動物の数感覚

動物の数感覚とは、生物が数の感覚によって相対的な大きさの量を表わし、区別する能力である。これは魚類から霊長類まで、さまざまな種で観察されている。動物は、人間が示す数の表現と同じ近似数体系を持っていると考えられており、これはより小さな量についてはより正確だが、大きな値についてはそれほど正確ではない。3より大きい数の正確な表現は野生動物では証明されていないが、^[1]飼育動物では一定期間の訓練後に実証できる可能性がある。

動物の数感覚を人間の象徴的・言語的数体系と区別するために、研究者は数ではなく数性という用語^[2]を使用し、おおよその推定はサポートするが数の質の正確な表現はサポートしない概念を指します。

動物の数感覚には、数の認識と比較が含まれます。加算などの数値演算は、ネズミや類人猿を含む多くの種で実証されています。分数の表し方や分数の加算はチンパンジーで観察されています。近似数体系を持つ種が広範囲に及ぶことは、このメカニズムが進化の初期段階に起源を持つか、複数の収斂進化イベントを示唆しています。人間と同様に、ひよこは左から右への精神的な数直線を持っています（左のスペースを小さい数、右のスペースを大きい数と関連付けます）。^[3]

20 世紀初頭、ヴィルヘルム・フォン・オステンは、ハンスという名の馬を例に挙げて、動物が人間のような計算能力を持っていると、有名だが時期尚早に主張した。彼の主張は、今日では方法論的誤りによるものとされ、この事件にちなんで「賢いハンス現象」と名付けられたため、広く否定されている。フォン・オステンは、彼の馬は、筆記または口頭で提示された算術演算を実行でき、答えに相当する回数だけ蹄で地面をたたくと主張した。この明らかな能力は、馬の所有者やより広い観衆の前で何度も実証され、所有者がいないときにも観察された。しかし、 20 世紀最初の 10 年間にオスカー・プフングストが厳密な調査を行った結果、ハンスの能力は算術的な性質ではなく、正解が近づいたときの人々のボディランゲージのわずかな無意識の変化を解釈する能力であることが示された。今日では、クレバー・ハンスの算数能力は一般的に否定されており、この事件は科学界に実験における実験者の期待を厳密に管理する必要性を思い出させるものとなっている。^[2]

しかし、動物の数感覚に関するより初期の、より信頼性の高い研究は他にもあった。その顕著な例は、1920年代から1970年代にかけて動物の数感覚に関する数多くの研究を行ったオットー・ケーラーの研究である。 ^[4]彼の研究の1つ^[5]では、ヤコブという名のワタリガラスが、異なる課題において確実に数字の5を区別できることが示された。この研究が注目に値するのは、ケーラーが実験において体系的な制御条件を提供し、ワタリガラスの数の能力を、物体の大きさや位置などの他の特徴を符号化する能力とは別にテストすることを可能にした点である。しかし、ケーラーの出版物はドイツ語で、第二次世界大戦中に部分的にしか出版されなかったため、英語圏ではほとんど見過ごされていた。

動物の数的認知を研究するための実験設定は、フランシス^[6]とプラットとジョンソン^[7 ] の研究によってさらに充実しました。実験では、研究者はラットに餌を与えず、餌を得るためにレバーを特定回数押すように教えました。ラットは研究者が指定した回数とほぼ同じ回数レバーを押すことを学習しました。さらに、研究者はラットの空腹度を制御することでラットの行動を速くしたり遅くしたりするように実験を変化させ、ラットの行動は、たとえばレバーを押す時間ではなく、必要な押す回数に依存していることを示しました。

動物の数の表現を調べるのは、言語を媒体として使用できないため、困難な作業です。このため、数的能力と、クレバー・ハンス現象、単一の物体の記憶、物体のサイズと時間の認識などの他の現象を区別するために、慎重に設計された実験装置が必要です。また、これらの能力は過去数十年間にのみ見られ、進化の時代から見られるものではありません。

数値能力が実証される方法の 1 つは、数の概念をモダリティ間で転送することです。これは、たとえば、チャーチとメックの実験^[8]の場合に当てはまります。この実験では、ラットは、予想されるレバー押しの回数を調べるために、光の点滅回数と音の回数を「加算」することを学び、視覚や聴覚のモダリティに依存しない数の概念を示しました。

動物の数感覚に関する現代の研究では、他の説明をテストするコントロール条件を確立することで、動物の行動の他の可能性のある説明をコントロールしようとしています。たとえば、リンゴのかけらの例で数感覚を調査する場合、動物がリンゴのかけらの数ではなく、リンゴの体積を表していると仮定した代替説明がテストされます。この代替説明をテストするために、リンゴの体積が変化し、リンゴのかけらの数が多い条件ではリンゴの体積が時々小さくなるという追加の条件が導入されます。この条件でも動物がより多くのかけらを好む場合、代替説明は拒否され、数値能力の主張が支持されます。^[1]

動物においても、数は人間と同様に2つの別々のシステムで表現されると考えられている^{[9] 。1つ目のシステムは}近似数システムで、量の推定に使用される不正確なシステムである。このシステムは距離効果と大きさ効果によって区別され、数間の距離が小さいほど、また数の値が小さいほど、数の比較が容易で正確になる。数を表す2つ目のシステムは並列個体化システムで、1から4までの数の正確な表現をサポートする。さらに、人間は言語などの記号システムを通じて数を表すことができる。

しかし、近似数システムと並列個体化システムの区別についてはいまだ議論が続いており、いくつかの実験^[10]では、より小さな数のための別のシステムを想定する必要なく、近似数システムで完全に説明できる行動が記録されている。たとえば、ニュージーランドのロビンは、貯蔵された食べ物の総数と相関する精度で、貯蔵された食べ物のより大きな量を繰り返し選択した。しかし、並列個体化システムによって予測される、小さなセット (1 ～ 4) と大きなセット (4 以上) の間でパフォーマンスに大きな不連続性は見られなかった。一方、他の実験では、4 までの数の知識しか報告されておらず、近似数システムではなく並列個体化システムの存在を裏付けている。^[1]

研究によると、霊長類は数値を比較するだけでなく、それらの値を類似物としてエンコードするための同様の認知アルゴリズムを共有していることが示されています。^{[11] [12]実際、多くの実験で、霊長類の数の能力は人間の子供に匹敵することが裏付けられています。 [11]}これらの実験を通じて、近似数システム（ANS）、数の順序性、並列個体化システム（PNS）、および瞬時認識など、いくつかの神経学的処理メカニズムが機能していることが明らかになっています。^[9]

近似数体系（ANS）はかなり不正確で、認知的推定と比較に大きく依存しています。この体系では、数に個別の値を与えるのではなく、相対的な大きさに基づいて量を比較します。このANSの効率は、量を区別する能力は2つの数の絶対差ではなく、その比率によって決まるというウェーバーの法則に依存しています。 ^[13]言い換えれば、ANSの精度は比較する2つの量の大きさの差に依存します。また、量が大きいほど理解しにくいため、ANSの精度も数が増えるにつれて低下します。^[9]

アカゲザル（Macaca mulatta ）は、色、形、数字など複数の特性を持つ物体の特定の画像を与えられると、他の特性に関係なく、その画像を同じ数の別の物体の画像と素早く一致させることがわかっています。^[14]この結果は、サルが数を個別に定義しているのではなく、量の比較を使用して同じ数の物体のセットを一致させているため、ANSの使用を支持しています。マカクが物体のグループを数で分類して同等にする傾向は、霊長類に機能するANSを強く示唆しています。

霊長類におけるANSの例は、グループ内およびグループ間の自然な対立に見られます。チンパンジー（Pan troglodytes）の場合、グループの領域に侵入した者は、侵入者が単独で、攻撃側が少なくとも3匹のオス（1対3の比率）で構成されている場合にのみ攻撃されます。ここで、チンパンジーは侵入グループと自分のグループを比較分析してANSを使用し、攻撃するかどうかを判断しています。^[9]この社会的数の優位性の概念は多くの霊長類種に存在し、少なくとも比較的には数の力に対する理解を示しています。^[15]

ANS のさらなる証拠は、チンパンジーが容器内の異なる量の食物をうまく識別したことで発見されました。チンパンジーは、見えない食物が別々の容器に個別に投げ込まれる音を聞きました。次に、どちらの容器に食物がより多く入っているかに基づいて、どちらの容器から食べるかを選択しました。チンパンジーはこの課題をかなりうまくこなしました。これは、チンパンジーが量を比較するだけでなく、その量を頭の中で追跡する能力があることを示していました。^[16]しかし、ウェーバーの法則によると、個々の食物の数が一定の程度になると実験は失敗しました。^[13]

霊長類で最も徹底的にサポートされている数のスキルは順序性、つまり連続した記号や量を認識する能力です。^[17] ANSのように単に値が他の値より大きいか小さいかを判断するのではなく、順序性では、集合内の数字や項目の特定の順序をより微妙に認識する必要があります。^[14]ここでは、値が徐々に増加するだけであり、多くの場合1だけであるため、ウェーバーの法則は適用されません。^[16]

霊長類は、アイテムの配列とアラビア数字の両方で順序性を示した。1～4個のアイテムの配列を提示されたとき、アカゲザルは一貫して昇順で配列に触れることができた。このテストの後、より多くのアイテムを含む配列を提示され、新しい配列にも昇順で触れることでタスクを推測することができた。さらに、サルがタスクを実行する速度は、人間の成人と同等であった。^{[18] [19]}

霊長類は、アラビア数字だけを与えられた場合でも、順序を認識できます。俗に「チンパンジーチャレンジ」と呼ばれる実験では、チンパンジーに1から9までのアラビア数字の正しい順序を記憶させ、画面上で散らばって消えた後にその順序で押すように教えました。チンパンジーは散らばった数字の正しい順序を認識できただけでなく、画面上で数字が消えた後も正しい順序を思い出すことができました。^[20]さらに、チンパンジーはこれを人間の大人よりも速く正確に行うことができました。^[20]数字が表す量の視覚的表現が提供されないこのタスクは、より高度な認知能力、つまり、一連の中で互いにどのように関係しているかに基づいて記号を区別することを意味しました。^[11]

並列個体化システム (PIS) は、霊長類で証拠を見つけるのが最も難しい数処理システムです。これは、各数字が数学的に異なる方法で操作できる一意の量の記号表現であるという理解を必要とするためです。^[11]したがって、ANS とは異なり、PIS は比較の必要性とは無関係であり、各数字は算術によって定義された値で独自に存在できます。PIS を使用するには、数字、つまり特定の量の記号表現が他の量の記号表現と明確な方法で関連しているという理解が必要です。^[15] たとえば、「チンパンジー チャレンジ」では、3 が 4 より前と 2 より後に存在するという霊長類の理解が示されただけで、3 が単独で動作して独立した一貫した値を保持できるという理解は示されませんでした。^[9]

PISの存在を裏付けるために必要な実験セットアップは、多くの場合、非常に長いものになります。霊長類がPISを示すのに十分な長さのタスクを訓練されると、その結果は通常、正確な数の理解ではなく、単なる連想学習によるものとされます。霊長類にPISが存在するという明確な証拠を提供するためには、研究者は野生の霊長類が何らかの算術計算を行う状況を見つけなければなりません。^[12]

しかし、霊長類におけるPISの裏付けに最も成功したのは、アカゲザルの研究です。この研究では、アカゲザルが一定数の個々の発声の聴覚刺激を正しい個体数と関連付けることが証明されました。これにはアラビア数字を学ぶ必要はありませんでしたが、視覚やシーケンス内での量を比較するのではなく、聞いた音声番号の正確な量を選択する能力が必要でした。^[21]

霊長類の数の理解に関して考慮すべきもう一つの重要な現象は、瞬時認識である。瞬時認識とは、脳が物体を明示的に数えなくても、視覚的に少数の物体を自動的にグループ化する現象である。人間の場合、瞬時認識により、サイコロの目が1つ1つ明確に数えられるのではなく、点のグループ化によってサイコロのペアの数字を認識することができる。本質的に、瞬時認識は、少量の数値体系を理解していなくても、数の感覚を与えることができる。^[12]

霊長類の瞬時化は、さまざまな実験で明らかになっています。アカゲザルは、リンゴのスライスのサイズを操作した場合でも（一部は大きく、スライスの数は少ない）、容器内のリンゴの数を区別できることが証明されています。これはPISに起因する可能性がありますが、小さな数字のグループを比較する行為は、瞬時化が作用している可能性が高いことを示唆しています。特に、数字が約4を超えると実験が機能しなくなりました。^[15]

グッピー、グリーンソードテール、カダヤシなど、多くの魚種で近似数のシステムが見つかっています。例えば、カダヤシの大きな社会集団への好みは、魚の数を識別する能力をテストするために利用されました。^[22]魚は3までの異なる量をうまく識別し、それを超えると、2つのグループの比率が1対2になるようにそれらの差も増加した場合にグループを識別できるようになりました。同様に、グッピーは4までの値を識別しましたが、それを超えると、2つの量の比率が1対2になった場合にのみ違いを検出しました。^[23]

ラットは、餌を得るために指定された回数レバーを押すことを学習しなければならない実験において、近似数システム^[2]と一致する行動を示しました。研究者が指定した回数、つまり 4 回から 16 回までレバーを押すことをラットは学習しましたが、その行動は近似的で、期待されるレバー押しの回数に比例していました。つまり、目標回数が 4 の場合、ラットの反応は 3 回から 7 回まで変化し、目標回数が 16 の場合、ラットの反応は 12 回から 24 回まで変化し、はるかに大きな間隔が示されています。^[7]これは、近似数システムおよび大きさと距離の効果と一致しています。

鳥類は数感覚がテストされた最初の動物種の一つです。オットー・ケーラーの実験では、ヤコブという名のワタリガラスがさまざまな課題で数字の5を区別することができました。^[5]その後の実験では、鳥類に数感覚が存在するという主張が裏付けられ、ヨウムのアレックスは最大6つの要素を持つセットのラベルをラベル付けして理解することができました。^[24]他の研究では、ハトも広範囲にわたる訓練をすれば最大6の数字を表すことができると示唆されています。^[25]

犬にも数の感覚があることがわかっています。例えば、犬は2つの物体の単純な加算を行うことができました^[26]。これは、結果が間違っているときに犬が驚いたことから明らかです。しかし、オオカミは犬よりも量の識別課題で優れた成績を収めており、これは犬の数感覚に対する自然淘汰がそれほど要求されていない結果である可能性があると主張されています。^[27]

アリは20まで数えることができ、5以内の数の加減算ができることが示されている。^{[28] [29]}高度に社会的な種、例えばアカシアアリでは、偵察個体が、シロップを得るために通らなければならない特別な「計数迷路」の枝の数に関する情報を採餌者に伝えることができる。アリの数感覚に関する発見は、採餌チームがうまく行く前に偵察者と採餌者との間で行われた情報接触の持続時間の比較に基づいている。一部の古代の人間の言語と同様に、アリのコミュニケーションにおける特定の数のコード長はその値に比例する。餌が異なる枝に異なる頻度で現れる実験では、アリはメッセージを最適化するために単純な加算と減算を使用した。

縞模様の野ネズミ（Apodemus agrarius）は、正確な相対量の判断と一致する数の感覚を示しました。これらのマウスの中には、わずか1つだけ異なる量を区別する際に高い精度を示すものもいます。後者には、小さな量（2対3など）と比較的大きな量（5対6、8対9など）の両方の要素が含まれます。^[30]

ミツバチは飛行中に遭遇する物体を最大4つまで連続して数えることができます。^[31]による研究では、ミツバチは飛行中に通過する目立つランドマークを最大4つまで連続して数えることで、食料源まで移動しているようでした。

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