人腦認(rèn)“4”不認(rèn)“5”！四大天王F4都是“4”有科學(xué)依據(jù)了（doge）｜Nature

西風(fēng) 2023-10-13 17:11:02 來源：量子位

西風(fēng) 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

請在半秒內(nèi)回答，下圖分別有幾個蘋果：

是不是一眼就知道左邊是四個，至于右邊……好多個？為什么不能瞬間確定右邊是幾個？

不止是這個現(xiàn)象。還有像是“四”大天王、F“4”、“四”小花旦……為什么都是“4”？[旺柴]

Nature最新報道給出了解釋這種現(xiàn)象的直接依據(jù)——大腦認(rèn)“4”不認(rèn)“5”。

最近，德國波恩大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的研究人員通過觀測單個神經(jīng)元的活動，發(fā)現(xiàn)大腦認(rèn)數(shù)量“1-4”和認(rèn)“5-9”所用系統(tǒng)不同，邊界就是“4”。

具體來說，神經(jīng)元處理數(shù)量1-4時，用的是特定神經(jīng)元；而處理5-9，反應(yīng)不特定，會受相鄰數(shù)字干擾。

舉個栗子：偏好3的神經(jīng)元只會對3反應(yīng)，而喜歡8的神經(jīng)元會對8做出反應(yīng)，但也會對7和9做出反應(yīng)。

有學(xué)者認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)對于理解人類思維本質(zhì)具有重要意義，約翰斯·霍普金斯大學(xué)心理學(xué)家Lisa Feigenson就表示：

從根本上講，這個問題涉及到心智結(jié)構(gòu)：是什么構(gòu)建了人類思維的基礎(chǔ)？

人類大腦認(rèn)“4”不認(rèn)“5”

1871年，同樣是刊登在Nature上的一篇文章，經(jīng)濟(jì)學(xué)&邏輯學(xué)家William Stanley Jevons在調(diào)查了人類的計數(shù)能力后發(fā)現(xiàn)：

對某些人來說，數(shù)字“5”完全超出了判別極限。

之后，有的研究人員分析這是由于大腦使用單一的計數(shù)系統(tǒng)，對于較大的數(shù)字，系統(tǒng)的精確性較低。

還有人假設(shè)差異源于有兩個獨立的神經(jīng)系統(tǒng)來計數(shù)，然后使用腦電圖、功能性磁共振成像等技術(shù)進(jìn)一步研究，但得出的結(jié)果不一致，無法確定哪個模式是正確的。

直到最近，德國波恩大學(xué)的研究團(tuán)隊利用新技術(shù)記錄了人腦單個神經(jīng)元的活動，終于發(fā)現(xiàn)了小數(shù)和大數(shù)在神經(jīng)編碼上的區(qū)別。

具體來說，這些數(shù)據(jù)來自于17名癲癇患者。為了幫助醫(yī)生找到癲癇發(fā)病源頭，這些患者接受了侵入性的內(nèi)科學(xué)監(jiān)測（在大腦植入微電極）。

在患者們進(jìn)行監(jiān)測手術(shù)時，微電極記錄下了801個單個神經(jīng)元的活動。這些神經(jīng)元來自大腦的四個區(qū)域：杏仁核、海馬體、腹內(nèi)側(cè)顳葉和腹外側(cè)顳葉。

記錄過程中，患者需要做數(shù)量判斷任務(wù)：

屏幕會顯現(xiàn)0-9范圍內(nèi)的非符號化“點陣”圖像，每個圖像持續(xù)半秒，參與者需要通過按左右鍵表示點數(shù)為偶數(shù)還是奇數(shù)。

點陣以標(biāo)準(zhǔn)格式和對照格式呈現(xiàn)，以下是三種點陣排列方式：

△（左）標(biāo)準(zhǔn)布局，點的大小和位置可變；（中間）控制布局，均衡點總面積和密度；（右）點呈現(xiàn)線性排列

在行為測試中，患者對小數(shù)量的判斷明顯更準(zhǔn)確，且反應(yīng)時間更短，呈現(xiàn)出“子化”特征。

（子化，心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的術(shù)語，指的是人類對小數(shù)量物品的一種快速估計的能力。）

當(dāng)數(shù)量大于4后，判斷變慢且錯誤率增加，反映了“數(shù)量估計”過程。

研究人員分別對錯誤率和反應(yīng)時間進(jìn)行計算，最后確定子化范圍的上限平均為3.7(錯誤率)和3.6(反應(yīng)時間)。

而對神經(jīng)元響應(yīng)的分析，進(jìn)一步確定了行為結(jié)果的準(zhǔn)確性。

小數(shù)子化系統(tǒng)&大數(shù)估算系統(tǒng)

在單個神經(jīng)元層面，研究者也觀察到類似的編碼模式。

他們在四個記錄腦區(qū)都找到了對非符號化數(shù)量有選擇性響應(yīng)的神經(jīng)元，這些選擇性神經(jīng)元覆蓋了0-9完整數(shù)量范圍。

不同腦區(qū)選擇性神經(jīng)元的比例在15.1%左右，顯著高于隨機水平。

分析了神經(jīng)元調(diào)諧曲線特征和相關(guān)性后，研究人員發(fā)現(xiàn)：

對于小數(shù)量1-4，神經(jīng)元對首選數(shù)量有高度選擇性，并抑制對非首選數(shù)量的反應(yīng)，從而提高了識別效果。

（對于一個對數(shù)量變化敏感的神經(jīng)元來說，它會對某一個特定的數(shù)量產(chǎn)生最大的反應(yīng)，這個引起最大反應(yīng)的數(shù)量就是這個神經(jīng)元的“首選數(shù)量”。）

但當(dāng)數(shù)量大于4后，神經(jīng)元的調(diào)諧曲線變寬，選擇性降低，并隨數(shù)量增加而恢復(fù)基線水平，這符合數(shù)量估計的特征。

而后研究人員進(jìn)一步使用SVM對選擇性神經(jīng)元進(jìn)行解碼，進(jìn)行狀態(tài)空間分析和聚類分析，并針對神經(jīng)元群體進(jìn)行統(tǒng)計檢驗，同樣找到數(shù)量判斷存在分類邊界，最顯著的差異在數(shù)量4和5之間。

這一邊界與人類的直覺判斷非常吻合。

該研究為小數(shù)“子化”系統(tǒng)和大數(shù)“估算”系統(tǒng)并存提供了直接證據(jù)。

“子化”系統(tǒng)可能與注意力和工作記憶有關(guān)，這解釋了我們對少量信息的敏銳判斷，而大腦對超過容量的輸入則需要依靠更緩慢系統(tǒng)化的信息處理。

但研究人員也提到，其中更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)機制有待進(jìn)一步探究，比如其它腦區(qū)是否也存在類似的編碼差異、更復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)是否也能觀察到此現(xiàn)象、抑制環(huán)路的時間效應(yīng)等。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-023-03136-w