リンゴが 2 ～ 4 個あると、すぐにその数がわかります。ただし、5 つ以上のリンゴを見ると、認識時間が長くなり、計算を間違えることがよくあります。実際、脳は少量の物を認識する場合と、大量の物を認識する場合とは異なる方法で認識します。ボンのテュービンゲン大学とボン大学病院による新しい研究は、脳が少量の量を大量の量とは異なる方法で処理することを示しています。この研究結果は最近、雑誌「Nature Human Behavior」に掲載されました。

誰かが私たちに弦楽四重奏団の写真を見せて、その写真には何人写っているかを教えてほしいと頼んだと想像してください。数えるほどの時間がなかったのですが、みんなで「4つ！」と口走ってしまいました。次の写真には七重奏が写っており、ここでも簡単に見るのに十分な時間が与えられました。今回はあまり自信がなく、ためらっていました。「8」の正しい数字は実際には 7 でしたが、かなり近かったのです。

私たち人間は、大量の物を処理する 2 つの独自の方法を持っているようです。私たちは通常、少量の物を迅速かつ正確に識別することができます。これは研究の世界では「サブ化」とも呼ばれます。ただし、要素が 5 つ以上になると、このアプローチは突然変わります。回答するまでにますます時間がかかり、回答の正確性はますます低くなります。

てんかん患者の側頭葉に埋め込まれた極薄の電極を使用して、研究者はさまざまな脳領域の個々のニューロンの活動を観察できます。写真提供者: Christian Burkert/Volkswagen Stiftung/ボン大学

したがって、一部の研究者は、脳には 2 つの異なる処理方法が存在すると推測しています。1 つは小さな数を扱うための正確な方法で、もう 1 つは大きな数を扱うための推定メカニズムです。ボン大学病院てんかん科のフロリアン・モーマン教授は、「ただし、この考えにはまだ議論の余地がある。また、私たちの脳は常に推定を行っている可能性もあるが、少量の場合の誤差率は非常に低いため、気付かれないこともある。」と説明する。

ニューロンは少量のものに対してより選択的になる

しかし、最近の研究では、私たちが少量のものと大量のものを異なる方法で処理していることが実際に示されています。このプロジェクトに参加した研究チームは、脳内の神経細胞が各量の処理を担当していることを数年前に示していた。たとえば、主に 2 つの要素を担当するニューロン、4 つの要素を担当するニューロン、および 7 つの要素を担当するニューロンもあります。テュービンゲン大学のアンドレアス・ニーダー教授は、「それにもかかわらず、ニューロンは数の微妙な変化にも反応します。したがって、要素「7」の脳細胞は要素「6」と「8」にも反応しますが、より弱く反応します。同じ細胞は依然として活性化されていますが、要素5または9ではさらに弱くなります。」

研究参加者は、画面上の一連の点を0.5秒間見ました。少し間を置いてから、その数が偶数か奇数かを示さなければなりませんでした。 5点以下であれば迷わず正解してしまうことが多いです。この数値を超えると、反応時間とエラー率が徐々に増加します。画像クレジット: AGMormann/ボン大学

ニードルはサルを使った実験でこの「数値的距離効果」を実証することができた。この効果は、人間のより大きな集団でのみ発生すると思われます。 「要素が 5 つ未満の数値の場合、これらのニューロンをより正確にする追加のメカニズムがあるようです」と神経生物学者は述べました。

「3つの数字を表す脳細胞が反応すると、2つと4つの数字を表す脳細胞が同時に抑制される」と神経生物学者は述べた。 「これにより、これらの細胞が誤って数字の 3 をトリガーするリスクが軽減されます。ただし、このメカニズムは、数字 5、6、または 8 で発火するニューロンには適用されません。これが、これらの数字でエラー率が高くなる理由です。」

個々の脳細胞の働きを観察する

ボン大学病院の特徴の 1 つは、研究者らの研究に大きな恩恵をもたらしました。それは、病院のてんかん部門が脳外科を専門としているということです。そこの医師たちは、病気の神経組織を外科的に除去することによっててんかんを治療しようとしています。てんかん発生領域の位置を特定するために、最初に患者の脳に電極を挿入することがあります。

17人の患者が最新の研究に参加した。手術の準備として、彼らは髪の毛ほどの細さの微小電極を側頭葉に挿入した。 「それらを使用して、視覚刺激に対する個々の神経細胞の反応を測定できます」とエスター・クッター氏は説明します。

被験者がコンピュータ画面の前に座ると、さまざまな数のドットが 0.5 秒間画面上に表示されました。次に被験者には、偶数個のドットが見えるか奇数個のドットが見えるかを尋ねました。彼らは非常に素早く反応し、4点を獲得するまでほとんどミスを犯さなかった。その後、ポイント数が増加するにつれて、エラーの数も増加し、参加者がタスクを完了するために必要な思考時間も増加しました。

この研究は、人間の脳が数値を処理する方法について新たな洞察を提供するでしょう。長期的には、これらの発見は、数字の理解力の低下に関連する発達障害である算数障害についてのより良い理解につながる可能性があります。