة الأولى التي يتم فيها تحديد عدد الخلايا العصبية في الدماغ البشري. ونشروا النتائج التي توصلوا إليها في الخلايا العصبية في 2018.

قال نيدر إن علماء الأعصاب مدفوعون بالطبع إلى فهم عقولهم، وبالتالي فإن "العثور على مثل هذه الخلايا العصبية في الدماغ البشري أمر مجزٍ للغاية".

عتبة رقمية

لمواصلة سعيهم، أطلق نيدر ومورمان دراسة جديدة لمعرفة كيفية تمثيل الخلايا العصبية للأرقام الفردية والزوجية. قام الباحثون بتجنيد 17 مريضًا بالصرع وأظهروا لهم ومضات من النقاط، يتراوح عددها من واحد إلى تسعة، على شاشات الكمبيوتر. وأشار المشاركون إلى ما إذا كانوا رأوا رقمًا فرديًا أو زوجيًا بينما سجلت الأقطاب الكهربائية نشاط دماغهم.

خلال الأشهر القليلة التالية، عندما قامت إستر كتر، وهي طالبة دراسات عليا تدرس مع نيدر، بتحليل البيانات الناتجة، رأت ظهور نمط واضح - بالقرب من الرقم 4.

وأظهرت البيانات، التي ضمت 801 تسجيلًا لخلايا عصبية منفردة، علامتين عصبيتين متميزتين: واحدة للأعداد الصغيرة وواحدة للأعداد الكبيرة. فوق الرقم 4، أصبح إطلاق الخلايا العصبية للرقم المفضل أقل دقة بشكل تدريجي، كما أنها أطلقت بشكل خاطئ أرقامًا قريبة من الرقم المفضل. ولكن بالنسبة للرقم 4 أو أقل، أطلقت الخلايا العصبية إشاراتها بدقة، مع نفس القدر الضئيل من الخطأ سواءً أكان إطلاقها لجسم واحد، أو اثنين، أو ثلاثة أو أربعة أشياء. وكان الخلل في الاستجابة للأرقام الأخرى غائبا إلى حد كبير.

هذا فاجأ نيدر. لم يسبق له أن رأى هذه الحدود في دراساته على الحيوانات: فقد تضمنت تلك التجارب أرقامًا تصل إلى 5 فقط. ولم يشرع في التحقق من ملاحظة جيفونز، ولم يتوقع أن يرى حدودًا عصبية تؤكد ما توصلت إليه الدراسات السلوكية. . حتى تلك اللحظة كان مقتنعًا بأن الدماغ لديه آلية واحدة فقط للحكم على الأرقام، وهي سلسلة متواصلة تصبح أكثر غموضًا كلما ارتفعت الأرقام.

البيانات الجديدة غيرت ذلك بالنسبة له. وقال نيدر: "لقد ظهرت هذه الحدود بطرق مختلفة". تشير الأنماط العصبية إلى وجود آلية إضافية تمنع الخلايا العصبية ذات الأعداد الأصغر من إطلاق النار على الأرقام الخاطئة.

بيانتادوسي و سيرج دومولين، مدير مركز سبينوزا للتصوير العصبي في أمستردام، وقد نشر سابقًا ورقتين تدعمان فكرة أن آلية واحدة فقط هي التي تدير التفسير العصبي للأرقام. ومع ذلك فقد أذهلتهم البيانات الجديدة التي توصل إليها نيدر ومورمان والتي تظهر أن هناك في الواقع آليتين منفصلتين.

وقال بيانتادوسي: "إنه دليل حقيقي على أن الأعداد الكبيرة والصغيرة لها بصمات عصبية مختلفة". لكنه حذر من إمكانية ظهور توقيعين من عملية واحدة؛ وما إذا كان ينبغي وصفها بأنها آلية واحدة أو اثنتين لا يزال محل نقاش.

قال دومولين: "هذا جميل فحسب". "لم يكن هذا النوع من البيانات متاحًا وبالتأكيد ليس لدى البشر."

ومع ذلك، لا يزال هناك عدم يقين رئيسي آخر. لم يدرس الباحثون القشرة الجبهية أو الجدارية، حيث توجد غالبية الخلايا العصبية في القرود. وبدلاً من ذلك، وبسبب المكان الذي تم فيه إدخال الأقطاب الكهربائية للمرضى، ركزت الدراسة على الفص الصدغي الأوسط، الذي يشارك في الذاكرة. وقال نيدر إنه ليس المكان الأول في الدماغ البشري الذي تبحث فيه لفهم الأرقام. "من ناحية أخرى، فإن الفص الصدغي الأوسط ليس هو المكان الأسوأ للبحث عن مثل هذه الخلايا العصبية."

وذلك لأن الفص الصدغي الأوسط مرتبط بحاسة الأرقام. وقال نيدر إنه ينشط عندما يتعلم الأطفال العمليات الحسابية وجداول الضرب، ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بالمناطق التي يُعتقد أن الخلايا العصبية العددية تكذب فيها.

وقال بتروورث إنه ليس من الواضح سبب وجود الخلايا العصبية العددية في هذه المنطقة. "يبدو أن الأشياء التي اعتقدنا أنها خاصة بالفص الجداري تنعكس أيضًا في أجزاء من الفص الصدغي الأوسط."

أحد الاحتمالات هو أن هذه ليست خلايا عصبية رقمية على الإطلاق. بيدرو بينهيرو شاغاسيعتقد البروفيسور المساعد في علم الأعصاب بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو أن هذه الخلايا يمكن أن تكون بدلاً من ذلك خلايا عصبية مفاهيمية، تقع في الفص الصدغي الأوسط ويرتبط كل منها بمفاهيم محددة. على سبيل المثال، وجدت إحدى الدراسات الشهيرة أن الخلية العصبية المفاهيمية استجابت بشكل مباشر ومحدد لصور الممثلة جنيفر أنيستون. "ربما لم يجدوا آليات الإحساس بالأرقام. وقال بينهيرو شاغاس: “ربما وجدوا خلايا مفاهيمية يتم تطبيقها أيضًا على الأرقام”. "بما أن لديك مفهوم "جنيفر أنيستون"، فمن الممكن أن يكون لديك مفهوم "الثلاثة"."

وقال إن مستوى التحليل "ممتاز حقًا". مارينيلا كابيليتي، عالم الأعصاب الإدراكي في جولدسميث، جامعة لندن. ويقدم الباحثون "أدلة دامغة" على وجود آليات مزدوجة في الفص الصدغي الأوسط. ومع ذلك، فهي تعتقد أنه سيكون من المفيد معرفة ما إذا كانت هذه الآليات تعمل في مناطق أخرى من الدماغ أيضًا، إذا أتيحت الفرصة.

وقال كابيليتي: "أرى أن هذه النتائج بمثابة النظر إلى النافذة". "سيكون من الجميل أن نفتحه أكثر قليلًا ونخبرنا المزيد عن بقية الدماغ."

هناك شيء عن 4

النتائج الجديدة لها أوجه تشابه واضحة مع القيود المفروضة على الذاكرة العاملة. يمكن للناس أن يحتفظوا فقط بعدد معين من الأشياء في وعيهم، أو ذاكرتهم العاملة، في وقت واحد. تظهر التجارب أن هذا الرقم هو أيضًا 4.

وقال كابيليتي إن الاتفاق بين حدود الإحساس العددي وحدود الذاكرة العاملة "يصعب تجاهله".

من الممكن أن تكون الآليات مرتبطة. في الدراسات السابقة للحس العددي، عندما توقف أحد المشاركين عن الاهتمام، فقد قدرته على الحكم بدقة على القيمة الحقيقية للأرقام 4 وما دونها. ويشير ذلك إلى أن نظام الأعداد الصغيرة، الذي يمنع الأخطاء المتجاورة في الأعداد الصغيرة، قد يكون مرتبطًا بشكل وثيق بالانتباه.

يفترض نيدر الآن أن نظام الأرقام الصغيرة لا يعمل إلا عندما تنتبه لما هو أمامك. ويأمل في اختبار هذه الفكرة على القرود، بالإضافة إلى البحث عن الحدود العصبية عند الرقم 4 والتي لم تتمكن تجاربهم من التقاطها بعد.

وقال بينهيرو شاغاس إن البحث الجديد "يبدو أنه بداية قفزة جديدة" في فهمنا لإدراك الأعداد، والذي يمكن أن يكون له تطبيقات مفيدة. ويأمل أن يكون مادة للمناقشات حول تعليم الرياضيات وحتى الذكاء الاصطناعي، الذي يعاني من الإدراك العددي. نماذج اللغات الكبيرة "سيئة للغاية في العد. وقال: "إنهم سيئون للغاية في فهم الكميات".

إن التوصيف الأفضل للخلايا العصبية العددية يمكن أن يساعدنا أيضًا على فهم من نحن. بجانب نظام اللغة، يعد تمثيل الأرقام ثاني أكبر نظام رموز لدى البشر. يستخدم الناس الأرقام بشكل متكرر وبطرق متنوعة، وقد استخدمنا نحن وأسلافنا الرياضيات لوصف العالم منذ آلاف السنين. وبهذا المعنى، تعد الرياضيات جزءًا أساسيًا من كونك إنسانًا.

وكما بدأت هذه الدراسة تظهر، فإن هذه البراعة الحسابية قد تنبع جميعها من شبكة من الخلايا العصبية المضبوطة بدقة في الدماغ.

كوانتا تجري سلسلة من الدراسات الاستقصائية لخدمة جمهورنا بشكل أفضل. خذ خاصتنا مسح قارئ علم الأحياء وسيتم إدخالك للفوز مجانا كوانتا بضائع.