Мозг начинает математические расчеты еще до получения всех данных — выдали зрачки
Способность к устному счету — одна из загадок человеческого мозга. К арифметическим операциям, абсолютно элементарным для вычислительной техники, эволюция его не готовила.
Авторы нового исследования в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences отследили когнитивные процессы, задействованные в вычислениях, по размерам зрачков. Они обнаружили, что мозг начинает расчеты еще до получения всех исходных данных, опираясь на байесовский вывод.
Ученые уже знают, что байесовский вывод — обновление вероятностей по мере поступления информации — объясняет многие аспекты восприятия, моторного обучения и принятия решений. Вполне логичным было проверить, применим ли он и к устному счету.
«Основная наша гипотеза заключалась в том, что решая пример на сложение, человек не ждет пассивно, пока появятся все числа, чтобы начать расчеты. Напротив, как только он слышит первое число, мозг начинает обновлять своего рода внутреннюю вероятностную карту возможных ответов, отбрасывая очевидно неверные варианты. Чем больше информации несет первое число, тем выше этот "информационный выигрыш" и тем больше когнитивной работы мозг выполняет на самом раннем этапе», — говорит старший автор работы Александр Зенон из Национального центра научных исследований во Франции.
Как изучали
В серии экспериментов участников просили сложить два числа. Пока они слушали задание и выполняли подсчеты, размер их зрачков измеряли методом пупиллометрии.
«Зрачок — на удивление точный индикатор когнитивных усилий. Он расширяется, когда мозг работает интенсивнее или обрабатывает больше информации. Предыдущие теоретические работы связывали это явление именно с величиной информационного выигрыша», — объясняет Зенон.
Всего было три эксперимента.
- Менялось первое слагаемое (двузначное — более информативное, однозначное — менее).
- Менялось второе слагаемое, а первое оставалось одинаковым — оценивалось, как это влияет на его информационную ценность.
- Диапазон операндов расширили до четырех уровней информативности, чтобы выявить систематическую, измеримую связь между информационным выигрышем и реакцией зрачка.
Все три эксперимента дали схожие результаты: чем больше информации несет первое число — тем сильнее расширяются зрачки.
«Это происходило еще до того, как участники слышали второе число, что показывает: уже на раннем этапе мозг обновляет ожидания. Интересно, что участники, у которых реакция зрачка на первое число была более выраженной, быстрее давали правильный ответ. Это означает, что ранняя когнитивная работа, основанная только на первом числе, существенно упрощает задачу», — продолжает исследователь.
Что выяснили
Эксперименты подтвердили, что устный счет основан на байесовском выводе. До сих пор этот принцип рассуждений связывали в первую очередь с процессами низшего уровня (сенсорное восприятие). Как видно, он может играть роль и в более абстрактных, культурно-обусловленных навыках, включая математику.
«Наша работа ставит под сомнение распространенное представление, что символическое познание подчиняется принципиально иным законам. Во-вторых, мы предполагаем, что информационный выигрыш может стать новой количественной мерой арифметической трудности. Существующие показатели сложности, такие как количество цифр или необходимость переноса разряда, носят категориальный и неполный характер. Информационный выигрыш предлагает непрерывную, теоретически обоснованную альтернативу», — резюмирует Зенон.
По его словам, дальнейшие исследования будут посвящены изучению когнитивных механизмов в основе вычитания, умножения и более сложных многошаговых задач, а также таких феноменов, как эффект размера задачи, эффект переноса разряда и эффект расстояния.
