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大脑如何认脸?

2017/07/20 来源:Nature自然科研
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导读
人类不用多加思索,就能从人群中辨认出一张熟悉的面孔。但是,大脑究竟是如何做到这一点的,研究人员多年来一直百思不得其解。现在,一项研究表明恒河猴依靠数百个神经元的协调工作来识别面孔,这些神经元会关注特定的面部特征组合。

本文转载自Nature自然科研微信公众号

原文以Neuroscientists rethink how the brain recognizes faces为标题

发布在2017年6月1日的《自然》新闻上

原文作者:Sarah McQuate

猴子的脑细胞对特定的面部特征组合,而非对整张脸做出反应。

人类不用多加思索,就能从人群中辨认出一张熟悉的面孔。但是,大脑究竟是如何做到这一点的,研究人员多年来一直百思不得其解。现在,一项研究表明恒河猴依靠数百个神经元的协调工作来识别面孔,这些神经元会关注特定的面部特征组合。

该研究发现发表在了6月1日的《细胞》期刊上,终于澄清了一个众说纷纭但却无令人满意之解释的问题。


猴子之所以可以识别面孔,是因为它们拥有一系列能够辨认特定面部特征的神经元。Solvin Zanki/naturepl.com

“最想当然的观点是单个细胞对单个个体做出专门响应,”美国国立精神卫生研究所的神经科学家David Leopold说。但是,其它理论认为神经元组通过协同工作来识别面孔。

最新研究结果显示,每一个与面部识别相关的神经元——面孔细胞——关注的是特定的面部特征组合。“我们已经破解密码了,”该研究的共同作者、加州理工学院的系统神经科学家Doris Tsao说。

向前飞跃

一开始,Tsao和加州理工学院的另一位神经科学家Le Chang通过研究两只恒河猴(Macaca mulatta)的大脑,以确定其面孔细胞的位置。他们向这些猴子展示人脸或其它物体的图片,包括身体、水果和无序的图案。然后,他们使用功能性磁共振成像技术,观察猴子在看到人脸时哪个脑区会亮起来。

研究团队以这些热点区域为重点,观察面孔细胞的行为。Tsao和Chang向猴子展示2000张特征不一的人脸,其面部差别包括眼距或发际线形状的不同。然后,他们将电极植入猴子的大脑,对比单个神经元对面部差异的响应。

Tsao和Chang总共记录了两只猴子205个神经元的响应信息。每一个神经元会对某些面部参数的特定组合做出响应。

“他们建立的模型解释了计算机屏幕上的一张图片是如何触发视皮质中神经元的响应的整个过程,”华盛顿大学的视觉神经生理学家Greg Horwitz说。“这是一次巨大的进步,”他说,因为该模型绘制出每一个细胞对所有可能的面部特征组合的响应,而不仅仅是对单个特征的响应。

偏好响应

Tsao和Chang想知道在面孔细胞识别出的特定特征组合中,不同的神经元是否会对不同的特征有偏好响应。为了验证这个想法,他们假设每个神经元会对其偏好的面部特征做出反应,重构猴子之前看到的面孔。根据信号强度,神经科学家们几乎完美地重构了这些真实面孔。

当猴子看到的面孔所存在的差异是神经元并不关注的特征时,单个面孔细胞的响应保持不变。

换言之,“神经元不是面孔探测器,而是面孔分析仪,”Leopold说。大脑“能够意识到让人区别甲某和乙某的关键维度的存在。”

Tsao说,人脑可能使用该密码来识别或成像具体面孔。但是,科学家们仍不确定一切是如何关联起来的。

不过,有一点神经科学家们很清楚。“如果有人还这样想:‘我们知道面孔是如何被识别的,因为有一小部分面孔细胞在看到正确的面孔时会做出积极响应’,那么我认为这种想法应该逐渐淡化,因为它是不对的,”Leopold说。“本研究提供了另一种更加现实的解释来说明大脑是如何分析个体的。”

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