只是因为在人群中多看了你一眼

“只是因为在人群中多看了你一眼

再也没能忘掉你容颜”

等等,别光顾着沉浸在这首歌一见钟情的浪漫中。你是否想过,你是怎么记住TA的脸的呢?你又是怎么能在茫茫人海里找到TA的呢?你可能会说,这就是爱情呀!但是,我们不谈爱情。学堂君想聊的,是你脑子的人脸识别功能。

是谁,只看脸?| 面孔识别区

神经科学研究发现,在人的太阳穴下方的脑区(科学家管它叫颞叶),有几个蓝莓大小的区域 ,是专门用来识别人脸的。神经科学家管这些区域叫面孔识别区(face patches)。但是无论是对人类大脑进行扫描还是给病人植入电极,都不能解释面孔识别区里的神经细胞具体是怎么工作的。

不过最近心理学家们对于这个问题的认识终于有了比较大的突破。加州理工大学的华人女生物学家曹颖(Doris Tsao) 和他的同事们通过研究,终于破译了灵长类动物面孔识别区的神经元的编码方式。他们记录了猕猴的脑图像和面孔识别区里单个神经细胞的活动,发现每个神经细胞的放电频率和面部特征是一一对应的。由于人类由猴子进化而来,我们能推测,人脑进行人脸识别的方式也是类似的。

(曹颖获得美国“天才奖”)

就好比电话拨号键盘上每个数字对应一个音符一样,每个神经元发放的电信号能跟一个面孔信息相对应。不同的拨号按键相组合能拨出所有的电话号码,相似地,不同的神经元相组合,也能呈现你看到的所有面孔。这样一来,只需要检测猴子的面部识别细胞的放电活动,就能重建猴子所看见的那张脸的模样。

一个细胞看一张脸?No!

之前的研究已经显示了某些大脑区域只与人脸识别有关。在21世纪初,当曹颖还是哈佛医学院的博士后研究员时,她和电生理学家Winrich Freiwald的研究表明,每当猴子看到一张脸的照片时,它大脑中面孔识别区中的神经元就会发出电子信号,而这些面孔识别区对其他图像(比如蔬菜、收音机或者其他身体部位的图像)几乎没有任何反应。其他实验表明,面孔识别区的神经元也可以区分不一样的面孔,甚至卡通人物的脸也是如此。

2005年,英国莱斯特大学的神经科学家Rodrigo Quian Quiroga做了一系列非常著名的研究。他发现,人脑的海马区域中有一个固定的脑细胞,它在看到《老友记》女主角瑞秋(演员Jennifer Aniston)的照片时就非常激动。于是,这个细胞就被命名为Jennifer Aniston的神经细胞。这事儿可比命名小行星要酷多了!

有属于自己的神经元的Jennifer Aniston

此外,在颞叶的其他区域也发现了类似的反应。当时流行的理论认为,面部识别区域的每个神经元都对几个特定的人物敏感。但曹颖的最近的研究表明,那种理论可能是错误的。“她已经证明面孔识别区域中的神经元根本不会编码整张人脸而是有分工地编码特定特征,”Quian Quiroga说,“而这,完全改变了我们对面孔识别的理解。”也就是说,我们不可能再有神经细胞署名权的机会了。

分工明确的神经细胞们

为了破译细胞如何进行人脸识别,研究人员生成了2000张人类大头照,其中包括50个特征:面部轮廓形状、两眼间的距离、肤色等等。他们给两只猴子看2000张大头照,同时记录了它们大脑中三个不同的面孔识别区中每个神经元的电信号。

研究人员发现,每个神经元只对一个特征做出反应。它不是对脸的整体进行编码,而是将人脸划分为更小的区域,比如眉毛、眼睛、嘴。不同的细胞编码特定的特征。比如这个细胞编码发际线的高度,是光头还是地中海;而那个细胞编码头发的颜色,是潇洒的金发还是浓郁的黑发。此外,不同的面孔识别区中的神经元负责处理不同的信息。像工厂的工人一样,每个面部识别小区都有不同的工作,互相协作,搭建出一张完整的脸。

一旦研究者们知道每个面孔识别区是如何分工的,他们就可以预测神经元对一个全新的面孔的反应。他们开发了一种数学算法,把不同神经元的放电模式翻译成了不同的面部特征。 为了证明自己的翻译系统是好用的,他们向猴子展示了一张以前没见过的人脸图像,并记录下猴子的面孔识别神经元的反应。使用算法把神经元活动翻译成一张人脸,再和真实呈现给猴子的脸进行对比。你会发现,这两张脸惊人地相似,几乎是一模一样的。

图[1]是猴子看到的人脸的样子,图[2]是数学模型翻译神经元放电模式计算出来的样子,两者几乎一模一样

205个细胞可以展现出十亿张脸

曹颖说,更令人惊讶的是,研究人员只需要读取相对较小的一组神经元的活动数据,就能重新建构出猴子所看到的面孔。准确来说,只需要记录205个细胞,其中106个来自于一个面孔识别小区,99个来自另一个面孔识别小区,就足够了。 “这说明了这种基于特征的神经编码是多么紧凑和高效,”她说。 这也可以解释为什么我们不需要十亿个的神经细胞,就能拥有区分十亿张不同人脸的能力。

最近发表在顶级科学期刊Cell上的fMRI研究表明,在人类大脑中也发现了面孔识别区发出的类似反应,可见人类大脑的面部识别机制与猴子有一定的相似之处。这项研究或许能为科学家研究人类人脸识别以一定的启迪。不过,人类的面孔识别区细胞的数量可能会有所不同。

我们不想只看脸

我们现在知道,人脸识别区的某些细胞看鼻子,某些细胞看嘴,整合出一张你熟悉的脸。但是,我们是怎么看出这张脸是男是女、是老是少?怎么看出来这是中国人还是韩国人、是非洲人还是晒黑了的白人?认出TA的脸后,你又是怎么叫出TA的名字的呢?放心,科学家们在探索的道路上从未止步,有一天,他们会告诉我们的。

此外,我们不想只看脸。大脑对脸的识别机制,还能够扩展到对所有物体的识别上。

等技术再发达一点,就能通过看你的脑活动,来判断出你到底是不是还在想前女友了。

文章来源:京师心理大学堂

原文作者:京师心理

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  • 原文链接https://kuaibao.qq.com/s/20181217B1EG3K00?refer=cp_1026
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