چرا مغز انسان اعداد کوچک را بهتر درک می‌کند؟

بیش از ۱۵۰ سال پیش، اقتصاددان و فیلسوفی به نام ویلیام استنلی جونز به کشفی جالب درباره عدد ۴ رسید. او در حال فکر کردن درباره‌ی چگونگی درک اعداد در ذهن، تعدادی لوبیای سیاه را داخل یک جعبه‌ی مقوایی انداخت. او با نگاهی گذرا تعداد لوبیاها را حدس زد و سپس آن‌ها را برای به دست آوردن تعداد واقعی شمرد. جونز پس از بیش از ۱۰۰۰ آزمایش به الگوی شفافی رسید. وقتی تعداد چهار لوبیا یا کمتر درون جعبه قرار داشت، او همیشه عدد صحیح را حدس می‌زد؛ اما برای پنج لوبیا یا بیشتر، تخمین‌های او غلط از آب درمی‌آمدند.

جونز گزارش آزمایش خود را در سال ۱۸۷۱ در مجله‌ی نیچر منتشر کرد و به‌این‌ترتیب زمینه‌ای را برای چگونگی تفکر درباره‌ی اعداد بنیان گذاشت. پژوهش جونز این پرسش دیرینه را مطرح کرد: چرا برای ادراک تعداد صحیح آیتم‌های یک مجموعه، محدودیت وجود دارد؟

حالا پژوهشی جدید در مجله‌ی Nature Human Behaviour با نگاهی بی‌سابقه به واکنش سلول‌های مغز انسان نسبت به کمیت‌های مشخص، به پاسخ این معما نزدیک‌تر شده است. به گزارش مجله کوانتا، یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهند که مغز از ترکیب دو مکانیزم برای قضاوت درباره‌ی تعداد اشیایی که می‌بینیم استفاده می‌کند. یکی از مکانیزم‌ها به تخمین کمیت‌ها اختصاص دارد. مکانیزم دوم دقت تخمین‌ها را برای تعداد کمی از اشیاء افزایش می‌دهد.

ارتباط یافته‌ها با فرضیه‌های دیرینه درباره‌ی شالوده‌های عصبی بسیار هیجان‌انگیز است. گرچه پژوهش جدید پاسخ قاطعی نمی‌دهد، با یافته‌های آن می‌توان به مبنایی زیستی برای چگونگی قضاوت مقادیر در مغز رسید. پاسخ به این معما می‌تواند کلیدی برای حل پرسش‌های بزرگ‌تر درباره‌ی حافظه، توجه و حتی ریاضیات باشد.

توانایی قضاوت سریع درباره‌ی تعداد آیتم‌های یک مجموعه ربطی به شمارش ندارد. نوزادهای انسان این ادراک عددی را حتی پیش از یادگیری زبان به دست می‌آورند و البته این ادراک تنها محدود به انسان‌ها نیست؛ بلکه میمون‌ها، زنبورها، ماهی‌ها، گاوها و دیگر جانوران هم از آن برخوردارند.

یک میمون باید بتواند به‌سرعت درباره‌ی تعداد سیب‌های یک درخت و همچنین تعداد میمون‌های رقیب قضاوت کند. یک شیر هم در مواجهه با شیرهای دیگر باید درباره‌ی نبرد یا فرار تصمیم بگیرد. همچنین زنبورهای عسل باید بدانند کدام منطقه گل‌های بیشتری دارد. ماهی گاپی هم در صورت پیوستن به یک گروه شانس بیشتری برای فرار از دست شکارچی دارد. هر چقدر گروه بزرگ‌تر باشد، ماهی امنیت بیشتری خواهد داشت.

بنابراین ادراک ذاتی عددی برای بقا ضروری است و شانس جانوران برای یافتن غذا، فرار از دست شکارچیان و در نهایت تولید مثل را افزایش می‌دهد. در واقع وجود این توانایی در موجودات مختلف از حشرات گرفته تا انسان‌ها، نشان‌دهنده‌ی این حقیقت است که این قابلیت مدت‌ها پیش شکل گرفته و به مدت ده‌ها سال، توجه دانشمندان علوم شناختی را به خود جلب کرده است.

آندرس نیدلر، عصب‌شناس در سال ۲۰۰۲ یکی از اولین شواهد مربوط به ارتباط اعداد با نورون‌هایی خاص را منتشر کرد. او و همکارانش در آزمایشی رفتاری روی میمون‌ها نشان دادند که این نورون‌ها که در قشر پیش‌پیشانی مغز قرار دارند، دارای اعداد موردعلاقه‌ای هستند که با ادراک آن‌ها باعث روشن شدن سلول‌ها در اسکن‌های مغزی می‌شوند.

برای مثال برخی نورون‌ها متناسب با عدد ۳ تنظیم شده‌اند و هنگام روبه‌رو شدن با سه شیء فعال می‌شوند. نورون‌های دیگر با عدد ۵ تنظیم شده‌اند و هنگام روبه‌رو شدن با ۵ شیء برانگیخته می‌شوند و این روند به همین ترتیب ادامه دارد. این نورون‌ها به صورت انحصاری متعهد به موارد موردعلاقه‌ی خود نیستند، بلکه ممکن است برای اعداد نزدیک هم برانگیخته شوند. در نتیجه نورونی که متناسب با ۵ تنظیم شده برای ۶ شیء هم فعال می‌شود. با دور شدن اعداد از عدد موردعلاقه نورون‌ها، نسبت برانگیختگی آن‌ها هم کاهش می‌یابد.

نیدر تا جایی که می‌توانست درباره‌ی نورون‌های عددی آموخت. گروه او در سال ۲۰۱۲ کشف کرد که نورون‌ها هنگام تخمین یک مجموعه از صداها یا آیتم‌های بصری به اعداد مشخصی واکنش نشان می‌دهند. پژوهشگران سپس در سال ۲۰۱۵ نشان دادند که کلاغ‌ها هم نورون‌های عددی دارند. این پرنده‌ها طی آزمایشی توانستند تعداد نقاط یا اعداد عربی نمایش‌یافته را انتخاب کنند.

با این‌حال پژوهش‌های گذشته به نورون‌های عددی در انسان نپرداخته‌ بودند. دلیل این مسئله هم دشوار بودن بررسی مغز انسان است. دانشمندان معمولا نمی‌توانند با روش‌های اخلاقی و درحالی‌که سوژه‌ها زنده هستند، به فعالیت مغزی آن‌ها دسترسی پیدا کنند. ابزارهای تصویرپردازی مغزی هم وضوح لازم را برای تفکیک نورون‌های واحد ندارند و صرفا کنجکاوی علمی نمی‌تواند تعبیه‌ی الکترودهای تهاجمی در مغز را توجیه کند.

نیدر برای بررسی یک مغز زنده به بیمارانی نیاز داشت که ایمپلنت‌های الکترودی در مغز خود کاشته بودند و همچنین برای شرکت در این آزمایش رضایت داشتند. او در سال ۲۰۱۵ به بررسی فعالیت مغزی یک بیمار مبتلا به صرع پرداخت که برای بهبود روند درمانی، از قبل الکترودهایی در مغز خود داشت.

در حالی که پژوهشگرها مشغول ضبط فعالیت مغزی ۹ بیمار بودند، بیمارها محاسبات ساده‌ای را در ذهن خود انجام می‌دادند. بر اساس داده‌ها، نورون‌ها برای اعداد موردعلاقه‌شان برانگیخته شدند و این اولین بار بود که نورون‌های عددی در مغز انسان شناسایی شدند. یافته‌های این پژوهش در سال ۲۰۱۸ در مجله‌ی Neuron منتشر شد.

نیدر و همکارانش در ادامه‌ی جستجوهای گذشته، پژوهش جدیدی را برای چگونگی نمایش اعداد زوج و فرد توسط نورون‌ها انجام دادند. آن‌ها نقاطی درخشان روی صفحه‌ی نمایش را به ۱۷ بیمار مبتلا به صرع نشان دادند؛ تعداد این نقاط بین یک تا ۹ عدد متغیر بود. فعالیت مغزی شرکت‌کنندگان نشان می‌داد کدام یک از اعداد زوج یا فرد را دیده‌اند.

چند ماه بعد، اشتر کوتر، دانشجوی نیدر به تحلیل داده‌های حاصل پرداخت و الگویی را حول محور عدد ۴ مشاهده کرد. داده‌ها که از ۸۰۱ ضبط فعالسازی نورونی تشکیل شده‌ بودند، دو اثر عصبی برجسته را نشان می‌دادند: یکی برای اعداد کوچک و دیگری برای اعداد بزرگ. فعال‌سازی نورون‌ها بالای عدد ۴، با دقت کمتر و خطا همراه بود؛ اما برای اعداد ۴ و کمتر از آن، نورون‌ها با دقت بالایی فعال شدند، به‌طوری‌که برای یک، دو، سه یا چهار شیء با خطای بسیار کمی همراه بودند.

نتایج به‌دست‌آمده نیدر را شگفت‌زده کرد. او قبلا چنین مرزی را در پژوهش‌های حیوانات ندیده بود. در واقع پژوهش جدید ثابت کرد مرز یادشده به شیوه‌های مختلفی ظاهر می‌شود. الگوهای عصبی نشان می‌دهند مکانیزم دیگری وجود دارد که نورون‌های عددی کوچک‌تر را از نمایش اعداد اشتباه باز می‌دارد. در واقع این پژوهش نشان می‌داد که دو مکانیزم مجزا وجود دارد.

به‌طورکلی، آزمایش نیدر ثابت کرد که اعداد کوچک و بزرگ آثار عصبی متفاوتی دارند؛ اما در عین حال این دو اثر می‌توانند از یک فرآیند واحد سرچشمه بگیرند. با این‌حال یک ابهام دیگر به قوت خود باقی ماند. پژوهشگرها به بررسی لایه‌های پیش‌پیشانی و دیواری مغز نپرداختند. بخش زیادی از اعصاب عددی میمون‌ها در این لایه‌ها قرار دارند. از طرفی به دلیل موقعیت قرارگیری الکترود بیمارها، پژوهش متمرکز بر لوب گیج‌گاهی مغز بود که با حافظه سروکار دارد. لوب گیج‌گاهی برای بررسی اعداد در اولویت نیست و از سوی دیگر بدترین موقعیت هم نیست. لوب گیجگاهی با ادراک عددی در ارتباط است و زمانی فعال می‌شود که کودکان محاسبات و جدول ضرب را یاد بگیرند.

با این‌حال مشخص نیست چرا نورون‌های عددی در لوب گیجگاهی قرار دارند. یک احتمال این است که این نورون‌ها اصلا نورون عددی نباشند. در واقع شاید نورون‌های مفهومی باشند که در لوب گیجگاهی قرار دارند و هر کدام به مفاهیم مشخصی ربط دارند. برای مثال بر اساس پژوهشی معروف، یک نورون مفهومی به‌صورت مستقیم و خاص به تصاویر جنیفر آنیستون بازیگر واکنش نشان داده است.

یافته‌های جدید مفاهیمی را درباره‌ی محدودیت‌های عملکرد حافظه هم به دنبال دارند. افراد صرفا می‌توانند تعداد مشخصی از اشیاء را در حافظه‌ی آگاهی یا کاری خود به‌صورت یکجا حفظ کنند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند این تعداد عدد ۴ است.

توافق بین مرز ادراک عددی و حافظه کارکردی را به‌سختی می‌توان نادیده گرفت. ممکن است مکانیزم‌های هر دو به یکدیگر ربط داشته باشند. در پژوهش‌های گذشته‌ی مرتبط با ادراک عددی، وقتی شرکت‌کننده‌ای دست از توجه برمی‌داشت، قابلیت قضاوت دقیق درباره‌ی مقدار واقعی عدد ۴ یا کمتر را هم از دست می‌داد. این نتیجه نشان می‌دهد سیستم عددی کوچک که از برانگیختگی‌های نادرست مجاور با اعداد کوچک جلوگیری می‌کند احتمالا با توجه در ارتباط است.

نیدر فرض می‌کند که سیستم عددی کوچک تنها در صورتی فعال می‌شود که به آنچه در مقابلتان قرار دارد توجه کنید. او امیدوار است این فرضیه را روی میمون‌ها بررسی کند تا به بررسی مرز عصبی عدد ۴ بپردازد.

به نظر می‌رسد پژوهش اخیر سرآغاز جهشی نو در درک ما نسبت به ادراک عددی است. نورون‌هایی که در شناسایی اعداد بهتر عمل می‌کند می‌توانند به درک ما از ماهیت وجودی‌مان نیز کمک کنند. نمایش عددی در کنار سیستم زبان دومین سیستم بزرگ نمادین انسان به شمار می‌رود. افراد به‌صورت پیوسته از اعداد استفاده می‌کنند و همچنین اجدادمان از ریاضی به مدت هزاران سال برای توصیف جهان استفاده کردند. به همین دلیل ریاضیات بخشی بنیادی از بشریت به شمار می‌رود.