Hace más de 150 años, el economista y filósofo William Stanley Jevons descubrió algo curioso sobre el número 4. Mientras reflexionaba sobre cómo la mente concibe los números, arrojó un puñado de frijoles negros en una caja de cartón. Luego, tras una mirada fugaz, adivinó cuántos había, antes de contarlos para registrar el valor real. Después de más de 1,000 pruebas, vio un patrón claro. Cuando había cuatro o menos frijoles en la caja, siempre adivinaba el número correcto. Pero para cinco frijoles o más, sus rápidas estimaciones a menudo eran incorrectas.

La descripción de Jevons de su autoexperimento, publicado en Naturaleza en 1871, sentó las “bases de cómo pensamos sobre los números”, dijo Steven Piantadosi, profesora de psicología y neurociencia de la Universidad de California, Berkeley. Desencadenó un debate duradero y continuo sobre por qué parece haber un límite en la cantidad de elementos que podemos juzgar con precisión que están presentes en un conjunto.

Ahora, un nuevo estudio in Comportamiento humano de la naturaleza se ha acercado más a una respuesta al observar sin precedentes cómo se activan las células cerebrales humanas cuando se les presentan ciertas cantidades. Sus hallazgos sugieren que el cerebro utiliza una combinación de dos mecanismos para juzgar cuántos objetos ve. Se estiman cantidades. El segundo agudiza la precisión de esas estimaciones, pero sólo para números pequeños.

Es "muy emocionante" que los hallazgos conecten ideas largamente debatidas con sus fundamentos neuronales, dijo Piantadosi, que no participó en el estudio. "No hay muchas cosas en la cognición en las que la gente haya podido identificar fundamentos biológicos muy plausibles".

Aunque el nuevo estudio no pone fin al debate, los hallazgos comienzan a desenredar la base biológica de cómo el cerebro juzga las cantidades, lo que podría informar preguntas más importantes sobre la memoria, la atención e incluso las matemáticas.

El número favorito de una neurona

La capacidad de juzgar instantáneamente la cantidad de elementos en un conjunto no tiene nada que ver con contar. Los bebés humanos tienen este sentido numérico incluso antes de aprender el lenguaje. Y no se limita a los humanos: también lo padecen monos, abejas, peces, cuervos y otros animales.

Un mono necesita poder juzgar rápidamente la cantidad de manzanas que hay en un árbol y también con cuántos otros monos está compitiendo por esas manzanas. Un león, cuando se enfrenta a otros leones, tiene que decidir si luchar o huir. Las abejas necesitan saber qué área tiene más flores para buscar alimento. Un guppy tiene más posibilidades de escapar de un depredador si se une a un banco de arena. “Cuanto más grande es el banco, más seguro está el pez pequeño”, dijo Brian Butterworth, un neurocientífico cognitivo del University College de Londres que no participó en el nuevo trabajo.

Este sentido numérico innato Por lo tanto, es fundamental para la supervivencia, ya que aumenta las posibilidades de que un animal encuentre alimento, evite a los depredadores y, en última instancia, se reproduzca. "Simplemente vale la pena para la supervivencia de un animal poder diferenciar cantidades numéricas", dijo Andrea Nieder, catedrático de fisiología animal de la Universidad de Tübingen en Alemania, quien codirigió el nuevo estudio. El hecho de que esta capacidad se encuentre en diversos animales, desde insectos hasta humanos, sugiere que surgió hace mucho tiempo, y su base neuronal ha interesado a los científicos cognitivos durante décadas.

En 2002, cuando Nieder trabajaba con el neurocientífico conde molinero En el Instituto de Tecnología de Massachusetts como becario postdoctoral, publicaron una de las primeras pruebas de que los números son vinculado a neuronas específicas. En un experimento conductual con monos, descubrieron que estas neuronas, que están ubicadas en la corteza prefrontal donde tiene lugar el procesamiento de nivel superior, tienen números preferidos, números favoritos que, cuando se perciben, hacen que las células se iluminen en los escáneres cerebrales.

Por ejemplo, algunas neuronas están sintonizadas con el número 3. Cuando se les presentan tres objetos, disparan más. Otras neuronas están sintonizadas con el número 5 y se activan cuando se les presentan cinco objetos, y así sucesivamente. Estas neuronas no están comprometidas exclusivamente con sus favoritos: también se activan con los números adyacentes. (Por lo tanto, la neurona sintonizada en 5 también dispara hacia cuatro y seis objetos). Pero no lo hacen con tanta frecuencia y, a medida que el número presentado se aleja del número preferido, la velocidad de activación de las neuronas disminuye.

Nieder estaba entusiasmado con las preguntas más profundas que presentaba el trabajo sobre el desarrollo de la capacidad matemática. Los números conducen al conteo y luego a representaciones numéricas simbólicas, como los números arábigos que representan cantidades. Esos números simbólicos sustentan la aritmética y las matemáticas. "Para nosotros, saber cómo se representan los números [en el cerebro] sienta las bases para todo lo que vendrá después", dijo Nieder.

Continuó aprendiendo todo lo que pudo sobre las neuronas numéricas. En 2012, su equipo descubrió que las neuronas responden a sus números preferidos cuando están estimando un conjunto de sonidos o elementos visuales. Luego, en 2015, demostraron que Los cuervos también tienen neuronas numéricas.. En una muestra de "comportamiento asombroso de los cuervos", dijo Nieder, los pájaros podían picotear correctamente la cantidad de puntos o números arábigos que se les mostraban.

Sin embargo, nadie había identificado el número de neuronas en humanos. Esto se debe a que estudiar el cerebro humano es notoriamente difícil: los científicos generalmente no pueden acceder éticamente a su actividad en experimentos mientras las personas están vivas. Las herramientas de imágenes cerebrales no tienen la resolución necesaria para distinguir neuronas individuales, y la curiosidad científica por sí sola no puede justificar la implantación de electrodos invasivos en el cerebro.

Para observar un cerebro vivo, Nieder necesitaba encontrar pacientes que ya tuvieran implantes de electrodos y que aceptaran ser parte de su investigación. En 2015 contactó Florian Mormann — el jefe del grupo de neurofisiología cognitiva y clínica de la Universidad de Bonn, uno de los pocos médicos en Alemania que realiza registros unicelulares en pacientes humanos, para ver si él y sus pacientes se unirían a la búsqueda de Nieder de neuronas numéricas humanas. . Mormann dijo que sí, y sus equipos se pusieron a trabajar examinando la actividad cerebral de sus pacientes con epilepsia, a quienes previamente se les habían implantado electrodos para mejorar su atención médica.

Nueve pacientes hicieron cálculos simples en sus cabezas mientras los investigadores registraban su actividad cerebral. Efectivamente, en los datos, Nieder y Mormann vi neuronas disparando por sus números preferidos: la primera vez que se identificaron neuronas numéricas en el cerebro humano. Publicaron sus hallazgos en Neurona en el 2018.

Por supuesto, los neurocientíficos están motivados a comprender su propia mente, dijo Nieder, por lo que "encontrar tales neuronas en el cerebro humano es extremadamente gratificante".

Un umbral numérico

Para continuar su búsqueda, Nieder y Mormann lanzaron un nuevo estudio para descubrir cómo las neuronas representan números pares e impares. Los investigadores reclutaron a 17 pacientes con epilepsia y les mostraron destellos de puntos, cuyo número oscilaba entre uno y nueve, en pantallas de computadora. Los participantes indicaron si vieron un número par o impar mientras los electrodos registraban su actividad cerebral.

Durante los siguientes meses, mientras Esther Kutter, una estudiante de posgrado que estudiaba con Nieder, analizaba los datos resultantes, vio surgir un patrón claro: justo alrededor del número 4.

Los datos, que comprendían 801 grabaciones de neuronas individuales activadas, mostraron dos firmas neuronales distintas: una para números pequeños y otra para números grandes. Por encima del número 4, la activación de las neuronas hacia su número preferido se volvió progresivamente menos precisa y dispararon erróneamente hacia números cercanos al preferido. Pero para 4 y menos, las neuronas se dispararon con precisión, con la misma pequeña cantidad de error ya sea que se activen para uno, dos, tres o cuatro objetos. Los fallos en respuesta a otras cifras estuvieron en gran medida ausentes.

Esto sorprendió a Nieder. No había visto previamente este límite en sus estudios con animales: esos experimentos habían incluido números sólo hasta 5. No se había propuesto investigar la observación de Jevons, ni esperaba ver un límite neuronal que confirmara lo que los estudios de comportamiento habían encontrado. . Hasta ese momento había estado convencido de que el cerebro tenía un solo mecanismo para juzgar los números: un continuo que se volvía más confuso cuanto más subían los números.

Los nuevos datos cambiaron eso para él. "Esta frontera surgió de diferentes maneras", dijo Nieder. Los patrones neuronales sugirieron que existe un mecanismo adicional que impide que un número más pequeño de neuronas se activen en números incorrectos.

Piantadosi y Serge Dumoulin, director del Centro Spinoza de Neuroimagen de Ámsterdam, habían publicado previamente artículos que apoyaban la idea de que sólo un mecanismo gestiona la interpretación neuronal de los números. Sin embargo, les sorprendieron los nuevos datos de Nieder y Mormann que muestran que, de hecho, existen dos mecanismos separados.

Es "una validación real de que números grandes y pequeños tienen firmas neuronales diferentes", dijo Piantadosi. Pero advirtió que de un solo proceso pueden surgir dos firmas; Aún está en debate si debería describirse como uno o dos mecanismos.

"Esto es simplemente hermoso", dijo Dumoulin. "Este tipo de datos no estaba disponible y ciertamente no en humanos".

Sin embargo, aún persiste una gran incertidumbre. Los investigadores no estudiaron la corteza prefrontal o parietal, donde se encuentran la mayoría de las neuronas en los monos. En cambio, debido al lugar donde se insertaron los electrodos de los pacientes, el estudio se centró en el lóbulo temporal medial, que está involucrado en la memoria. No es el primer lugar del cerebro humano que se investigaría para comprender los números, dijo Nieder. "Por otro lado, el lóbulo temporal medial tampoco es el peor lugar para buscar este tipo de neuronas".

Esto se debe a que el lóbulo temporal medial está vinculado al sentido numérico. Está activo cuando los niños aprenden cálculos y tablas de multiplicar, y está íntimamente conectado con regiones donde se cree que se encuentran las neuronas numéricas, dijo Nieder.

No está claro por qué hay tantas neuronas presentes en esta región, dijo Butterworth. "Las cosas que pensábamos que eran específicas del lóbulo parietal parecen reflejarse también en partes del lóbulo temporal medial".

Una posibilidad es que no se trate de neuronas numéricas en absoluto. Pedro Pinheiro Chagas, profesor asistente de neurología en la Universidad de California en San Francisco, cree que podrían tratarse de neuronas conceptuales, que se encuentran en el lóbulo temporal medial y cada una de ellas está vinculada a conceptos específicos. Por ejemplo, un famoso estudio encontró una neurona conceptual que respondía directa y específicamente a imágenes de la actriz Jennifer Aniston. “Tal vez no estén encontrando los mecanismos del sentido numérico. … Tal vez estén encontrando células conceptuales que también se apliquen a los números”, dijo Pinheiro-Chagas. "Como tienes el concepto de 'Jennifer Aniston', podrías tener el concepto de 'tres'".

El nivel de análisis es "simplemente excepcional", dijo Marinella Cappelletti, neurocientífico cognitivo de Goldsmiths, Universidad de Londres. Los investigadores proporcionan "evidencia convincente" de mecanismos duales en el lóbulo temporal medial. Sin embargo, cree que sería valioso ver si estos mecanismos también operan en otras regiones del cerebro, si se presenta la oportunidad.

"Veo estos hallazgos como mirar por una ventana", dijo Cappelletti. "Sería bueno abrirlo un poco más y contarnos más sobre el resto del cerebro".

Hay algo sobre 4

Los nuevos hallazgos tienen claros paralelismos con las limitaciones de la memoria de trabajo. Las personas sólo pueden retener una cierta cantidad de objetos en su conciencia o memoria de trabajo al mismo tiempo. Los experimentos muestran que ese número también es 4.

La concordancia entre el límite del sentido numérico y el de la memoria de trabajo es “difícil de ignorar”, afirmó Cappelletti.

Es posible que los mecanismos estén relacionados. En estudios anteriores sobre sentido numérico, cuando un participante dejaba de prestar atención, perdía la capacidad de juzgar con precisión el verdadero valor de los números 4 e inferiores. Esto sugiere que el sistema de números pequeños, que suprime los fallos adyacentes con números pequeños, podría estar íntimamente ligado a la atención.

Nieder ahora plantea la hipótesis de que el sistema de números pequeños se activa sólo cuando prestas atención a lo que tienes delante. Espera probar esta idea en monos, además de buscar un límite neuronal en 4 que sus experimentos aún no han capturado.

La nueva investigación "parece ser el comienzo de un nuevo salto" en nuestra comprensión de la percepción numérica, dijo Pinheiro-Chagas, que podría tener aplicaciones útiles. Espera que sirva de alimento para debates sobre educación matemática e incluso sobre inteligencia artificial, que lucha con la percepción de numerosidad. Los modelos de lenguaje grandes son “bastante malos para contar. Son bastante malos para comprender las cantidades”, dijo.

Caracterizar mejor las neuronas numéricas también puede ayudarnos a comprender quiénes somos. Después del sistema lingüístico, la representación numérica es el segundo sistema de símbolos más importante de los humanos. La gente usa los números con frecuencia y de diversas maneras, y nosotros y nuestros antepasados ​​hemos usado las matemáticas para describir el mundo durante milenios. En ese sentido, las matemáticas son una parte fundamental del ser humano.

Y, como comienza a demostrar este estudio, toda esta habilidad de cálculo podría provenir de una red finamente sintonizada de neuronas en el cerebro.

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