数えるのはそんなに難しいですか？脳には数字を理解する「限界」もある

4 を超える数値の場合、指神経の活性化がぼやけ、エラー率が高くなります。しかし、4以下の数字の場合、数字に対応する神経のみが活性化され、誤った活性化の確率は非常に低いことから、脳はまず見た物体の数を大まかに推定し、次に具体的な数字を正確に推定していることが示され、脳には小さな数字を認識するための追加の誤り訂正メカニズムがある可能性があると示唆されています。

人間が数字をどう理解するかは、1世紀も前からある問題です。最近、この困難な問題を解決する画期的な進歩がありました。ドイツの科学者エステル・クーター氏と他の研究者らは、国際的に有名な学術誌「ネイチャー・ヒューマン・ビヘイビア」の最新号に「人間の内側側頭葉における小さい数と大きい数の異なる神経表現」と題する論文を発表し、人間の神経細胞が数字の4の周りの「境界」をコード化していることを史上初めて確認した。

人間には数字を理解する生来の能力があるのでしょうか?この問題は議論を呼んでいる。子供は数字を理解する能力を持って生まれてくると考える人もいれば、この能力は学ぶ必要があると考える人もいます。数字の理解には、物体の量や大きさを区別する意味と、数を数えて正確な計算を行う意味の 2 つが含まれます。赤ちゃんは数字を区別する能力を持って生まれてくるようです。赤ちゃんの前に、量の異なるおもちゃや食べ物の山が 2 つ置かれると、赤ちゃんは物が多い方の山に這って行く傾向があります。しかし、正しく数えたり計算したりするには、親や教師による長期にわたる継続的な指導が必要です。

多くの動物も数字を理解していることがわかります。サルは2本の木の果実の数と競争相手の数を素早く評価し、どの木に餌を探しに行くかを決定します。単独で行動する雄ライオンは、敵対するライオンの群れの数を判断して、戦うか逃げるかを選択します。人間も動物も数字を理解する能力を持っていますが、人間の方が明らかに優れているため、脳がどのようにして数え方や計算方法を学ぶのかという好奇心が刺激されています。

ちょっとした面白いゲームをすることができます。一握りの豆を取り出し、数えることを学んだ子供たちが見られるようにランダムにいくつかの豆を選びます。ゲームのルールは、一目見て、感覚で豆が全部でいくつあるかを判断するだけです。ほとんどの場合、豆の数が 4 個以下のときに子供の正確さが最も高くなります。豆の数が 4 個以上、特に 10 個を超えると、多くの人は一瞬の印象で豆がいくつあるかほとんどわかりません。

この実験は 1871 年にイギリスの科学者スタンレー・ジェヴォンによって初めて提案され、「数字を区別する能力」というタイトルでネイチャー誌に掲載されました。この実験の結果は、人間が小さな数字を区別して把握するのは簡単だが、大きな数字となるとそれが難しいことを示しています。

2002年、アメリカの科学者アンドレアス・ニードらはサルの行動を研究しているときに、サルの脳の中に数字に敏感な神経があることを発見した。特定の数字を見ると、これらの神経が活性化され、継続的に電気信号を発します。さらに、これらの神経は隣接する数字が現れたときにも電気信号を発しますが、それほど頻繁ではありません。その後、ドイツの科学者ヘレン・ディーツらもカラスの脳内に同様の指神経を発見した。

では、人間の脳は数字を理解するために同じデジタルニューロンを使用するのでしょうか? 2023年10月、エスター・クーター氏と他の研究者らは、脳神経外科のてんかん患者の協力を得て、関連する実験を完了した。てんかん患者が被験者として選ばれたのは、てんかん発作を抑えるために脳の側頭葉に電極が埋め込まれているからである。これらの電極は、人間の脳が数字や数を認識するときに個々の神経の電気信号を記録するためにも使用できます。

実験結果によると、人間の脳は数字を処理するために2つの全く異なるメカニズムを使用していることが分かりました。4より大きい数字の場合、指神経の活性化がぼやけてエラー率が上昇しますが、4以下の数字の場合、数字に対応する神経のみがほぼ活性化され、誤った活性化の確率は非常に低くなります。これは、脳がまず見た物体の数を大まかに推定し、それを特定の数に精緻化するが、この精度は小さな数に対してのみ機能することを示唆しており、脳が小さな数の認識のために追加の誤り訂正メカニズムを備えている可能性があることを示している。

脳の側頭葉における小さな数字と大きな数字の異なる処理メカニズムは、側頭葉に明確な量の境界が存在することを明らかにしています。脳の側頭葉は人間の記憶や知覚などの機能に関係しているため、人間の記憶や注意も小さなことと大きなことに対して異なるメカニズムを持つ可能性があり、学習や仕事における人々のパフォーマンスに影響を与えます。研究者たちは、子どもが数を数えたり掛け算したりすることを学ぶときに脳の側頭葉が著しく活性化することを発見しました。これは、子どもが小さな数を学ぶのは簡単だが、大きな数を習得するのが難しい理由を説明できるかもしれません。

将来、他の脳領域が数字をどのように理解するかについてさらに詳細な研究を進めていくと、子供たちにもっと簡単な方法で数え方や計算方法を習得させるための教育方法をより良く設計できるようになるかもしれません。同時に、脳が数字を理解する仕組みを理解することは、人間が数学を習得する方法をより深く理解するのにも役立ち、ひいては人間の脳よりも賢い機械を設計できる可能性もあります。

（王林林は吉林省科学普及創造協会会員、吉林省科学技術労働者サービスセンター研究員補佐、劉伝波は吉林省科学普及創造協会会員、中国科学院長春応用化学研究所博士）