Нейрофизиологи из Калифорнийского Технологического института впервые детально описали механизм, с помощью которого человеческий мозг распознает лица. Оказалось, что принцип его работы похож на распознавание более простых характеристик, таких как цвета и формы объектов. За каждую конкретную черту отвечают свои нейроны, и их комбинированный сигнал позволяет человеку проанализировать увиденное и выяснить, например, знакомо ему это лицо или нет. При этом установить, что именно мозг считает «чертой», ученые смогли лишь в процессе машинного обучения. Исследование опубликовано в Cell.

На сегодняшний день ученым известно, какие нейроны в мозге отвечают за распознавание цветов, форм и размеров. Но как происходит быстрая, практически мгновенная оценка сложных объектов, — таких как человеческие лица, — до сих пор оставалось неясным. Ряд исследований показал, что в ходе процесса распознавания лиц в мозгу активируются специальные участки, работающие, по-видимому, исключительно для выполнения этой задачи. Однако было непонятно, как именно устроена их работа: активируются они в ответ на распознавание конкретных или похожих лиц и насколько большой объем информации они, таким образом, хранят.

Предыдущие работы, в ходе которых ученые пытались менять параметры «вручную», предлагая испытуемым посмотреть на изображения людей с разными размерами рта или глаз, не позволяли получить сколько-нибудь исчерпывающие данные. Проблема состояла в том, что черты лица трудно поддаются словесному и параметрическому описанию, и при оценке лиц мозг пользуется какими-то другими критериями, которые не удавалось задать в виде набора простых характеристик.

Верхний ряд: оригинальное изображение и его реконструкция; на графиках: распределение нормализованных параметров лица по изображениям и длина векторов в 50-мерном пространстве параметров; D – примеры лиц с одним удвоенным значением параметра; Е – варьирование параметров. Le Chang and Doris Y. Tsao / Cell, 2017

Чтобы обойти это затруднение, авторы новой работы воспользовались методами машинного обучения. Обработав 200 лиц, компьютерная программа сама «поняла» основные параметры, по которым они различаются. Таких параметров оказалось около пятидесяти. Около половины из них касались форм объектов, остальные описывали их цвет и текстуру. Комбинация всех параметров позволяла получать упрощенное изображение, вполне похожее на настоящее лицо. В восьмидесяти процентах случаев люди, которым показывали такие изображения, правильно соотносили их с прототипами.

Далее ученые решили выяснить, как участки, активирующиеся при распознавании лиц, будут реагировать на изменения этих параметров. В качестве испытуемых в ходе эксперимента использовали двух макак, к мозгу которых были подключены электроды. Им показывали две тысячи изображений лиц, варьируя их по всем параметрам, после чего обрабатывали полученные сигналы, представляя реакции нейронов как векторы в 50-мерном пространстве.

Выяснилось, что около сотни нейронов из тех участков, которые участвуют в распознавании лиц, проводят в ходе этого процесса высокоорганизованный детальный анализ, причем разные нейроны отвечают за обработку разных черт лица. Если черта, за которую отвечает конкретный нейрон, изменяется, то этот нейрон активируется и передает соответствующий сигнал дальше по нейронной сети; если же меняются другие черты, то он остается в неактивном состоянии. Таким образом, у каждого нейрона или группы нейронов есть своя задача, не зависящая от окружающих. Итоговый комбинированный сигнал всех этих нейронов и дает результат, который соответствует или не соответствует знакомому лицу.

Интересно, что это открытие не наделяет такие нейроны какими-то особенными свойствами — напротив, получается, что их работа не слишком отличается от работы остальных чувствительных нейронов мозга, хотя раньше предполагалось, что в распознавании лиц кроется какой-то иной, гораздо более сложный механизм. Авторы приводят в пример уже описанный механизм распознавание цветов — в нем нейрон, отвечающий за узнавание, например, красного цвета, одинаковым образом реагирует на оранжевый и фиолетовый цвета, потому что красная компонента в них одна и та же.

Принцип распознавания лиц, таким образом, открыт, но конкретные его детали еще предстоит выяснить, например, связать определенные нейроны с распознаванием конкретных параметров — пока эта связь понятна только в общих чертах. Параллельно ученые ведут и другие исследования механизмов распознавания зрительных образов. Например, о том, как вырабатывается умение распознавать лица после периода долгой слепоты, можно прочитать здесь.

Автор: Анна Казнадзей