数の理解は、明らかに人間の能力と見なされることがよくあります。これは、言語とともに、他のすべての動物とは一線を画す知性の特徴です。
しかし、それは真実から遠く離れることはできませんでした.ミツバチは、蜜源に向かって移動するときに目印を数えます。ライオネスは、侵入するプライドから聞こえる轟音の数を集計してから、攻撃するか後退するかを決定します。一部のアリは、自分の歩みを追跡します。一部のクモは、ウェブに捕らえられた獲物の数を追跡します。カエルの 1 種は、交尾の儀式全体を数字に基づいています。 続いて、チャックと呼ばれる短いパルス音が続きます。ライバルは、自分のコールの最後に 2 つのチャックを配置して応答します。最初のカエルは 3 で応答し、もう 1 つは 4 で応答し、息が切れると最大 6 まで続きます。
科学者が研究したほぼすべての動物 (昆虫と頭足類、両生類と爬虫類、鳥類と哺乳類) は、セット内のさまざまな数の物体やシーケンス内の音を区別できます。彼らは単に「より大きい」または「より小さい」という感覚を持っているだけでなく、おおよその量の感覚を持っています:2 は 3 とは異なり、15 は 20 とは異なります。イタリアのトレント大学の神経科学者である Giorgio Vallortigara は、「一般的な能力」のようであり、古くからあると述べています。
現在、研究者たちは動物の被験者の数的能力がますます複雑になっていることを明らかにしています。多くの種は、単純な計算を実行するまで拡張する抽象化の能力を示していますが、選択された少数の種は、「ゼロ」の量的概念の把握さえ示しています。実際、実験では、サルとミツバチの両方がゼロを数として扱う方法を知っており、1 や 2 の数と同じように、0 を精神数線に配置することが示されています。 Journal of Neuroscience に掲載された論文では、 6 月には、カラスにもできることが研究者によって報告されました。
これら 3 種が霊長類、昆虫、鳥類という多様な分類群に属しているという事実は、特定の数的能力が動物界全体で何度も何度も進化したことを示唆しています。科学者たちは、なぜ自然がこれほど多くの動物に初歩的な数字の才能を与えてきたのか、また、人間の数学の深い起源について何かを教えてくれるかもしれないことに頭を悩ませています。まだ答えよりも多くの疑問がありますが、神経科学者や他の専門家は、動物の認知に関する見方を修正し、広げるのに十分なほど学んでいます.ユニバーシティ カレッジ ロンドンの認知神経科学者であり、出版予定の書籍 Can Fish Count? の著者である Brian Butterworth 氏は、「ミツバチやアリのような小さな脳」でさえもそう語っています。 、「クリーチャーが宇宙の言語を読むことを可能にするメカニズムがあります。」
「数」の能力
約 120 年前、ベルリンで賢いハンスという名前の馬が有名人の地位を獲得しました。足し算、引き算、掛け算、割り算の問題を足し算、ひづめで解くことができるように見えました。しかし、ある心理学の大学院生はすぐに、その動物が実際には、答えを知っているトレーナーや聴衆からの微妙な行動の手がかりに非常に注意を払っているだけであることに気付きました.
この事件により、動物の数的能力に対する懐疑論が定着し、それは今日も続いています。たとえば、一部の研究者は、人間は数値の概念を「真に」理解していますが、動物は、サイズや色などの抽象度の低い特性に頼っている場合、量に基づいてオブジェクトのグループを区別しているように見えるだけだと提案しています.
しかし、過去 20 年間の厳密な実験により、脳が非常に小さい動物でも驚異的な数値認識能力を発揮できることが示されました。それらすべてに共通するメカニズムの 1 つは、ほとんどの場合正しいが、特定の方法で不正確な場合がある、数を概算するためのシステムのようです。たとえば、動物は大きさが大きく離れた数値を区別するのに最も効果的です。そのため、6 つのドットのグループと 3 つのドットのグループを比較することは、6 つと 5 つを比較するよりも簡単です。 2 つの数の差が同じ場合、大きい量よりも少ない量を扱う方が簡単です。38 から 34 の項目を区別することは、8 から 4 を区別するよりもはるかに困難です。
これらの長所と短所は、動物の神経活動に反映されていました。サルの前頭前皮質では、研究者は、異なる数に選択的に調整されたニューロンを発見しました。画面上の 3 つのドットに反応したニューロンは、2 と 4 にも弱く反応しましたが、1 や 5 などのより遠い値にはまったく反応しませんでした。 (人間もこのおおよその量の感覚を示しています。しかし、彼らはまた、数値を特定の数字記号と関連付けており、ニューロンの別の集団がそれらの正確な量を表しています。)
この観察結果は、数の「感覚」が先天的であり、人間を含む動物の脳に深く根ざしていることを暗示しているようです。 「数の感覚の根底には、非常に古くからある基本的な心理物理法則があります」と Vallortigara 氏は述べています。
「ほとんどすべての動物、あるいはおそらくすべての動物が数的作業を行う何らかの能力を持っていることに気付くと、知りたいと思うようになります... しきい値は何ですか?限界は？」ミツバチの数的認知を研究しているオーストラリアのディーキン大学のポスドク研究員であるスカーレット・ハワードは、次のように述べています。動物が量を区別するこの生まれつきの固有の能力を持っているとすれば、科学者はそれによってどのような他の能力が出現するかを突き止めたいと考えました.
最初は算数でした。いくつかの種は、基本的に足し算と引き算ができることを示しています。 2009年、イタリアのパドバ大学の心理学者でマリー・スクウォドフスカ・キュリー・アクションのグローバル・フェローであるローザ・ルガーニが率いる研究者は、孵化したばかりのひよこに、彼らが刻印した2つのグループのアイテムを提示したとき、数日前の鳥はより大きなグループに近づく傾向がありました。次に、チームはオブジェクトのグループをスクリーンで覆い隠し、ひよこが見ている間、アイテムのいくつかをあるスクリーンの後ろから別のスクリーンの後ろに移動しました.どれだけ多くのアイテムを移動させても、ひよこは一貫してより多くのアイテムを隠すスクリーンを選択しました。彼らは、各隠れグループの変化する数を追跡するために、足し算や引き算に似た計算を実行しているように見えました。これを行うためのトレーニングは必要ありませんでした。 「彼らはこの種の数的要素を自発的に扱います」とルガーニは言いました。
野生のサルも同様のことができます。サルが見ている間、科学者は閉じた箱に数切れのパンを入れ、定期的に1つ以上を取り出しました。サルは残っているピースの数を確認できませんでしたが、最後のピースが取り除かれるまで箱に近づき続けました。
一方、ミツバチは簡単な算数を教えることができます。 2019 年、ハワードと彼女の同僚は昆虫に、見た物体の色と数を記録し、青い物体の数に 1 を足すか、黄色の物体の数から 1 を引くように訓練しました。たとえば、ミツバチが 3 つの青い図形を含む迷路を飛び、2 つまたは 4 つの項目から選択するように提示された場合、ミツバチは一貫して 4 つのグループを選択しました。
「彼らは自然環境で多くのことを学ばなければならないため、これらのタスクを実行できます」とハワードは言いました。ミツバチが訓練なしで野生で足し算をするのか引き算をするのかは誰にもわかりません。そのような行動は観察されたことはありませんが、科学者はこれまでそれを探す理由がありませんでした.それでも、ミツバチは計算を行うためのすべての構成要素を自由に使用できます。そして、「彼らの環境は、独自の種類の訓練場になる可能性があります」と Howard は付け加えました。
この種の発見により、研究者は動物の数値表現のさらに抽象的な形式を調査するようになりました。 2015 年、ひよこでの算術研究から数年後、ルガーニと彼女の同僚は、人間が数直線上で昇順の値を空間的に表現するのと同じように、動物が小さい数字を左に、大きい数字を右に関連付けることを発見しました。 「それは私たちの人間の発明であると考えられていました」と、ロイヤル・メルボルン工科大学の視覚科学者で、ミツバチを研究し、ハワードの博士顧問であったエイドリアン・ダイアーは言いました。しかし、それは「私たちが情報を処理する方法の[一部]、一部の脳内にあるもの」かもしれません. (Dyer は現在、ミツバチもそのような数直線表現を使用しているかどうかをテストしています。)
昆虫、鳥、霊長類も、シンボルを要素の数にリンクするように訓練されています。 「私たちはミツバチを取り上げ、まるで小学校にいるかのように教えました。この記号はこの数字を表しています」とダイアーは言いました。 「そして、彼らは協会を得ました。」数字を数字記号に関連付けるように訓練されたチンパンジーは、昇順で数字に触れることも学習できます。
現在、研究者は他の種類の数値タスクを調査しています。ルガーニと彼女のチームは、サルが「中間」の概念を識別するために量を二等分できるかどうかを研究しています。これには、サルがラインナップの右と左の両方から要素の数を数えて比較する必要があります。これまでのところ、「結果は印象的です」と彼女は言いました。
何度も何度も、彼女と他の人たちは、動物の比較的単純で遍在する数的感覚だけでなく、はるかに抽象的で複雑な形の数的認知の在庫が増えているという証拠を見つけています.そのため、一部の神経生物学者にとって、現在の最大のフロンティアは、一部の動物の数値的抽象化の理解が「何もない」という滑りやすい概念にまで及ぶかどうかを知ることです。
特別数量
すべての数値は抽象化です。数の「3」は、3 つの点のグループ、または 3 つの椅子または 3 人の人を指すことができます。 「数の感覚を持つということは、そのメンバーに関係なく、セットのサイズを評価または評価できることを意味し、それらの間の小さな違いです. 「花びらを数えるミツバチがいる場合でも、それぞれの花は他の花とはいくつかの点で異なります — その場所、花びらの正確な構造です。」
しかし、1 つの数が他の数とは異なります。 「ゼロは非常に特殊で独特です」とルガーニは言いました。 「それは単に何かを知覚することを抽象化するだけでなく、その不在を知覚することでもあります。」
人間でさえゼロに苦労しています。たとえば、非常に幼い子供は、最初は空集合を数値として認識していないようです。代わりに、彼らはそれを不在、それ自体のカテゴリーであり、他の価値観とは無関係であると考えています。子供は通常 4 歳までに数を数えることを理解しますが、0 を数として理解するにはさらに 2 年かかることがよくあります。
その理由は、このようにゼロを使用するには、「経験的な世界を超越する必要があるからです」と、ドイツのテュービンゲン大学の神経生物学者 Andreas Nieder は述べています。ものとして表します。結局のところ、彼は「私たちはゼロの魚を買いに出かけることはありません」と言いました。
さらに、「数学の歴史を見ると、[ゼロ] は私たちの文化でも非常に後発であることがわかります」と付け加えました。歴史的調査によると、人間社会は 7 世紀頃まで数学的計算でゼロを数値として使用し始めていませんでした。
ハワードとダイアーと共にミツバチについて研究している、フランスのトゥールーズ大学の認知行動学者である Aurore Avargues-Weber は、「この人間の観点からすると、ゼロは生物学的ではなく、はるかに文化的であるように思われます。」
しかし、Nieder は別のことを疑っていました。動物の中には、人間のようにゼロの象徴的な感覚を持っていなくても、ゼロを量と見なすことができるかもしれないと彼は考えました。案の定、彼のグループは 2016 年に、サルの前頭前皮質のニューロンが他の数値よりもゼロを好むように調整されていることを実証しました。動物はまた、ゼロを使用するときに明らかな間違いを犯しました:空集合を数値 2 よりも数値 1 と混同することが多かったのです。 「彼らは空集合、または何もないことを、この数直線上の 1 の隣にある量として認識しています」と Nieder 氏は言いました。
2018 年、Howard、Avarguès-Weber、Dyer とその同僚は、ミツバチでもこの行動の証拠を発見しました。ハワードにとって、これらの調査結果は、彼女が「この数値認識、抽象的な数値概念の高度な理解」と呼んでいるものは生まれつきのものであることを示唆していました。ゼロの理解は、動物界全体で考えられていたよりも一般的な特徴である可能性があります.
そのミツバチの研究が眉をひそめたのは、(人間の脳の 860 億個と比較して) 脳内のニューロンが 100 万個未満の動物がゼロを量として扱うことができることを示しただけでなく、ミツバチと哺乳類は進化の過程で 6 億年分岐したからです。前に。彼らの最後の共通の祖先は、「（かろうじて）何も知覚することができなかった」とアバルゲス＝ウェーバーは言う。昆虫の研究に関与していなかったニーダーによれば、これは、空集合やその他の数を把握する能力が、2 つの系統で独立して進化したことを意味していました。
イギリスのシェフィールド大学の認知科学者であるHaDi MaBouDiは、「まったく異なる神経基質が…このような高レベルの認知能力を生み出しました。残念なことに、研究者はこれまでミツバチが数値計算を行う際の神経活動を研究することができず、ミツバチのゼロの表現をサルの表現と比較することを困難にしています。 「無」を定量化する能力がどのように、またなぜ進化したのかについての答えを得るには、科学者は別の動物の脳を調査する必要があることに気付きました。
並行する歴史
そこでニーダー氏と彼のチームは、3 億年以上霊長類と共通の祖先を持たず、非常に異なる脳を持つように進化したカラスに注目しました。鳥には前頭前皮質がありません。代わりに、彼らは独自の「知性脳センター」を持っており、独特の構造、配線、発達の軌跡を持っています.
しかし、これらの違いにもかかわらず、研究者たちは、ゼロのよく知られた数値的理解を明らかにしました。カラスは、2 つ、3 つ、または 4 つのドットの画像よりも、単一のドットの画像と空白の画面を混同することが多かったのです。これらの作業中のカラスの脳活動の記録により、霊長類の前頭前皮質に見られるのと同じように、パリウムと呼ばれる脳の領域のニューロンが、他の数値と並んで量としてゼロを表すことが明らかになりました。 「生理学的な観点から、これは見事に適合します」とニーダーは言いました。 「カラスの脳でも、サルの脳とまったく同じ反応、同じタイプのコードが見られます。」
このように異なる脳で進化する同じ神経フレームワークの 1 つの説明は、単純に、それが一般的な計算問題に対する効率的な解決策であるということです。 「それが最善の方法であることを示唆しているため、実際にはエキサイティングです」と Avargues-Weber 氏は述べています。おそらく、脳がゼロやその他の数値を処理する方法には、物理的またはその他の内部的な制約があります。 「数をエンコードするメカニズムを構築できる方法は非常に限られている可能性があります」と Vallortigara 氏は述べています。
それでも、カラスとサルがゼロのような抽象的な概念を同じようにエンコードしているように見えるからといって、それが唯一の方法であるとは限りません。 「同様の計算を実行するために、自然史や生物学的進化の過程でさまざまな解決策が発明された可能性があります」と Vallortigara 氏は述べています。研究者は、他の動物を調べて調べる必要があります。 大脳皮質に掲載されたばかりの論文で たとえば、Vallortigara と彼の同僚は、ゼブラフィッシュの数と相関していると思われる脳領域を特定しましたが、ゼブラフィッシュがゼロを評価する能力をまだテストしていません.
ミツバチの数の多さの基礎がよりよく理解されるにつれて、ミツバチもいくつかの驚きを抱くかもしれません。昨年発表された研究で、MaBouDi と彼の同僚は、マルハナバチが最大 4 つの物体を提示されたとき、「根本的に異なる戦略でカウントすることを示した」と述べた。彼は、彼らの発見は、ミツバチがゼロを含む数を把握する根底にあるメカニズムが、これまでに観察されたものとはまったく異なる可能性があることを示唆していると考えています.
しかし、おそらく、多様な動物の脳における数値の抽象化に関するより根本的な問題は、その能力がどのように機能するかではなく、なぜそれが存在するのかということです。なぜ動物は特定の量を認識しなければならないのですか? 4 が 5 未満であることだけでなく、「4 つの正方形」が何らかの形で「4 つの円」と概念的に同じであることを動物が理解できるように進化が繰り返し確認してきたのはなぜですか?
Vallortigara 氏によると、その理由の 1 つは、算術が非常に重要になるためかもしれません。 「動物は常に計算をしなければなりません。単純な動物でさえ」と彼は言った。 「数の抽象的な表現があれば、これは非常に簡単です。」数値情報を抽象化することで、脳は追加の計算をはるかに効率的に実行できます。
それはおそらくゼロも当てはまるところです。 2 匹の捕食者が環境に入り、1 匹だけが去った場合、その地域は危険なままです。ルガーニは、動物はこの状況で引き算ができる必要があるだけでなく、ゼロを「以前に実行された数値または原数値の引き算の結果」として解釈する必要があると推測しています。これにより、動物は特定の環境条件と関連付けることができます。この場合、「最低値であるゼロに到達するときはいつでも、環境は安全です」とルガーニは言いました.食べ物を探しているとき、ゼロは別の場所で検索する必要があることにマッピングできます。
しかし、ニーダーは納得していません。彼は、動物がゼロを数として理解する必要性が差し迫っているとは見ていない。 「私は、動物が日常生活の量として数ゼロを使用しているとは思いません」と彼は言いました.
別の可能性は、ゼロの理解、そしてより広い意味での数の理解は、環境内の視覚的物体を認識するという脳の必要性から単純に生じた可能性があるということです. 2019 年、Nieder と彼の同僚が人工ネットワークを訓練して画像内のオブジェクトを認識したとき、アイテムの数を識別する能力が自然に生じました。これは、より一般的なタスクの副産物のようです。
数学のビルディング ブロックの概要
ニーダーにとって、動物の数的抽象化の才能の存在は、「これらの動物の脳にはすでに何かが配置されていることを示しています...それは、私たち人間が数の完全な理解に発展できる進化の基礎を構成する可能性があります.ゼロ。」
しかし、動物の業績は印象的ですが、動物が数を概念化する方法と人間がそれを行う方法には決定的な違いがあることを強調しました。私たちは量を理解するだけではありません。それらを任意の数値記号にリンクします。 5 つのオブジェクトのセットは数字の 5 と同じではなく、空のセットは 0 と同じではない、と Nieder は言いました。
2 つのアイテムをシンボル 2 に、3 つのアイテムを 3 に関連付けるように動物を訓練できたとしても、「それは、それらのシンボルを組み合わせて 2 + 3 =5 を取得できるという意味ではありません」と Dyer 氏は述べています。 「さて、それは小学生にとっては些細な数学的問題です。」しかし、その種の象徴的な推論を動物でテストするように設計された実験はまだ行われていない.
数を超えてこの一歩を踏み出し、列挙の象徴的なシステムを構築することにより、人間は数のより正確で離散的な概念を開発し、特定の規則に従って量を操作し、それらの抽象的な使用に関する完全な科学を確立することができました。数学.
ニーダーは、ゼロに関する彼の研究が、より近似的で実用的な数の感覚から抽象的な数の感覚がどのように出現するかを示すのに役立つことを望んでいます.彼は現在、非記号的な数値表現と記号的な数値表現との関係をより正確に調査するために、人間を対象に研究を行っています。
Vallortigara、Butterworth、および彼らの同僚の何人かは現在、ロンドンのクイーン メアリー大学の分子遺伝学者である Caroline Brennan と協力して、数的能力の根底にある遺伝的メカニズムを突き止めています。彼らは、計算力障害と呼ばれる人間の数学学習障害に関連すると思われる遺伝子をすでに特定しており、ゼブラフィッシュの同等の遺伝子を操作しています。 「この話の遺伝的部分は、ある意味で、この分野の未来だと思います」と Vallortigara 氏は述べています。 「数の遺伝子を特定することは、本当にブレークスルーになるでしょう。」
