Дошкольники и обезьяны воспринимают геометрические фигуры удивительно схоже

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что бабуины и макаки сопоставляют формы, используя те же геометрические интуиции, что и дети дошкольного возраста. В самом сложном варианте задания обезьяны в большей степени опирались на абстрактные свойства форм, чем дети. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Полученные данные опровергают широко распространенное утверждение о том, что только люди кодируют формы символически. Они также меняют представления о том, что может существовать в классе, поскольку дети приходят на занятия, уже обладая приблизительным пониманием углов, симметрии и параллельных линий.

В исследовании приняли участие восемь взрослых обезьян. Четыре из них были макаками-резусами, содержащимися в Университете Карнеги-Меллона (CMU), а четыре — оливковыми бабуинами, живущими в группе из десяти особей в зоопарке в Рочестере, штат Нью-Йорк.

Бабуины добровольно участвуют в программе. В их вольере установлен сенсорный киоск под названием «Портал для приматов», и они могут подойти и начать сеанс или проигнорировать его на весь день.

Эксперименты проводились в лаборатории Джессики Кентлон, когнитивного нейробиолога из Университета Карнеги-Меллона. В течение двух десятилетий она предлагала обезьянам и маленьким детям решать одни и те же головоломки с числами и формами.

Ее задача исключает все возможные способы решения. В верхней части экрана появляется фигура, под ней — две другие, и задача состоит в том, чтобы коснуться той, которая совпадает. Выбор фигур занимал половину площади образца, поэтому сопоставление по количеству пикселей не удается.

«Это может показаться простым, но на самом деле это довольно сложно, потому что между объектами нет никаких отличительных черт, нет существенных различий в цвете, размере или форме», — сказала Кентлон.

Исследователи никому не сообщили правила. Участникам-людям было сказано лишь, что они должны попробовать сыграть в игру на сопоставление и решить её методом проб и ошибок. Правильный ответ сопровождался звуковым сигналом. Обезьяны получали гранулу хлопьев, а дети — наклейку.

Начало эксперимента с обезьянами было случайным. Ни одна из них раньше не работала с геометрическими изображениями, и в итоге все они преодолели 70-процентный порог точности, установленный исследователями перед началом тестирования.

«Один из бабуинов, которого звали Каламата, был самой трудолюбивой обезьяной, которую я когда-либо видел», — сказал Цзялинь Ли из Университета Карнеги-Меллона.

Подход команды был необычным. Вместо того чтобы сравнивать показатели точности, они в каждом отдельном случае задавались вопросом, какое внутреннее описание формы лучше всего предсказывает выбор каждого участника.

В модель были включены три кандидата. Один представлял собой низкоуровневый визуальный код, своего рода информацию о границах и контрасте, которая обрабатывается зрительной корой на первом этапе. Другой представлял собой высокоуровневый код с более поздних этапов визуальной обработки, где мозг представляет целостные формы.

Третий вариант представлял собой символическое описание, в котором фигура становится списком свойств евклидовой геометрии: равные стороны, равные углы, параллельные стороны, прямые углы, симметрия. Предполагалось, что это описание будет предназначено только для человека.

Низкоуровневый код практически ничего не объяснял ни в одной из групп. Высокоуровневый код объяснял очень многое в каждой группе. Символический контрольный список также проявлялся у обезьян, хотя и в меньшей степени, чем у взрослых, но полностью совпадал с таковым у детей дошкольного возраста.

«Эта работа показывает нам, что человеческий разум не радикально отличается от разума других приматов, особенно на ранних стадиях развития», - сказала Кентлон.

Затем исследователи изменили угол наклона. В одном из условий две выбранные фигуры были повернуты на 20 градусов, одна по часовой стрелке, а другая против часовой стрелки, в то время как образец оставался в вертикальном положении.

Вращение должно было бы навредить обезьянам, поскольку распознавание форм, не зависящее от ориентации, — это именно то, в чём они, как предполагается, плохо справляются. Вместо этого их зависимость от символического описания увеличилась примерно втрое, и на повёрнутых фигурах она превысила показатели, которые демонстрировали дошкольники на неповёрнутых.

Этот результат создает проблему для традиционной интерпретации. Пять свойств из контрольного списка — параллельные стороны, прямые углы и остальные — не меняются при повороте фигуры. По своей конструкции они инвариантны относительно вращения.

Таким образом, любое животное, которое воспринимает наклонный квадрат как тот же объект, что и вертикальный, будет выглядеть символично в данных, независимо от того, соблюдаются ли какие-либо правила. До этого исследования никто не разделял эти два понятия.

Команда разработала версию высокоуровневой визуальной модели, в которой сначала каждая фигура была повернута обратно в стандартное положение. При полном отсутствии символического содержимого, её предсказания совпадали с предсказаниями символических моделей с коэффициентом корреляции около 0,7 во всех группах.

Утверждение восходит к эксперименту 2021 года, в котором испытуемые выбирали из шести четырехугольников фигуру неправильной формы. Люди всех возрастов и культур справлялись с задачей легче, когда фигура неправильной формы была правильной. Бабуины не продемонстрировали такого преимущества, что было истолковано как признак уникальности человека.

Группа Кентлон повторно проанализировала тот же набор данных, сравнив его со своими собственными, на уровне отдельных испытаний и отдельных испытуемых, а не средних значений по группе. Как оказалось, усреднение скрыло перекрытие данных.

Для каждого вида животных была определена степень зависимости от высокоуровневых и символических описаний. Группа обезьян в основном располагалась внутри группы людей. Перекрытие между группами обезьян и детей дошкольного возраста достигло 38%, а между детьми дошкольного возраста и взрослыми — 42%.

«Самое удивительное открытие заключается в том, что маленькие дети, еще до получения формального математического образования, испытывают трудности с этой задачей так же, как и обезьяны. Мы обнаружили, что сходство между детьми и обезьянами почти такое же, как и между детьми и взрослыми в представлении геометрических фигур», - отмечает Ли.

При сравнении с разбросом внутри каждой группы статистически разница между видами была неотличима от нуля. Разница между условиями с вращением и без вращения была почти в три раза больше внутреннего разброса.

Исследователи разработали выборку людей таким образом, чтобы отделить возраст от уровня образования. Помимо 55 детей дошкольного возраста, команда протестировала 79 взрослых представителей народа цимане из земледельческих и собирательских общин близ Сан-Борхи, Боливия, с уровнем образования от нуля до пяти лет.

Участники из племени Цимэйн работали с ламинированными карточками, а не с сенсорным экраном. В задании на сопоставление они сильнее всего полагались на сложные представления о формах. В обоих заданиях взрослые в целом продемонстрировали наиболее сильные символические эффекты, а обезьяны — наиболее слабые, при этом дети частично совпадали по результатам обоих случаев.

Таким образом, формальное обучение не является тем, что формирует интуицию. Более раннее исследование, проведенное с другой стороны, показало примерно то же самое: взрослые и дети из Амазонии, не имевшие математической подготовки, все же обладали работоспособными интуитивными представлениями о точках, линиях и параллелях.

«Человеческие дети во многом похожи на нечеловеческих приматов с точки зрения их математической интуиции, и если мы сможем лучше понять, что это за примитивная математическая интуиция, то у нас будет лучшее представление о том, как обучать детей математическим понятиям — мы сможем разработать образовательные методы, которые дополнят и разовьют их естественную интуицию и способности», - говорит Кентлон.

До настоящего времени история этой области исследований была довольно однозначной: чувствительность к геометрической закономерности появилась в человеческой родословной и на этом заканчивалась. Данная работа предполагает, что эта граница находится не в том месте.

В этих данных группы разделяет не вид, а степень абстракции, требуемая задачей. Поверните фигуры, и представления каждой группы перестроятся; поменяйте местами виды, и они почти не изменятся.

Возможно, приматы тоже не являются пределом. В статье 2025 года вороны показали хорошие результаты в одной из версий задачи на поиск объектов необычной формы, хотя более поздний повторный анализ показал, что это может быть объяснено обычной обработкой визуальной информации.

Что именно представляет собой эта общая абстракция, остается открытым вопросом, и команда Кентлон выдвигает конкретное предложение: нечто, более близкое к мысленному образу, который можно поворачивать и изменять в неизменном виде, чем к списку правил. Это проверяемое различие, и оно дает сравнительной работе цель, которой у нее не было на прошлой неделе.

Для тех, кто учит четырехлетнего ребенка квадратам, практическая версия будет более прямолинейной. У ребенка уже есть интуиция, и она была у него еще до того, как он научился ее называть. Задача педагога — дать этой интуиции название и отточить ее.