大脑的人脸识别功能

对一个能够区分不同人脸的大脑区域的解码，或许能为意识的本质提供线索。

我们识别和理解人脸的能力很早就开始发展，并且依赖于大脑的特定神经回路。图片来源：考特尼·黑尔/盖蒂图片社

1995年春天，南希·坎维舍获得了使用麻省总医院功能磁共振成像（fMRI）设备的许可。在运用这项新兴技术探索形状视觉感知却进展甚微后，她躺进了这台设备里，凝视着人脸照片，让同事扫描她的大脑。

坎维舍的发现开启了一场长达30年的探索之旅，旨在揭示人类如何完成一项至关重要的社交任务：理解他人的面孔。早期实验显示，大脑中的一个小区域血流量增加，这个区域对人脸图像的反应比对随机物体的反应更强烈。坎维舍在2017年关于这项工作的回顾文章中写道，第一次扫描显示 “我右半球底部有一个很有研究价值的亮点”。为了确定结果，她让同事反复扫描她的大脑。“令我们高兴的是，这个可靠的小亮点每次都出现在完全相同的位置。”

和其他开创性发现一样，回过头看，坎维舍的发现很有道理。人脸对我们以及我们的灵长类近亲都有着特殊的意义。2001年作为博士后加入坎维舍实验室的洛克菲勒大学的温里希·弗赖瓦尔德说：“我们是社会性动物。人脸在这些社交互动中非常重要，所以找到专门处理人脸的神经回路似乎是很有可能的。”

自坎维舍（如今在麻省理工学院）发现第一个有研究价值的亮点以来的几十年里，这一探索取得了巨大的成功。在人类和猴子身上发现这些特定的人脸识别系统，开启了一个深入的研究方向，解构了大脑如何识别和分析人脸。2024年，这项开创性的工作为坎维舍、弗赖瓦尔德以及加州大学伯克利分校的曹颖赢得了2024年卡弗里神经科学奖。

法国洛林大学研究人脸识别但未参与这项工作的神经科学家布鲁诺·罗西翁说：“南希·坎维舍是一位真正的先驱，她最初的论文被引用了约7000次，这是一个惊人的数字。从那以后，她在定义这些区域在人脸识别中的功能方面发挥了主导作用。”

罗西翁表示，曹颖和弗赖瓦尔德随后的工作，定位了猴子大脑中对应的人脸识别区域，然后用电极记录该网络中单个神经元的活动，“改变了这个领域，使他们在理解这些神经元如何编码人脸的各种特征方面取得了真正的进展”。

 神经编码

坎维舍的发现特别令人兴奋，因为它们表明大脑的结构可以在功能上进行分区。她在2017年的回顾文章中写道：“这个问题在我们的领域里激烈争论了近200年。现在这里有一小部分大脑，似乎只做一件事：感知人脸。”

然而，在人类大脑中，解码这片区域内的细胞如何完成这一非凡的任务并不容易，因为低分辨率的功能磁共振成像只能检测成千上万神经元的集体反应。这就是曹颖和弗赖瓦尔德的研究切入点。

这两人首先对猕猴进行功能磁共振成像扫描。曹颖甚至联系了麻省理工学院的一位朋友，设计了一个座位，能让猴子平躺在扫描仪里，她说：“这个椅子我现在实验室里还在用。” 在让实验对象舒适地呈俯卧姿势后，曹颖和弗赖瓦尔德很快就找到了一个区域，当给猕猴展示人脸图片时，这个区域会特别活跃。下一步是将电极插入该区域，定位起作用的细胞。

曹颖说：“第一次，我们记录的第一个细胞就对人脸有选择性反应。” 下一个细胞也是如此。

弗赖瓦尔德补充道：“大概到第五或第六个细胞的时候，我们对视了一下，说，‘这太不可思议了！到目前为止我们分离出的所有细胞都对人脸有选择性反应。’”

这一发现使他们能够进行更复杂的研究：确定单个细胞能识别的方向或面部特征，并绘制猕猴面部识别区域系统内的相互连接和功能特化图。

作为加州理工学院的教员，曹颖和她的一名博士后继续发现了人脸的神经编码，设计了一种算法，使他们能够根据仅200个神经元的反应，极其准确地预测猕猴正在看哪张脸。洛克菲勒大学的弗赖瓦尔德团队则确定了大脑中附近对熟悉面孔反应最强烈的区域。

人脸识别的基础

尽管取得了这些惊人的进展，但关于人脸识别仍有许多未解之谜。坎维舍写道：“令人惊讶的是，关于每个区域所代表的信息、它进行的计算以及该区域与大脑其他部分的连接，一些非常基础的问题仍然没有答案。”

就弗赖瓦尔德而言，他着迷于当我们凝视一张脸时，大脑如何处理我们获取的所有信息：“你如何从对一张脸的感知推断他人的情绪状态？他们是生气了？还是高兴？他们在想什么、有什么感觉 —— 以及他们接下来会做什么？” 他还问道，当我们在不同场景下看到同一个人，或者他们剪了头发、摘掉眼镜后，我们是如何准确认出他们的。

达特茅斯学院研究人脸识别的神经科学家布拉德·杜凯恩说：“由于南希、多丽丝和温里希在过去20多年里所做的工作，我们现在更有能力去解决关于面部感知和处理其他方面更复杂的问题。” 理解大脑如何解读面部表情、识别个体以及认出爱人熟悉的笑容，为探索更广泛的认知和记忆过程 —— 甚至可能是意识，提供了一种途径。

曹颖说：“这是我们实验室正在积极研究的一个问题。我们想了解大脑如何获取视觉信息，并利用它生成对世界清晰、连贯的感知。这将为我们理解这些关于认知、语言、意识和思维的高层次问题提供一个切入点。”

而这一切都从人脸开始。罗西翁说：“大脑是一个识别系统，这是它的主要功能。当我们完全理解人类大脑如何识别人脸身份的那一天，我们在理解人类大脑如何工作方面就会取得重大进展。”