生命科學

解開人臉神經編碼

神經科學家正逐步破解人腦中進行臉部辨識的神經編碼。

撰文/謝赫(Knvul Sheikh)

生命科學

解開人臉神經編碼

神經科學家正逐步破解人腦中進行臉部辨識的神經編碼。

撰文/謝赫(Knvul Sheikh)


人腦演化至今,已能辨識並記住眾多不同臉孔。在擁擠的餐廳或熙攘的街頭,我們一下子就能認出友人的臉,對方的喜怒哀樂也可一目了然。


腦造影研究顯示,在太陽穴底下的顳葉有幾處藍莓大小的腦區,專司對人臉的反應,神經科學家稱這些腦區為「臉部辨識區塊」。但無論是腦造影還是對植入電極的患者進行臨床試驗,都無法解釋這些腦區中的神經元到底如何運作。


美國加州理工學院的生物學家曹穎(Doris Tsao)和同事借助腦造影技術及單一神經元記錄法來觀察獼猴腦,似乎終於破解了靈長類辨識臉孔的神經編碼。研究人員發現,臉部辨識區中每個神經元的活化率會隨不同臉部特徵而改變。這些神經元猶如調節器的旋鈕,可各自微調並對零碎資訊做出反應,再以各種方式整合,形成每張曾見過的臉部影像。曹穎說:「這實在不可思議,每個旋鈕的數值都可預測,只要追蹤臉部辨識神經元的電生理活動,就能重現猴子看過的人臉。」


先前研究顯示,這些腦區專門負責臉部表情編碼。2000年代初期,曹穎在哈佛醫學院擔任博士後研究員時,與電生理學家弗瑞瓦德(Winrich Freiwald)合作,他們發現,猴子一看到人臉照片,其臉部辨識區的神經元就會釋出電生理訊號;但同一群神經元對蔬菜、收音機或非臉孔的人體部位等其他照片,反應微弱或甚至毫無反應。其他實驗則發現,臉部辨識區的神經元能分辨不同人臉,連卡通人物也可以。


2005年,神經科學家基洛加(Rodrigo Quian Quiroga)以人類受試者進行了一連串著名的實驗,他發現美國女演員珍妮佛安妮斯頓(Jennifer Aniston)的照片會活化海馬回的一個神經元,也就是著名的「珍妮佛安妮斯頓神經元」。基洛加現任職於英國萊斯特大學,並未參與曹穎的研究,他評論,顳葉其他腦區也有類似情況,且神經科學界普遍認為,臉部辨識區中的每個神經元會對某些特定人士較敏感。然而曹穎近期的研究認為這個看法可能有誤,基洛加說:「她的研究發現臉部辨識區的神經元並非對特定人士的臉孔編碼,而是僅針對特定特徵編碼,簡直澈底顛覆我們對臉部辨識的了解。」


為釐清神經元如何辨識臉部,曹穎及博士後研究員張樂(音譯)拍下2000張人臉大頭照,在50種臉部特徵上做變化,包括臉形、兩眼間距、膚色及膚質等。他們把這些照片拿給兩隻猴子看,同時記錄這兩隻猴子腦中三處臉部辨識區神經元的電生理活動。


他們發現,每個神經元只對單一特徵有反應。張樂表示,這些臉部辨識區的神經元不像珍妮佛安妮斯頓神經元會編碼個人臉孔,而是把整張影像分成小區塊,再針對額頭寬度等特定特徵編碼。不同臉部辨識區的神經元負責處理不同資訊,猶如工廠作業員各司其職、分工合作,彼此溝通協調、拼湊出完整的面貌。


一旦知道神經元彼此間為何如此分工,張樂和曹穎就能預測神經元對素昧平生的臉孔有何反應。他們設計出可模擬不同神經元編碼臉部特徵的數學模型,然後給猴子看一張未曾謀面的人臉照片(圖1),用演算法計算出不同神經元會如何反應,就能以編碼重塑猴子所見的面貌(圖2),曹穎說:「重現的臉孔精準得驚人!」事實上,重塑的容貌幾乎跟猴子看過的照片如出一轍。


曹穎指出,更令人訝異的是,研究人員只需取得相對而言較少的神經元編碼資訊,就能以演算法精準重現猴子見過的臉孔。只要205個神經元的活動記錄就夠了,一區塊106個,另一區塊99個。她說:「可見以特徵為基礎的神經編碼多緊密、多有效率。」這或許可解釋為何靈長類辨識臉部的能力如此高明,以及我們如何能用一小群臉部辨識神經元來分辨無以計數、形形色色的臉孔。


這些研究結果最近發表在《細胞》(Cell)期刊,提供科學家在研究大腦如何辨識臉孔方面一個詳盡且有系統的模型。他們說,人腦的機制在這方面與猴子十分相似。功能性磁共振造影(fMRI)研究也發現,我們腦中臉部辨識區的反應與猴腦大同小異,只不過神經元數目可能有所不同。


加拿大多倫多大學研究人腦臉部辨識區的神經科學家奈斯特(Adrian Nestor),並未參與這項研究。他評論,了解大腦的臉部辨識編碼,可幫助科學家研究臉部辨識神經元如何納入其他資訊來協助辨識,例如性別、年齡、種族、姓名與情緒線索,甚至還能藉此架構釐清大腦如何處理非臉部的形狀。他解釋:「這個謎團終究不只與臉部有關,我們希望可把此神經編碼套用在所有物體辨識上。」


更多相關文章

2017年9月187期好奇心丈量太陽系 卡西尼號 雜誌訂閱

本期最新文章