İktisatçı ve filozof William Stanley Jevons, 150 yıldan fazla bir süre önce 4 sayısıyla ilgili ilginç bir şey keşfetti. Zihnin sayıları nasıl algıladığı üzerine düşünürken bir avuç dolusu siyah fasulyeyi bir karton kutuya attı. Sonra kısa bir bakış attıktan sonra gerçek değeri kaydetmek için saymadan önce kaç tane olduğunu tahmin etti. 1,000'den fazla denemeden sonra net bir model gördü. Kutuda dört ya da daha az fasulye olduğunda her zaman doğru sayıyı tahmin ediyordu. Ancak beş veya daha fazla fasulye için yaptığı hızlı tahminler çoğunlukla yanlıştı.

Jevons'un kendi deneyine ilişkin açıklaması, yayınlanan Tabiat 1871 yılında, "sayılar hakkında nasıl düşündüğümüzün temelini" oluşturduğunu söyledi Steven PiantadosiBerkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'nde psikoloji ve sinir bilimi profesörü. Bu durum, bir sette mevcut olduğuna doğru bir şekilde karar verebileceğimiz öğelerin sayısında neden bir sınır olduğu konusunda uzun süreli ve devam eden bir tartışmayı ateşledi.

Şimdi, yeni bir çalışma in Doğa İnsan Davranışı belirli miktarlarla sunulduğunda insan beyin hücrelerinin nasıl ateşlendiğine benzeri görülmemiş bir bakış atarak cevaba yaklaştı. Bulgular, beynin kaç tane nesne gördüğünü yargılamak için iki mekanizmanın bir kombinasyonunu kullandığını gösteriyor. Biri miktarları tahmin ediyor. İkincisi, bu tahminlerin doğruluğunu keskinleştirir; ancak yalnızca küçük sayılar için.

Araştırmaya dahil olmayan Piantadosi, bulguların uzun süredir tartışılan fikirleri sinirsel temellere bağlamasının "çok heyecan verici" olduğunu söyledi. "İnsanların son derece makul biyolojik temelleri saptayabildiği pek fazla şey yok."

Yeni çalışma tartışmayı sona erdirmese de, bulgular beynin miktarları nasıl değerlendirdiğine ilişkin biyolojik temeli çözmeye başlıyor; bu da hafıza, dikkat ve hatta matematik hakkında daha büyük sorulara yol açabilir.

Bir Nöronun Favori Numarası

Bir setteki öğelerin sayısını anında yargılama yeteneğinin saymakla hiçbir ilgisi yoktur. İnsan yavruları dili öğrenmeden önce bile bu sayı duyusuna sahiptir. Ve bu sadece insanlarla sınırlı değil: Maymunlar, arılar, balıklar, kargalar ve diğer hayvanlarda da var.

Bir maymunun, bir ağaçtaki elma sayısını ve ayrıca bu elmalar için başka kaç maymunla rekabet ettiğini hızlı bir şekilde yargılayabilmesi gerekir. Bir aslan, diğer aslanlarla karşılaştığında savaşıp kaçmayacağına karar vermek zorundadır. Bal arılarının yiyecek aramak için en fazla çiçeğin hangi bölgede bulunduğunu bilmesi gerekir. Lepistes bir sürüye katılırsa yırtıcıdan kaçma şansı daha yüksektir. "Sürü ne kadar büyük olursa, küçük balıklar da o kadar güvenli olur" dedi Brian ButterworthUniversity College London'da yeni çalışmaya dahil olmayan bilişsel sinir bilimci.

Bu doğuştan gelen sayı hissi bu nedenle hayatta kalmak, bir hayvanın yiyecek bulma şansını arttırmak, yırtıcılardan kaçınmak ve sonuçta üremek için kritik öneme sahiptir. "Sayısal büyüklükleri ayırt edebilmek bir hayvanın hayatta kalması için yeterlidir" dedi Andreas NiederAlmanya'daki Tübingen Üniversitesi'nde hayvan fizyolojisi kürsüsü başkanı ve yeni çalışmaya öncülük eden Dr. Bu yeteneğin böceklerden insanlara kadar çeşitli hayvanlarda bulunması, bunun uzun zaman önce ortaya çıktığını ve sinirsel temelinin onlarca yıldır bilişsel bilim adamlarının ilgisini çektiğini gösteriyor.

2002'de Nieder sinir bilimciyle birlikte çalışırken Earl Miller Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde doktora sonrası araştırmacı olarak sayıların var olduğuna dair ilk kanıtlardan birini yayınladılar. belirli nöronlara bağlı. Maymunlar üzerinde yapılan davranışsal bir deneyde, yüksek seviyeli işlemenin gerçekleştiği prefrontal kortekste yer alan bu nöronların, tercih edilen sayılara sahip olduğunu buldular; algılandığında beyin taramalarında hücrelerin parıldamasını sağlayan favori sayılar.

Örneğin bazı nöronlar 3 sayısına ayarlıdır. Onlara üç nesne sunulduğunda daha fazla ateşlenirler. Diğer nöronlar 5 rakamına ayarlıdır ve beş nesne sunulduğunda ateşlenirler, vb. Bu nöronlar yalnızca favorilerine bağlı değiller: Aynı zamanda bitişik sayılar için de ateşleniyorlar. (Yani 5'e ayarlanan nöron aynı zamanda dört ve altı nesne için de ateşleniyor.) Ancak bunu o kadar sık ​​yapmıyorlar ve sunulan sayı tercih edilen sayıdan uzaklaştıkça nöronların ateşlenme hızı düşüyor.

Nieder, çalışmanın matematiksel yeteneğin gelişimi hakkında sunduğu daha derin sorular karşısında heyecanlandı. Sayılar saymaya ve ardından nicelik yerine geçen Arap rakamları gibi sembolik sayı temsillerine yol açar. Bu sembolik sayılar aritmetik ve matematiğin temelini oluşturur. Nieder, "Sayıların beyinde nasıl temsil edildiğini bilmek bizim için daha sonra gelecek her şeyin temelini oluşturuyor" dedi.

Sayı nöronları hakkında öğrenebildiği kadar çok şey öğrenmeye devam etti. 2012 yılında ekibi, nöronların tercih ettikleri sayılara yanıt verdiklerini keşfetti. bir seti tahmin etmek Sesler veya görsel öğeler. Daha sonra 2015 yılında şunu gösterdiler: kargaların da sayı nöronları var. Nieder, "şaşırtıcı karga davranışı" sergileyerek, kuşların kendilerine gösterilen nokta sayısını veya Arap rakamlarını doğru bir şekilde gagalayabildiklerini söyledi.

Ancak hiç kimse insanlarda nöron sayısını tanımlamamıştı. Bunun nedeni, insan beynini incelemek herkesin bildiği gibi zor olmasıdır: Bilim insanları, insanlar hayattayken yapılan deneylerde genellikle onun faaliyetlerine etik olarak erişemezler. Beyin görüntüleme araçları, bireysel nöronları ayırt etmek için gereken çözünürlüğe sahip değildir ve bilimsel merak, tek başına, beyine istilacı elektrotların yerleştirilmesini haklı gösteremez.

Yaşayan bir beyni incelemek için Nieder'in, halihazırda elektrot implantları olan ve araştırmasının bir parçası olmayı kabul eden hastaları bulması gerekiyordu. 2015 yılında iletişime geçti Florian Mormann - Almanya'da insan hastalarda tek hücre kayıtları yapan az sayıda klinisyenden biri olan Bonn Üniversitesi'ndeki bilişsel ve klinik nörofizyoloji grubunun başkanı - kendisinin ve hastalarının Nieder'in insan sayısı nöronları arayışına katılıp katılamayacağını görmek için . Mormann evet dedi ve ekipleri, tıbbi bakımlarını iyileştirmek için daha önce elektrotlar implante edilen epilepsi hastalarının beyin aktivitelerini incelemeye başladı.

Araştırmacılar beyin aktivitelerini kaydederken dokuz hasta kafalarından basit hesaplamalar yaptı. Elbette ki verilerde Nieder ve Mormann nöronların ateşlendiğini gördüm tercih ettikleri sayılar için - insan beyninde ilk kez sayı nöronları tanımlandı. Bulgularını yayınladılar Nöron 2018 içinde.

Nieder, sinir bilimcilerin elbette kendi zihinlerini anlamaya yöneldiklerini ve dolayısıyla "insan beyninde bu tür nöronları bulmanın son derece ödüllendirici olduğunu" söyledi.

Sayısal Bir Eşik

Nieder ve Mormann, arayışlarına devam etmek için nöronların tek ve çift sayıları nasıl temsil ettiğini öğrenmek amacıyla yeni bir çalışma başlattı. Araştırmacılar 17 epilepsi hastasını işe aldılar ve onlara bilgisayar ekranlarında sayıları birden dokuza kadar değişen noktaların parıltısını gösterdiler. Katılımcılar, elektrotlar beyin aktivitelerini kaydederken tek sayı mı yoksa çift sayı mı gördüklerini belirttiler.

Sonraki birkaç ay içinde, Nieder'le çalışan yüksek lisans öğrencisi Esther Kutter, ortaya çıkan verileri analiz ederken, net bir modelin ortaya çıktığını gördü - tam 4 rakamı civarında.

Tek nöronların ateşlenmesinin 801 kaydını içeren veriler iki farklı sinir imzası gösterdi: biri küçük sayılar için, diğeri büyük sayılar için. 4 sayısının üzerinde, nöronların tercih ettikleri sayıya yönelik ateşlemeleri giderek daha az kesin hale geldi ve tercih edilen sayıya yakın sayılar için hatalı bir şekilde ateşlendiler. Ancak 4 ve altı için nöronlar tam olarak ateşlendi; bir, iki, üç veya dört nesne için ateşlenirken aynı küçük hata miktarıyla. Diğer numaralara yanıt olarak yanlış ateşleme büyük ölçüde yoktu.

Bu Nieder'i şaşırttı. Hayvan çalışmalarında bu sınırı daha önce görmemişti: Bu deneyler yalnızca 5'e kadar olan sayıları içeriyordu. Jevons'un gözlemini araştırmak için yola çıkmamıştı ve davranışsal çalışmaların bulduklarını doğrulayan bir sinir sınırı görmeyi de beklemiyordu. . O noktaya kadar beynin sayıları yargılamak için tek bir mekanizmaya sahip olduğuna ikna olmuştu; sayılar yükseldikçe daha da belirsizleşen bir süreklilik.

Yeni veriler onun için bunu değiştirdi. Nieder, "Bu sınır farklı şekillerde ortaya çıktı" dedi. Nöral modeller, daha küçük sayıdaki nöronların yanlış sayılara ateşlenmesini engelleyen ek bir mekanizmanın olduğunu öne sürdü.

Piantadosi ve Serge DumoulinAmsterdam'daki Spinoza Nörogörüntüleme Merkezi'nin yöneticisi, sayıların nöronal yorumunu yalnızca tek bir mekanizmanın yönettiği fikrini destekleyen daha önce yayınlanmış makaleleri vardı. Ancak Nieder ve Mormann'ın gerçekte iki ayrı mekanizmanın olduğunu gösteren yeni verileri onları şaşırttı.

Piantadosi, bunun "büyük ve küçük sayıların farklı sinir imzalarına sahip olduğunun gerçek bir doğrulaması" olduğunu söyledi. Ancak tek bir süreçten iki imzanın çıkabileceği konusunda uyardı; bunun bir mekanizma olarak mı yoksa iki mekanizma olarak mı tanımlanacağı hala tartışmaya açıktır.

Dumoulin, "Bu çok güzel" dedi. "Bu tür veriler mevcut değildi ve kesinlikle insanlarda da mevcut değildi."

Ancak önemli bir belirsizlik daha sürüyor. Araştırmacılar maymunlarda nöronların çoğunluğunun bulunduğu prefrontal veya parietal korteksleri incelemediler. Bunun yerine, hastaların elektrotlarının yerleştirildiği yer nedeniyle çalışma, hafızayla ilgili olan medial temporal loba odaklandı. Nieder, sayıları anlamak için insan beyninde araştıracağınız ilk yer olmadığını söyledi. "Öte yandan medial temporal lob da bu tür nöronları aramak için en kötü yer değil."

Bunun nedeni medial temporal lobun sayı duyusuyla bağlantılı olmasıdır. Nieder, çocuklar hesaplamaları ve çarpım tablosunu öğrendiğinde aktif olduğunu ve sayı nöronlarının bulunduğu düşünülen bölgelerle yakından bağlantılı olduğunu söyledi.

Butterworth, bu bölgede sayı nöronlarının neden mevcut olduğunun açık olmadığını söyledi. "Paryetal loba özgü olduğunu düşündüğümüz şeyler, medial temporal lobun bazı kısımlarına da yansıyor gibi görünüyor."

Bir olasılık, bunların hiçbir şekilde sayı nöronları olmamasıdır. Pedro Pinheiro-ChagasSan Francisco'daki Kaliforniya Üniversitesi'nde nöroloji alanında yardımcı doçent olan Dr., bunların, medial temporal lobda yer alan ve her biri belirli kavramlarla bağlantılı olan kavram nöronları olabileceğini düşünüyor. Örneğin ünlü bir çalışma, aktör Jennifer Aniston'ın görüntülerine doğrudan ve özel olarak yanıt veren bir konsept nöronu buldu. “Belki de sayı duyusunun mekanizmalarını bulamıyorlar. … Belki de sayılara da uygulanan kavram hücreleri buluyorlar” dedi Pinheiro-Chagas. “'Jennifer Aniston' kavramına sahip olduğunuz gibi, 'üç' kavramına da sahip olabilirsiniz.”

Analiz seviyesinin "gerçekten olağanüstü" olduğu belirtildi Marinella CappellettiLondra Üniversitesi Goldsmiths'te bilişsel sinir bilimci. Araştırmacılar medial temporal lobdaki ikili mekanizmalar için "ilgi çekici kanıtlar" sağlıyor. Ancak fırsat ortaya çıkarsa, bu mekanizmaların beynin diğer bölgelerinde de çalışıp çalışmadığını görmenin değerli olacağını düşünüyor.

Cappelletti, "Bu bulguları bir pencereye bakmak gibi görüyorum" dedi. "Bu konuyu biraz daha açıp bize beynin geri kalanı hakkında daha fazla bilgi vermek güzel olurdu."

4 Hakkında Bir Şey Var

Yeni bulguların çalışma belleğinin sınırlamalarıyla açık paralellikleri var. İnsanlar aynı anda yalnızca belirli sayıda nesneyi farkındalıklarında veya çalışma hafızasında tutabilirler. Deneyler bu sayının da 4 olduğunu gösteriyor.

Cappelletti, sayı duyusu ile işleyen hafıza arasındaki anlaşmanın "göz ardı edilmesi zor" olduğunu söyledi.

Mekanizmaların ilişkili olması mümkündür. Sayı duyusu üzerine yapılan önceki çalışmalarda, bir katılımcı dikkatini vermeyi bıraktığında 4 ve altındaki sayıların gerçek değerini kesin olarak yargılama yeteneğini kaybetmişti. Bu, küçük sayılarla bitişik yanlış ateşlemeleri bastıran küçük sayı sisteminin dikkatle yakından bağlantılı olabileceğini düşündürmektedir.

Nieder şimdi küçük sayı sisteminin yalnızca önünüzde olana dikkat ettiğinizde açıldığını varsayıyor. Bu fikri maymunlarda test etmenin yanı sıra, deneylerinin henüz yakalayamadığı 4'teki sinir sınırını da aramayı umuyor.

Pinheiro-Chagas, yeni araştırmanın sayı algısı anlayışımızda yararlı uygulamalara sahip olabilecek "yeni bir sıçramanın başlangıcı gibi göründüğünü" söyledi. Bunun matematik eğitimi ve hatta çokluk algısıyla mücadele eden yapay zeka konusundaki tartışmalara yem olacağını umuyor. Büyük dil modelleri “sayma konusunda oldukça kötü. Miktarları anlama konusunda oldukça kötüler” dedi.

Sayı nöronlarını daha iyi karakterize etmek aynı zamanda kim olduğumuzu anlamamıza da yardımcı olabilir. Sayı temsili, dil sisteminin yanında insanın ikinci büyük sembol sistemidir. İnsanlar sayıları sıklıkla ve çeşitli şekillerde kullanırlar ve biz ve atalarımız binlerce yıldır dünyayı tanımlamak için matematiği kullandık. Bu anlamda matematik insan olmanın temel bir parçasıdır.

Ve bu çalışmanın göstermeye başladığı gibi, bu hesaplama yeteneği beyindeki ince ayarlı nöron ağından kaynaklanıyor olabilir.

Kuantum izleyicilerimize daha iyi hizmet verebilmek için bir dizi anket yürütüyor. Bizimkini al biyoloji okuyucu anketi ve ücretsiz kazanmak için girileceksiniz Kuantum mal.