2023第一届「心智与脑科学」 - 心理、神经、与大脑 科普写作征文  A组心智与脑科学－优等：阳明交通卢Ｏ欣

 

 

人类数感的容量上限一直以来困扰着科学家。现在，波昂大学的科学家找到了新的科学证据来解决围绕计数机制的百年争论。

 早在1871年，经济学家兼逻辑学家William Stanley Jevons就已经观察到人类似乎存在两种计数模式（Jevons, 1871）。对于1~4这类小数字，许多人都有办法在眨眼之间算出物品数量，正确率接近完美，被心理学家称为「数感」（subitizing）。当数字增加到超过4，就换另一种计数模式「大数表征」（large quantity discrimination）派上用场。大数表征不仅比数感慢得多，精确率也差强人意。

 关于数感和大数表征两种模式背后的大脑机制有两套假说：一派认为计数的任务由同一套系统负责，而这套系统对于小数字的估计比对于大数字的更准确；另一派则认为数感和大数表征背后是两套不同的大脑机制。不幸的是，科学家在一个多世纪间都未能决定究竟哪个假说是真的。包含脑电图（electroencephalography, EEG）、高场功能性磁振造影（high-field functional MRI）、正子断层造影（positron emission tomography）等现代工具都已经被用于试图解开计数的大脑机制，得到的研究结果却各执一词。

  为了解决这项百年争论，研究小组找来17位即将在波昂大学医学中心接受外科手术的癫痫患者，并在他们的内侧颞叶（medial temporal lobe）放置电极，在受试者计数的同时纪录801个单一神经元的电讯号变化。每次试验中，将会有0~9个黑点在萤幕上出现半秒，受试者接着透过萤幕上的按钮来回答看到了奇数个或偶数个点。代表奇数个点或偶数个点的按钮会在不同试验中交换，以排除结果受到受试者潜在的运动偏好影响。如下图，研究小组设计了三类图像，点大小与数量随机、固定点密度和总面积、点呈线性排列。先前已经有科学家发现，人类大脑里有对不同物品数量反应的神经元（Kutter et al., 2018）。如果数感和大数表征共享同一套大脑机制，那么0~9个点之间纪录到的神经元活动将呈现连续分布。反之，如果两种计数模式由各自的大脑机制负责，研究小组将能够观察到两个机制切换时的不连续性。

研究对象的神经元活动显示，对于1~4反应的神经元具有非常高的精确性和选择性，而对5~9反应的神经元则对它负责的数字和邻近的数字都有反应。也就是说，对4反应的神经元只对4有反应，而对2或3无感，对8反应的神经元不只对8反应强烈，对7和9也同样有所反应。这篇文章于2023年10月发表于Nature Human Behavior「我很难相信大脑里真的存在这样的分界线。然而基于数据，我必须接受这个事实。」参与这项研究的其中一位科学家Nieder向Mariana Lenharo表示。

 这项研究结果为数感和大数表征是两套机制的假说提供了非常直接的证据，同时解释了为何人类在尝试量化大数字时更容易犯错。除了用来解释数感，这套机制也可能和其他同样容量有限的认知过程有关，比如注意力和工作记忆（working memory）。4和5之间的分界线也将改变广告与教材设计，帮助所有运用到标准化作业流程（standard operation procedure, SOP）的行业重新思考他们的工作方式。

 不过，仍有许多有待解答的问题。比如一篇发表于Journal of Numerical Cognition的研究指出，人类在辨别两个大数字，比如50和51之间的微小数值差异时准确率意外的高（Sanford and Halberda, 2023）。人类对大数字的感知能力是否有别的机制？计数是否只和内侧颞叶的神经元有关？让我们拭目以待，从数数（counting）出发的脑科学可以带我们走得多远吧！

 

 

 

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 (2023). https://doi.org/10.1038/s41562-023-01709-3
2. Mariana, L. (2023, October 6). Your brain finds it easy to size up four objects but not five — here’s why. nature. https://www.nature.com/articles/d41586-023-03136-w
3. Jevons, W. S. (1871). The power of numerical discrimination. Nature, 3(67), 281-282.
4. Mandler, G., & Shebo, B.J. (1982). Subitizing: an analysis of its component processes. Journal of experimental psychology. General, 111 1, 1-22 .
5. Kutter, E. F., Bostroem, J., Elger, C. E., Mormann, F., & Nieder, A. (2018). Single Neurons in the Human Brain Encode Numbers. Neuron, 100(3), 753–761.e4. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.08.036
6. Sanford, E. M., & Halberda, J. (2023). Successful discrimination of tiny numerical differences. Journal of Numerical Cognition, 9(1), 196-205.