Лицо в пятидесяти измерениях

Нейробиологи давно бьются над проблемой, как мозг идентифицирует сложные объекты. Этот процесс, как они полагают, происходит в нижневисочной коре, однако его механизм оставался неизвестным. Определенную ясность внесли результаты, полученные в Калифорнийском технологическом институте под руководством профессора биологии и биоинженерии Дорис Цао (Doris Tsao). Как оказалось, мозг идентифицирует лица с помощью примерно 200 клеток по 50 параметрам. По мнению исследователей, этот механизм весьма прост и эффективен.

Мозг обладает великолепной способностью различать лица и другие сложные объекты. Вот уже несколько десятилетий учёные безрезультатно бьются над задачей и пытаются понять, как происходит такое распознавание — как кодируются и хранятся изображения в мозге. Согласно общепринятым представлениям, процесс распознавания (идентификации объектов) происходит в нижневисочной коре, то есть инферотемпоральной зоне головного мозга. Но до сих пор оставалось непонятным, какую роль в кодировании данных играют отдельные нейроны и какое количество нейронов, собственно, задействуется в процессе.

Двое биологов из Калифорнийского технологического университета опубликовали научную работу, которая во многом проливает свет на то, как работает головной мозг приматов, в том числе человека. Учёные считают, что расшифровали код, которым в мозге кодируется информация о лицах. Доказательством является то, что учёные смогли только по сигналу мозга восстанавливать (угадывать) лица, которые видит обезьяна (и, соответственно, человек).

Специалисты провели эксперимент с помощью магнитно-резонансной томографии, считывая сигналы нейронов в области коры головного мозга макак, которая отвечает за идентификацию объектов. Во время сканирования мозга подопытным макакам демонстрировали 2000 немного отличающихся лиц людей. Определяя различия в активности нейронов при визуальной обработке разных лиц, учёным удалось сделать предположения о том, каким образом кодируется сигнал. Судя по всему, система обработки визуальной информации макак очень похожа на человеческую. Согласно результатам исследования, для кодирования информации о лицах достаточно всего 205 (!) нейронов головного мозга (их назвали «лицевыми нейронами»).

Учёные научились предсказывать, какое лицо видит макака, считывая сигнал с 200 «лицевых нейронов» её мозга. Это доказывает, что они корректно определили шифр, которым кодируются характеристики лица в этих нейронах

У социальных приматов, таких как макака и человек, эволюция выработала специальный механизм для быстрого распознавания лиц, потому что от этого навыка зависит выживание животного в социальной группе — мы должны мгновенно отличать друзей от незнакомцев. Секундное промедление может стоить жизни, поэтому мозг научился решать эту задачу быстро и эффективно (то есть те, кто мог выполнять задачу быстро и эффективно — выжили).

Казалось бы, логично выделить по одному нейрону на каждое лицо, ведь в мозге действительно есть специфические нейроны, которые реагируют на конкретных людей (их называют клетками Дженнифер Энистон, потому что их открыли у пациента с эпилепсией, мозг которого именно таким уникальным образом реагировал на фотографии Дженнифер Энистон). Но нет, распознавание лиц в общем случае работает не так, потому что ему нужно обрабатывать в том числе лица, которые он никогда не видел раньше, и здесь тоже важна идентификация «свой-чужой».

У нас система распознавания лиц в мозге состоит из кластеров коры минимум по 10 тыс. нейронов. В каждом полушарии располагается шесть таких кластеров, они находятся около уха.

Как только в поле зрения человека попадается лицо другого человека, электрический сигнал немедленно активирует нейроны в этой области, он проходит через пять или шесть названных кластеров и обрабатывается в каждом из них, прежде чем достигнет «лицевых нейронов». Таким образом, в последних хранится только высокоуровневая обработанная информация о специфических характеристиках лица. И вот эти примерно 205 нейронов кодируют информацию о лицах невероятно простым и абстрактным образом.

Ключевая особенность кодирования информации о лицах в мозге — это сочетания габаритов лица и отдельных объектов на лице (межглазное расстояние и проч.). Всего мозг учитывает около 50 таких параметров при распознавании лиц. В таком «лицевом пространстве» умещается практически любое фактически допустимое количество лиц, так что спутать два лица мозг не может. По мнению учёных, для «лицевых нейронов» есть некое подобие шаблона — что-то вроде «среднего лица», и реакция нейрона на новое лицо является разницей каждой из 50-ти характеристик от этой «базы».

В процессе эксперимента учёные из Калифорнийского технологического университета смогли смоделировать лица, которые отличаются настолько минимально и конкретно, что разница в сигнале составляет всего один нейрон. То есть они смогли понять, какой нейрон отвечает за какую характеристику в распознавании лиц. Каждый «лицевой нейрон» считывает комбинированный вектор примерно шести таких параметров. Например, по одному из параметров лицо отличается от «базы» на пять пунктов, по другому параметру — на минус семь пунктов. Сигнал от 205 клеток вместе создаёт уникальный паттерн конкретного лица.

Как уже было сказано, учёные научились идентифицировать, какие характеристики кодируются какими нейронами. Они смогли синтезировать лица, на которые не будут реагировать конкретные нейроны, и даже угадывать, какое лицо видит макака, просто по сигналу от «лицевых нейронов».

Эксперимент и выводы учёных нуждаются в повторении и проверке, но если они окажутся правдивыми, то мы сможем чуть лучше понять систему шифрования, которая используется в той сложной вычислительной системе, какой является мозг человека и других приматов. Это открытие может найти практическое применение в сфере робототехники и подсказать новые подходы в разработке систем машинного зрения.

Идентификация лица (Chang, Tsao, 2017).
Определенные области коры возбуждаются при виде лица

«Взлом кода для распознавания лиц определённо будет иметь большое значение», — считает Брэд Дюшейн (Brad Duchaine), эксперт в области распознавания лиц из Университета Дартмута.

Самое главное, что учёные получили знак, что распознавание изображений в мозге работает по чётким и понятным правилам. Ведь последние достижения в области нейросетей показали, что после обучения нейросети человек зачастую не может понять, на какие стимулы реагирует нейросеть — это своеобразный «чёрный ящик», который функционирует по непонятным правилам. Появились опасения, что человеческий мозг может представлять собой такую же непостижимую систему. К счастью, это оказалось не так.

Источник:

• Chang L. Tsao D. Y. TheCode for Facial Identity in the Primate Brain // Cell, 2017, 169, 1013—1028, doi: 10.1016/j.cell.2017.011.

• Moeller S., Crapse T., Chang L., Tsao D. Y. The effect of face patch microstimulation on perception offaces and objects // Nature Neuroscience, 2017, 20 (5), 743-752, doi:10.1038/nn.4527