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Cell:识别人脸,205个脑细胞就够了!你还好意思脸盲吗?

2017/06/10 来源:学术经纬
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导读
来自加州理工学院(Caltech)的HHMI研究员,知名华人学者Doris Tsao教授与她的研究团队揭示了大脑识别人脸的机制,并发现只要区区205个猴脑细胞,就足以精准地识别面容。
本文转载自“学术经纬”,原标题:识别人脸, 205个脑细胞就够了,你还好意思脸盲吗?

识别人脸就像是人类的本能。日常生活工作也好,看电影追电视剧也好,在看到曾经熟识的面容时,很多人总能在第一时间做出反应,说出对方的名字。然而,也许正是由于“认脸”太过于普通,人们早就对这一技能习以为常,以至于没有把它当作一个新奇的科学问题来看待。认脸背后的生物学原理,也久久没有得到解释。


▲本项研究的负责人Doris Tsao教授(图片来源:HHMI)

日前,科学家们终于在这一领域迈出了一大步——来自加州理工学院(Caltech)的HHMI研究员,知名华人学者Doris Tsao教授与她的研究团队揭示了大脑识别人脸的机制,并发现只要区区205个猴脑细胞,就足以精准地识别面容。更夸张的是,通过检测这些脑细胞的活性,研究人员甚至能反推出人脸的模样,准确度高得惊人!这项突破性的研究发表在了生命科学领域顶尖学术期刊《细胞》上。

要了解这项研究的重要性和意义,我们先来回顾下人类至今在神经科学上取得的成果。先前,科学家们早已知道,脑细胞能如何处理像颜色、角度、边缘等简单的视觉信息。然而,一旦视觉信息的复杂度上升一个水平,神经学家对大脑的运作机制就说不出个所以然来。就拿识别人脸来说吧,科学家只知道在认脸时,大脑的特定区域会变得活跃,但其中的脑细胞如何通力合作,将眼睛观察到的信号转变为大脑中的人脸,依旧是一个未解之谜。


▲在识别人脸时,脑部的特定区域会变得活跃(图片来源:《细胞》)

Tsao教授正是想解决这一难题的科学家之一。先前,她和她的同事们已经在大脑识别面部的区域研究了很多年,并试图了解神经元如何识别眼睛大小和嘴巴宽度等面部特征。然而,大量的努力没有带来突破。“因为我们无法将面部特征用语言来描述,所以这项任务特别艰巨。”Tsao教授说道。


▲本文第一作者Le Chang博士(图片来源:加州理工学院)

山重水复疑无路,柳暗花明又一村。在本项研究的第一作者Le Chang博士一道,他们抛弃了原有的研究思路,重起炉灶。两名研究人员往计算机程序里输入了200张经过处理的面部照片,并用数学方法, 从中提炼出50个关键的特征维度——这些维度能将不同的面容做最大程度的区分。有趣的是,计算机和人类认脸的方式有着显著不同。它们不计较人是单眼皮还是双眼皮,也不考虑招风耳或是朝天鼻。在这些维度中,有大约一半和形状的判别有关(如眼睛之间的距离,发际线的高度等),而剩下一半则与皮肤颜色或是材质有关。当这50个维度进行特定的排列组合,就能代表输入的200张照片。


▲在计算机的帮助下,研究人员提炼出了面部的大量特征(图片来源:《细胞》)

要用来做后续的研究,200张照片还是太少了。利用这50个面部特征的维度,研究人员借助计算机自动生成了2000张不同的人脸,并让两只猕猴去识别这些面相。与此同时,研究人员在这些猴子的大脑里插入了电极,用来监控猴子负责认脸的脑区中,205个神经元的活性。通过这项实验,研究人员希望能找到大脑认脸的一些规律。

实验结果让研究人员倍感兴奋!他们发现,不同的神经元,有着独特的功能。比如说,用来识别发际线形状的神经元,只会识别发际线的形状。如果两张人脸的发际线形状相同,哪怕其他特征再有千差万别,这个负责认脸的神经元也无动于衷。之前,学界一直不明白,为啥同一个神经元在认脸时,活性时有时无。现在这个问题迎刃而解。


▲不同的神经元,看似能识别面部的不同特征(图片来源:Scientific American)

然后,这些研究人员心中生出一个大胆的想法。既然我们知道这些神经元会对哪些特定的面部特征起反应,那么,如果检测这些神经元的反应,再用这些神经元的电生理数值来逆推、还原人脸,会发生什么呢?

请屏住呼吸,以下是他们的实验结果。


▲左边是实际照片,右边是还原出的人脸,你能看出区别吗?(图片来源:《细胞》)

“重新还原出的图像惊人的精准。”Tsao教授感叹道。利用人工智能算法,这些电脑还原出的人脸足以乱真。

在取得神经学重大突破的同时,研究人员也保持了谨慎。在论文中,他们指出,严格意义上说,这项研究只是告诉我们,大脑如何“描述”面部,还未臻完全“鉴别”面部的境界。为了更好地了解大脑在相关领域的运作机制,将来他们还需要做更多的研究。

但这并不妨碍学术界大力称赞这项突破性的研究。约翰•霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的神经学专家Ed Connor教授认为,这个发现足以“名垂青史”。他说:“这已经离人类经验的核心区域很接近了,而且我们看到了背后的神经学机制。对我而言,没有比这更让人兴奋的了。”

参考资料:

[1] The Code for Facial Identity in the Primate Brain

[2] Neuroscientists are cracking the code of how brains process faces

[3] How We Save Face--Researchers Crack the Brain's Facial-Recognition Code

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