數學認知丨原來動物都識計數!中大城大研究:大腦有特定區域處理數字

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數學認知丨數感在人類的日常生活舉足輕重,惟多年來科學家仍未發現大腦如何處理數字。有最新研究發現,動物擁有理解數字的能力(​​數感),揭示了數感背後的機制,以及動物的數感和大小感的獨立存在。

撰文:Ray@Medical Inspire │ 圖片來源:shutterstock、《Science Advances》│ 資料來源:《Science Advances

數學認知丨原來動物都識計數!中大城大研究:大腦有特定區域處理數字

「數感」是動物感知世界的基本能力,以增加其生存機會。數感也是一種重要的認知能力,對學習數學至關重要,更是人類智力的標誌。目前約有3%至7%的人患有計算障礙(dyscalculia),這是一種影響學習算術和數學能力的學習障礙,數感缺陷是主要症狀之一。而擁有數感的人能夠比較、估計和操作非符號數量,它與「大小感」不同,後者指的是一組物件固有的連續維度,例如視覺物體的面積或聲音脈衝的持續時間。

為此,中大醫學院聯同城市大學進行有關研究,並透過大鼠實驗突破性地發現動物擁有「數感」,為研究人類理解數字能力和相關障礙的神經科學基礎,提供了關鍵的動物模型。研究人員表示,要評估動物的數感和大小感是否獨立存在,本身是一道極具挑戰的難題,科學界亦一直在爭論到底大小感或數感才是動物更基本的認知能力。

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  • 大鼠可經訓練發展「數感」

    該研究利用了代表兩個或三個數字的聲音脈衝來訓練大鼠,加上團隊開發了一種演算法,使動物接受刺激時只集中關注數字,並最大程度地減少其他干擾因素,包括大小感等影響。結果發現,本身對數字沒有任何認知的大鼠能夠發展出數感,即使受到聲音長度信息的影響,大鼠在為了獲取食物獎勵時始終專注於聲音的數量。

    腦內有特定區域處理數字

    同時研究亦發現,當阻斷大鼠大腦中特定的後頂葉皮質時,牠們的數字理解能力會受到影響,但大小感如常,意味著大腦有一個特定的區域處理數字。研究人員表示,該發現不僅能確定特定大腦區域在數位處理中的作用,而且使他們能夠監測數幼年大鼠的數感能力的發展,有助於剖析大小和數量處理之間的關係。

    「事實上,這是科學家首次證明大鼠在單一測試中具有區分和分辨三個不同數字的能力,超越了單純的數量比較。」城大賽馬會動物醫學及生命科學院副院長兼認知神經科學講座教授容永豪教授

    通訊作者、中大醫學院生物醫學學院柯亞教授對發現感到鼓舞,指該研究不僅解開多年來關於大腦如何處理數字的謎團,更為研究動物處理數字所涉及的具體神經路徑,以及與數學能力相關的基因,提供有力基礎。此外,透過神經網路進行建模,揭示了數感和大小感是獨立存在的,有助開發針對數感缺陷人士的干預措施。

    通訊作者、城大賽馬會動物醫學及生命科學院副院長兼認知神經科學講座教授容永豪教授
    中大的研究團隊成員包括(左起)容康林先生、梁拓博士,及研究通訊作者、中大醫學院生物醫學學院柯亞教授。

    什麼是計算障礙?

    計算障礙是一種學習障礙,會影響一個人理解數字資訊和數學的能力。患有計算障礙的人在數字和數學方面遇到困難,因為他們的大腦不像一般人的大腦一樣處理與數學相關的概念。這種疾病的症狀通常出現在年幼時期,尤其是當孩子學習基礎數學時;許多成年人患有計算障礙亦不自知。患有計算障礙的人在做數學時,會混淆數字、符號、以及無法心算或作出抽象的解題思路。

    計算障礙症狀(中小學)

    • 混淆和不正確使用符號(+、-)
    • 無法學習或記住基本的數學結構,如1 + 2 = 3
    • 無法辨識「超過」或「小於」
    • 經常使用手指計數
    • 無法心算
    • 無法理解口語或聽寫數學問題

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