領導研究的香港中文大學(中大)醫學院生物醫學學院柯亞教授表示,「數感是動物在生存和繁衍中至關重要的一環.它能幫助動物尋找食物、逃離掠食者、參與社交互動及交配等。」
數感是不關乎物理世界、能夠區分純粹抽象的數字概念。那麼像大鼠的動物,是天生就有數感,還是只具有大小感,即只能區分數字在物理世界的表現,例如體積大小、長短等?這一直是令科學家頭痛的問題。
柯教授解釋:「當物品數量增加,附隨體積一般亦會相應增加,即是當面前出現更多的蘋果,它們的密度和所佔的整體體積就會增加。」
因此,要在實驗中區分數感及大小感能力是極其困難,也難以在實驗中驗證動物的數學能力。畢竟,要求一隻大鼠表演計數是絕不可能的事。另外,較基本及較先出現的動物能力是數感抑或是大小感呢?科學家一直無法達成共識。直至最近中大及香港城市大學(城大)的研究人員終於成功回答了此難題。
兩間大學的研究員研發了一個新型演算法系統以排除大小感的影響,以集中揭示大鼠的數感—即處理數字的能力。研究人員向大鼠隨機播放代表特定數字的聲音脈衝,並訓練牠們當聽到聲音時,按下代表相應數字的按鈕以獲得食物獎勵。
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柯教授表示,他們開發的演算法及統計法,能將大小感的干擾減至最低,並精確量化剩餘的大小感對實驗的影響,以證實大鼠本身具有數感能力。
研究歷時約4、5年,確認了受過訓練的大鼠能夠區分代表三組特定數字,並持續地作出正確選擇以獲得獎勵。
研究團隊更進一步嘗試阻斷大鼠的後頂葉皮層(一個與數感相關的大腦區域)運作,結果是會影響大鼠的數感但不影響牠們的大小感,表明大鼠的大腦是分開處理這兩種感知能力,大腦中有一個專門處理數感的區域。
柯教授說:「我們發現數感和大小感是獨立存在,因此我們認為兩者都是動物的基本認知能力。此意味著它們可能是獨立演化出來。這結果對於我們進一步了解大腦中不同認知能力的本質及它們的機制十分重要。」
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這項研究揭示了當動物處理數字時,其大腦所產生的物理過程,讓科學界更了解數感是如何在大腦衍生。這機制也可用於理解人類的數感,而事實上,進行這研究的誘因正是探討為何部分人會患上計算障礙。
為甚麼有些人在處理數字上感到如此困難?團隊希望藉著探索數感是在甚麼的神經基礎上產生,找出答案。讀寫障礙患者先天缺損了處理文字能力,計算障礙患者的情況相若,他們先天缺損算術能力,當中包括數感。全球大約有3%至7%的人患有計算障礙,而此症與智力水平無關,一般相信是由基因問題引起,但實際機理仍然未知。
透過了解人腦處理數字時產生的物理過程,將有助開發治療計算障礙等疾病的方法。人類與大鼠一樣,很可能是由後頂葉皮層處理數字,但其執行細節仍然是個謎。柯教授說,未來需要進行更多動物實驗進一步了解箇中機制,這將有助理解相類但結構更複雜的人腦是如何處理數字。
她續說,「當我們知道大腦編碼和處理數字的機制,以及為何部份大鼠的學習速度較快時,便可以啟發認知科學家及教育工作者制定醫療或行為干預策略,輔助計算障礙患者提升數學能力。」