大腦中的計算機─從認知神經科學談數學學習
 
2017/12/12
 
張葶葶 | 政治大學心理學系助理教授
 
 
活動(演講)時間:2017/10/22
 
數學能力是一項必備的認知技能,其主宰日常生活中舉凡交易商品、估計數量、投資理財等各項事物,然而許多人對於學習數學都感到相當吃力,究竟人類的心智與大腦是使用何種機制完成計算等各項數學能力? 是否有一部如同計算機一般的機器內建在大腦中幫助我們進行計算? 本講座將從歷史與演化的觀點針對人類學習數學的行為與神經機制一窺究竟。
 

講演綱要(撰文|高英哲)

 

台灣學生的數學能力,就世界平均水準而言表現優異,然而同時也呈現出高焦慮的狀態。人類的心智與大腦,是用什麼機制完成計算工作的呢?本講次從認知神經科學的角度,對這個問題加以剖析。

 

要探討人類的大腦如何完成計算等等數學工作,首先我們可以先問另外一個問題:動物有沒有計算能力?最著名的案例是一匹名叫「聰明漢斯」 (Clever Hans) ,貌似能夠進行各種計算題的馬,但是後來發現牠並不是真的懂得加減乘除,而是藉由觀察旁人的表情、呼吸與姿勢,得知什麼才是計算題的正確答案。不過撇開這個「觀察者期望效應」的案例不提,有些動物確實可以進行簡單的計算,例如非洲獅可以從吼聲裡聽出敵人數目的多寡,樹蛙可以聽出可進行交配的同種異性鳴叫次數,而猩猩經過訓練後更是能進行簡單的四則運算。

 

人類跟動物在數學運算工作上,最大的差別在於人類懂得使用符號。那麼倘若人類不用符號,能夠進行有別於其他動物的運算工作嗎?巴西亞馬遜河流域的皮拉罕族(Pirahã)是個很好的例子,他們的語言裡沒有數字,只有接近「 1 」、「 2 」、跟「很多」的概念;研究人員拿不同數目的木棍給他們數,發現只要數字超過 3 ,他們不但講不清楚,用手指頭比出來的數目字也會混淆,由此可見人類的大腦,相當倚賴符號來進行數學運算。

 

人類大腦負責數學運算工作的區域在頂葉,其中頂內溝負責處理數量概念(看到 5 這個數字,可以認知到它對應的是 5 的概念),角回負責語音提取工作(聽到 8 乘 7 知道答案是 56 ,是因為我們背過九九乘法表,不需要經過運算),緣上回跟語音工作記憶有關(比方說 5 加 3 ,要先把 5 暫存在這裡,然後再把加 3 拿來做運算,才能得出答案),頂上葉則是跟注意力有關。

 

大腦跟數學能力的關係不言可喻,不過實際上活化的區域有些學問。對美國高中生的大腦研究發現,數學大考成績愈好的人,他們的角回活化愈強,相反地頂內溝活化程度則偏低。頂葉活化的程度,也會隨著年齡增長而跟著增加,數學運算能力也跟著日趨成熟。頂葉受損或是結構異常的人,他的某些計算能力會受到嚴重影響,而且也不容易隨著年齡增長而有所改善。

 

總而言之,數學能力是隨著演化與發展而來,非常複雜的產物。雖然動物天生具備一定的數感,然而人類運用符號的能力,成為人類的數學能力遠遠超過動物的決定性因素;而負責處理這些符號運算,以大腦後頂葉為核心的神經機制,倘若受損或存有障礙,就會造成人們的計算能力出現異常。加減乘除這些我們習以為常的工作,其實並不是那麼理所當然,誰都能夠勝任愉快的呢!

 
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