2023第一屆「心智與腦科學」 - 心理、神經、與大腦 科普寫作徵文  A組心智與腦科學－優等：陽明交通盧Ｏ欣

 

 

人類數感的容量上限一直以來困擾著科學家。現在，波昂大學的科學家找到了新的科學證據來解決圍繞計數機制的百年爭論。

 早在1871年，經濟學家兼邏輯學家William Stanley Jevons就已經觀察到人類似乎存在兩種計數模式（Jevons, 1871）。對於1~4這類小數字，許多人都有辦法在眨眼之間算出物品數量，正確率接近完美，被心理學家稱為「數感」（subitizing）。當數字增加到超過4，就換另一種計數模式「大數表徵」（large quantity discrimination）派上用場。大數表徵不僅比數感慢得多，精確率也差強人意。

 關於數感和大數表徵兩種模式背後的大腦機制有兩套假說：一派認為計數的任務由同一套系統負責，而這套系統對於小數字的估計比對於大數字的更準確；另一派則認為數感和大數表徵背後是兩套不同的大腦機制。不幸的是，科學家在一個多世紀間都未能決定究竟哪個假說是真的。包含腦電圖（electroencephalography, EEG）、高場功能性磁振造影（high-field functional MRI）、正子斷層造影（positron emission tomography）等現代工具都已經被用於試圖解開計數的大腦機制，得到的研究結果卻各執一詞。

  為了解決這項百年爭論，研究小組找來17位即將在波昂大學醫學中心接受外科手術的癲癇患者，並在他們的內側顳葉（medial temporal lobe）放置電極，在受試者計數的同時紀錄801個單一神經元的電訊號變化。每次試驗中，將會有0~9個黑點在螢幕上出現半秒，受試者接著透過螢幕上的按鈕來回答看到了奇數個或偶數個點。代表奇數個點或偶數個點的按鈕會在不同試驗中交換，以排除結果受到受試者潛在的運動偏好影響。如下圖，研究小組設計了三類圖像，點大小與數量隨機、固定點密度和總面積、點呈線性排列。先前已經有科學家發現，人類大腦裡有對不同物品數量反應的神經元（Kutter et al., 2018）。如果數感和大數表徵共享同一套大腦機制，那麼0~9個點之間紀錄到的神經元活動將呈現連續分佈。反之，如果兩種計數模式由各自的大腦機制負責，研究小組將能夠觀察到兩個機制切換時的不連續性。

研究對象的神經元活動顯示，對於1~4反應的神經元具有非常高的精確性和選擇性，而對5~9反應的神經元則對它負責的數字和鄰近的數字都有反應。也就是說，對4反應的神經元只對4有反應，而對2或3無感，對8反應的神經元不只對8反應強烈，對7和9也同樣有所反應。這篇文章於2023年10月發表於Nature Human Behavior「我很難相信大腦裡真的存在這樣的分界線。然而基於數據，我必須接受這個事實。」參與這項研究的其中一位科學家Nieder向Mariana Lenharo表示。

 這項研究結果為數感和大數表徵是兩套機制的假說提供了非常直接的證據，同時解釋了為何人類在嘗試量化大數字時更容易犯錯。除了用來解釋數感，這套機制也可能和其他同樣容量有限的認知過程有關，比如注意力和工作記憶（working memory）。4和5之間的分界線也將改變廣告與教材設計，幫助所有運用到標準化作業流程（standard operation procedure, SOP）的行業重新思考他們的工作方式。

 不過，仍有許多有待解答的問題。比如一篇發表於Journal of Numerical Cognition的研究指出，人類在辨別兩個大數字，比如50和51之間的微小數值差異時準確率意外的高（Sanford and Halberda, 2023）。人類對大數字的感知能力是否有別的機制？計數是否只和內側顳葉的神經元有關？讓我們拭目以待，從數數（counting）出發的腦科學可以帶我們走得多遠吧！

 

 

 

參考資料：

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.