资讯
首页  >  专题  >  环球科学  >  环球科学<最强大脑>

脸,本我之相

来源:

MICHAEL WOLOSCHINOW作品

看见朋友微笑、皱眉时,你的大脑会怎样反应呢?

人类标签的序列号就是面相,即各种面部特征的组合,它纯属偶然,却不可重复。——米兰•昆德拉,《不朽》,1988.


脸就像胶水一般把人黏合成一个整体,并赋予其特征。除了有视觉障碍的人和盲人,我们都擅长看脸来识别特征、性别、年龄和种族。只需瞥见对方的脸,第一印象就是觉得他“有魅力”或“有能力”。新生婴儿也常会注视周围人的脸。这种偏倚还出现在艺术品中。比如,绘画和影视作品中满是一张张凝视观众的脸。谁能忘记在瑞典导演英格玛•伯格曼(Ingmar Bergman)的阴暗主题杰作《婚姻场景》里那些没完没了的夫妻争吵的特写镜头呢?


辨别面相对人们的社会生活极其重要,因此,大脑皮层(高度复杂的沟回构成脑的主要部分)的大部分区域会专注于某项任务也就不足为奇了,况且该任务对处理脸部及其特征有决定性作用。不管某人长得是否顺眼,我们总会记下他的相貌。无论面部表情传达的是愉悦、恐惧还是愤怒,我们总要区分它们。实际上,脑功能成像已经帮助识别了大脑皮层邻近区域,即纺锤状脸部区域(the fusiform face area,英文简称FFA),该区域位于大脑左右两侧,在大脑皮层颞叶底部。当受试者看着肖像、脸部特写甚至只是想着这些图像时,纺锤状脸部区域就会处于活跃状态。


刚刚发表的两项关于大脑视觉网络的研究(包括对纺锤状脸部区域的研究),使我们更多地了解了人脸识别的物理基础。两者都以对药物产生抗药性的癫痫病人为实验对象,作为探索大脑的独特渠道。某种外科疗法发现了大脑中标志着癫痫发作的高度同步性活动发生的部位,该活动早在病变点逐渐扩散并吞噬某一个(有时甚至是两个)脑半球之前就开始了。如果能找到导致癫痫发作的中心点,并摘除,癫痫发作频率就会明显减少,有些病人可终生治愈。为了将中心点所在区域划分成三角形,神经外科医生在脑中插入电极,以监控癫痫发作时的脑电活动。


该临床计划开启了以上两个相关却截然不同的研究,而这两项研究提供了有关如下两种疑问的新细节:大脑是否如相机一样采集真切的人脸图像?抑或脸部图像是由大脑皮层上的神经元细胞合成?

克林顿“变脸”,成小布什

图片来源:多丽丝 Y.曹(Doris Y.Tsao)与玛格丽特 S.利文斯通(Margaret S. Livingstone)的“人脸识别机制”(“Mechanisms of Face Perception”),刊登于2008年7月第31卷Annual Review of Neuroscience。


为了描述第一个实验,最佳办法是在此重构发生在受试者身上的一切。保持眼睛盯着上方(这里根据排版而定)人物图像顶部的红方点,时间不要超过一分钟,你眼角的余光能看到左边的比尔•克林顿(Bill Clinton)总统和右边的继任总统乔治•沃克•布什(小布什,George W. Bush)。现在,迅速将目光转移到底部的红方点,并记住你此刻看到的图像。不要迟疑,动作迅速!多数人会看见下面的两张头像中左边是小布什,右边是克林顿。但当你比对这两张脸时,会发现它们是一样的,只不过两位总统的五官略有变换。我们就称这个混合人像为克林什,美国第42.5任总统。这种错觉是一种普遍现象,即感觉适应,是标志性的思维方式之一。在你凝视一张脸时,辅助人脸识别的神经元机制经历了再校准过程。看同一幅图像越久,图像的变化就越大。所以,当你盯了一会儿克林顿,然后迅速瞥一眼克林什,你看到的却是小布什,尽管错觉很快就会消失,图像又会变得似是而非。


无数构成大脑视觉区的神经细胞是怎样对面部图像产生反应的呢?早前说法是,和眼睛对应的大脑部位,接收到看见的任何事物,眼内神经元都会对图案的明暗作出反应。也就是说,神经元记存了外部世界的图像。但在大脑上部的某处,当受试者看着克林什的脸时,必定有神经元在主动构建头脑里缓存的图像,至于该图像是小布什还是克林顿,就要看具体情况了。


该研究由罗德里格•基安•基洛加(Rodrigo Quian Quiroga,来自英格兰莱斯特大学)、亚历山大•克拉科夫(Alexander Kraskov)、弗洛里安•莫曼(Florian Mormann)三人进行,他们当时都是美国加州理工学院的实验室成员,而本人是加州理工学院的一名教授,主管该实验室。此项目由加州大学洛杉矶分校的神经外科医生和神经学家伊查克•弗莱德(Itzhak Fried)与我二人监督。弗莱德将细如毛发的电线丝植入加州大学洛杉矶分校大卫格芬医学院的病人脑中。这些电线丝帮助研究员监视内侧颞叶中单个神经细胞的电活动,同时探测某种神经元,它们会对某个人的脸部识别做出大于对另一个人的反应。


前几年,就在进行该实验时,我们发现了只对各种特定人物图像产生反应的神经元,这些人物都是病人熟悉的政治家、名人或家人。其中第一类有这种特征的神经元只有在病人看见克林顿的肖像或卡通形象时才会有放电反应。另一类神经细胞在病人看到好莱坞演员詹妮弗•安妮斯顿(Jennifer Aniston)时会有所反应,而且不会受到她改装换发的影响。事实上,这类神经元已经“记住”了她的名字。有些神经元不仅对特定的、熟悉的人物图片有反应,当看到或听到这些人的名字时,神经元也会有反应。


在目前的实验中,研究员对某个选择性放电的细胞进行跟踪记录,该细胞只在受试者看见克林顿图像时会有反应。接下来,他们要求病人看小布什图像4秒,该细胞几乎毫无反应。这表明,此细胞倾向于对克林顿图像产生反应。之后,混合图像克林什立刻闪现在屏幕上,病人必须要从写着“我看见克林顿”和“我看见小布什”的两个按钮中选择一个。正如有可能在之前的试验中发生的那样,科学家证实,如果先让病人看小布什的图像4秒,他在看克林什图像时更可能看见克林顿,反之亦然。


被跟踪记录的神经元是如何反应的?它们是否只关注眼前的实物,还是会对病人头脑里自觉形成的图像有反应?如果前者是事实,那么不管病人识别出的是克林顿还是小布什,这些神经元应该会对模棱两可的混合图像做出一样强烈的放电反应。但如果这些细胞遵循病人的认知,无论是看着上方明确的图像,还是下方的克林什,只有当大脑视觉区神经细胞受到它们更偏爱的图像刺激时,它们才会反应。就是说,当“变脸”图像被识别为小布什后,倾向克林顿图像的细胞不会放电,反之,若该图像被辨识为克林顿,那么这些细胞则会处于活跃状态。实验结果亦是如此。


对10位病人62个神经元的研究显示,和相反的识别结果(即病人在看变换图像时,辨别出的是神经元不关注的脸)比较,当病人识别出神经元倾向的脸时,神经元对变换图像的反应明显强烈许多。当然,从数据统计上看,只要受试者说他看到的是克林顿(小布什),那么神经元对克林顿(小布什)和克林什的反应强度就难以区分。换言之,这些神经元(分布于接收纺锤状脸部区域输入信息的部位)要不就直接参与识别“克林顿”或“小布什”的头脑决断,要不就实际生成脸部识别的意识经验。


为了区分以上两种可能,有必要采取人为手段诱使这些神经元放电(还记得电影《黑客帝国》里的技术吗),然后询问受试者是否看见了某物。另一种方法是干扰神经元放电,以此判断这种微扰是否会影响病人的脸部识别过程。

从相关关系到因果关系

第二种方法促使斯坦福大学神经学家约瑟夫•帕维兹(Josef Parvizi)、心理学家卡兰尼•葛里奥‐斯佩克特(Kalanit Grill-Spector)以及他们的同事进行了一项针对10名癫痫病人的研究。罗恩•布莱克威尔(Ron Blackwell)是其中一名病患,当他儿时就开始服用的药物无法控制癫痫发作后,他来到帕维兹在斯坦福的诊所。为了找出诱发癫痫发作的源头,同时在不会造成功能严重受损的前提下,确认邻近的哪块组织能通过外科手术摘除,帕维兹团队在布莱克威尔的脑中植入了所谓的硬膜下颅内电极,不仅可以监视神经活动,还能运用电流刺激大脑邻近部位。


利用植入电极绘制电子图,以及使用较常见的磁性扫描仪进行全脑功能成像,两种办法都识别出了位于布莱克威尔两个脑半球皮层上纺锤状脸部区域内的一片对脸部反应强烈的部位。当电极产生的电流干扰了正常电活动(该活动起到连结脸部选择性反应神经元网络的作用)时,布莱克威尔会有什么反应呢?而对脸部选择性反应区域的了解给临床医生一个难得的机会对此加以测试。


在视频中可以看见帕维兹正在与病人对话,“看着我的脸,在通电时告诉我它有什么变化。”第一次试验时,帕维兹医生假装注入了电流,布莱克威尔只摇了摇头,低语道,“没什么变化。”但当4毫安电流通过电极注入大脑时,布莱克威尔说,“你好像变成了另外一个人。你的脸变形了,鼻子下垂,还向左歪了,看上去像我以前见过的一个人,但是又有些不同。这肯定是错觉。”


在7个真实试验中,受试者都感知到观察对象发生了脸部扭曲,但是在4个虚假试验中都没有这种感知。这种扭曲仅限于脸部,而且,当布莱克威尔看电视屏幕上的人脸时,他不会看到脸部扭曲。同样,给邻近区域内的电极通电时,这种脸部扭曲的感知也不太会发生。“只有你的脸变了,其他一切都没变,”布莱克威尔强调。以另外9名病人为对象重复该步骤时,结果都如出一辙。


不过,另一种现象却越发明显:大脑视觉网络对人脸识别的操控具有惊人的不对称性。用电流刺激植入右侧梭状回内层的电极(左侧对应部位不通电),只在此时,才会引发扭曲的人脸识别。对左侧梭状回施加电流刺激,一种结果是不造成任何感知变化,另一种结果是会出现非常低级的变化,即所谓的光幻视,例如眼冒金星、看见飘忽不定的蓝白色球体和闪光,但受试者感知到的脸部特征并无改变。


虽然脑功能成像和电子记录准确定位了左右两侧纺锤状脸部区域上对脸部图像反应大于非脸部图像,但刺激该部位时,受试者感知到的脸部特征保持不变。因此,这个出色的实验给我们的第二个经验教训就是它涉嫌把全部注意力集中于大脑某个区域或神经细胞,并且由于该区域或神经细胞与看脸、回想糟糕经历、做决定有对应关系,可见,它必定参与了人脸识别、记忆与决定的过程。科学家总会说“相关关系不意味着因果关系”。


神经元就像紧密编织的花毯,解开它并发现其中的奥秘是科学家在划分脑与意识,连接物理反应与短暂、主观、自觉的体验时面临的一大挑战,也是最现实的问题。


关于作者:
本文作者克里斯托夫•科赫(Christof Koch)是西雅图艾伦脑科学研究所的首席科学家,同时任职于《科学美国人Mind》杂志(《科学美国人》关于脑科学,神经科学,以及心理学的特别分刊)的顾问委员会。

补充文献:
Mechanisms of Face Perception. Doris Y. Tsao and Margaret S. Livingstone in Annual Review of Neuroscience, Vol. 31, pages 411–437; July 2008.
Electrical Stimulation of the Left and Right Human Fusiform Gyrus Causes Different Effects in Conscious Face Perception. Vinitha Rangarajan et al. in Journal of Neuroscience, Vol. 34, No. 38, pages 12,828–12,836; September 17, 2014.
Single-Cell Response to Face Adaptation in the Human Medial Temporal Lobe. Rodrigo Quian Quiroga et al. in Neuron, Vol. 84, No. 2, pages 363–369; October 22, 2014.



注:本文英文名为“The Face Is an Entryway to the Self”,最初发表时题为“The Face as Entryway to the Self”。



翻译:辅平萍
审稿:梁诺

本文来自:
特别声明:本文转载仅仅是出于科普传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或其它相关事宜,请与我们接洽。
[责任编辑:系统管理员]
分享到:
文章排行榜
©2011-2025 版权所有:中国数字科技馆
未经书面许可任何人不得复制或镜像
京ICP备11000850号-1 京公网安备11010502039775号
信息网络传播视听节目许可证0111611号
国家科技基础条件平台
./t20150208_341466_taonews.html