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Cell:美学者解密面孔在大脑中的编码

摘要 : 2017年6月1日,国际著名学术杂志《Cell》杂志在线发表了美国加州理工学院生物工程Doris Y. Tsao教授的一篇研究论文,研究报道科学家已经了解灵长类动物大脑中的人脸识别编码系统。

2017年6月1日,国际著名学术杂志《Cell》杂志在线发表了美国加州理工学院生物工程Doris Y. Tsao教授的一篇研究论文,研究报道科学家已经了解灵长类动物大脑中的人脸识别编码系统。

当你看人面照片时,大脑会立刻识别出照片上的人是谁,或你之前是否见过。近年来,神经学家一直试图弄清大脑是如何识别和感知人脸的。

“我们发现,这个编码系统非常简单。”Doris Tsao教授说,“我们发现,当一只猴子看到一张面孔时,其大脑中仅有205个神经元参与了相关编码过程。”

在更早的研究中,Tsao团队使用功能性核子共振成像技术识别了人类和其他灵长类动物大脑中负责识别面孔的区域。他们将这6个位于下颞皮层的区域称为面孔补丁。进一步研究显示,这些区域塞满了特殊的神经细胞。

在新研究中,Tsao及其博士后研究员Steven Le Chang发现,每个面部识别细胞代表了一个多维空间内的特定轴线。研究人员将这个空间称为面部空间。与红蓝绿光以不同的方式相结合能产生不同的颜色类似,这些轴线以不同方式组合在一起能出现每个可能的面部。

研究人员表示,一张人脸如果可以分解成50个维度。那么25维与形状有关,例如眼睛之间的距离或发际线的宽度,而另外25维与形状无关,主要代表外貌特征,例如肤色和纹理。

Tsao团队将电极插入猕猴大脑中,记录了面孔补丁区的面部识别细胞的信号。结果发现,当一个面孔被投摄入50维面部空间内的单个轴线时,每个细胞被成比例激发。

于是,研究人员研发出一种算法,以解码面部识别的神经响应。结果显示,猕猴的2个面部补丁区的细胞就足以重建面部—— 一个区域有106个细胞,一个有99个。

据介绍,该成果不仅对神经编码研究意义重大,还能应用于人工智能领域。

原文链接:

The Code for Facial Identity in the Primate Brain

原文摘要:

Primates recognize complex objects such as faces with remarkable speed and reliability. Here, we reveal the brain’s code for facial identity. Experiments in macaques demonstrate an extraordinarily simple transformation between faces and responses of cells in face patches. By formatting faces as points in a high-dimensional linear space, we discovered that each face cell’s firing rate is proportional to the projection of an incoming face stimulus onto a single axis in this space, allowing a face cell ensemble to encode the location of any face in the space. Using this code, we could precisely decode faces from neural population responses and predict neural firing rates to faces. Furthermore, this code disavows the long-standing assumption that face cells encode specific facial identities, confirmed by engineering faces with drastically different appearance that elicited identical responses in single face cells. Our work suggests that other objects could be encoded by analogous metric coordinate systems.

来源: Cell 浏览次数:0

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