识别一张脸需要多长时间?大约250毫秒。只需四分之一秒即可将信息由视网膜,丘脑,然后由皮质处理。在此微小的时间流逝中,对视觉信号进行了许多处理:将面部与场景的其余部分分开,构造独立于距离和视角的面部表示,分析不同的面部特征以及他们的关系。尽管这些操作很复杂,但必须保留所有相关信息以识别个人。最后,将该信息与存储的数据进行比较,以便确定该面孔是否已知,与老化,衣服,化妆品或更换眼镜的影响无关。

让我们搁置所有与被感知者的意图,其心理状态(友好,放松,紧张,疲倦)以及在其余场景进行的治疗有关的并行治疗。所有这一切都在250毫秒内而没有被弄错:我们很少将一个人与另一个人混淆,就像我们很少认识一个认识的人一样。

像在神经科学中一样,与计算机系统的并行是有用的:想象一下,您必须开发一种识别与我们的大脑一样强大的面孔的系统。这是我们现代社会在机场或足球场中提出的非常具体的要求。您需要花费多长时间才能创建这样的系统?没有人能告诉。 50年来一直是研究的主题。已经取得了很大的进步,但是还没有人为的系统能够像我们毫不费力地做到的那样。

神经科学家正试图了解我们的大脑如何进行这些治疗。几种方法方法是可能的。最古老的方法是研究面部识别受损的患者,试图了解其困难的性质,然后将其与脑部损伤联系起来。这种神经心理学的常用方法可以确定特定治疗所必需的大脑区域。例如,对脑损伤患者的研究表明,位于梭状回的后部附近的区域对于治疗面部的感知方面是必需的,也就是说,构成面部的不同元素被组装成一个连贯的整体(梭状回是面部处理中的重要区域,我们将继续讨论)。

患有此类疾病的人患有前瞻性疾病:他们在处理人脸时有特定的困难,而其他类别的物体(动物,植物,物体)的处理是正常的(请参阅第58页上的识别面部) )。相似的研究表明,颞极区对于记忆有关一个人的信息非常重要:例如,埃尔维斯·普雷斯利(Elvis Presley)住在格蕾丝兰(Graceland),他为母亲写了第一首歌,与迈克尔·杰克逊结婚的女孩等出现这些区域病变的患者通常表现为不是人为的停经,而是人们的失明(缺乏知识),而与人的表现方式无关:视觉是面部表情,听觉是面部表情。可以听到声音,或者如果我们说出声音,则可以听到声音。因此,神经心理学使人们有可能识别出给定治疗必不可少的大脑区域,但并未提供有关这些区域之间关系的信息。

另一种方法包括通过功能性神经成像确定在面部识别任务期间系统激活的所有大脑区域。当然,我们在这些领域中发现了神经心理学突出的领域,但也发现了其他一些领域,尤其是海马体,它是个人记忆的基础(也称为情节性)。这些研究表明,人脸识别涉及某些特权区域,但也涉及包含各个区域的广阔网络。不幸的是,这些方法均无法确定该网络的动态性,也就是说,信息如何在该网络中流通。为此,我们需要一种在空间(毫米量级)和时间(毫秒量级)上都精确的方法。

脑立体图:精确的时空

为了解决人脸识别中涉及的大脑区域网络的动力学问题,我们使用了一种原始方法。它包括记录此网络中涉及的大脑区域中神经元的电活动。

一些患者表现出对药物治疗有抵抗力的非常虚弱的癫痫病。一种可能的治疗干预措施是进行神经外科手术以停止癫痫发作。某些癫痫病发作了一个区域网络,必须了解其时空组织,以便划定必须消除的区域,以结束癫痫发作。为此,在外科手术之前的干预过程中,有必要将电极植入可能参与癫痫发作的大脑区域。该方法可以记录一百个区域的同时电生理活动。因此可以识别出由癫痫引起的电异常。此外,在植入电极的同时,可以为患者提供各种认知任务,在此期间临床医生记录由这些任务触发的电活动。在这样的干预过程中-完全无痛-受试者完全清醒并且意识清晰。他可以回答提出的问题。拟议的任务涉及例如语言,记忆或视觉。必须确定这些区域,以便在去除引起癫痫发作的病灶时将其保留下来。

我们为这些患者提供了面部识别任务。我们向他们展示了48位名人的面孔和48位未知人物的面孔。他们不得不说这些面孔是否熟悉。我们记录了每张脸的呈现过程中的电生理活动。然后,对所有正确答案的活动进行平均,一方面针对著名面孔,另一方面针对陌生面孔。该技术使得可以获得诱发电位,即对外部刺激的电响应,该外部刺激的特征在于其潜伏期(呈现刺激后的识别时间),其极性(正或负)及其幅度。 。这些电位的形态使确定面部处理涉及大脑的哪些区域成为可能。 18位患者进行了该实验,我们获得了总计超过2000点的电生理记录,几乎遍布整个大脑。

首先,我们对记录诱发电位的大脑区域感兴趣。我们选择了在至少五名患者中诱发电位具有相同形式的那些。该标准使我们能够验证该电生理活动是受试者之间的可再现现象,因此与癫痫异常或特定的认知治疗无关。然后,我们比较了不同组件的活动,以了解此网络的动态。

我们确定了八个可重复响应面部识别任务的大脑区域:后梭状回,中梭状回,后海马旁回,海旁皮质,颞极,前海马,后海马。以及额下回(见图2)。但是,我们已经记得,后梭形回参与面部的感知处理,颞极参与了有关人的知识的获取。像海马旁回一样,周围神经皮质也参与视觉刺激的高级处理。正如我们已经提到的,海马区是一个在记忆中具有重要作用的区域。下额叶回已在一些面部研究中被发现,尽管其作用仍有待阐明。因此,用我们的方法确定的网络在很大程度上与各种研究人员已经提出的一致。

一个非常动态的网络

我们主要对这些大脑区域之间的电生理活动的动力学感兴趣。结果符合我们的期望。视觉信息通过位于枕叶的主要视觉区域进入大脑皮层,枕叶位于大脑的后部。然后通过向上向颞叶处理,它越来越精细。至少那是许多人在大脑中进行视觉信息处理的示意图:从粗糙到精细,从最后脑区域到最前脑区域的处理。我们的结果表明,该模式仅部分正确。

刺激出现后的110毫秒,梭状回中存在第一个成分。由于这是最靠后的区域,并且最接近初级视觉皮层,因此这是记录最早活动的位置,这是有道理的(请参见图3)。但是,如果我们观察到在其他区域诱发的电位,则可以看到在最…前部区域(即下部额回)同时记录了一个峰值。该违反直觉的结果表明,即使在视觉信息的精细处理区域没有时间进行操作之前,视觉信息也已经到达额叶。

因此,粗略的视觉信息将从后方区域快速投射到前部区域,以便优先处理在那里。这种预处理将开始从情绪方面或采用的行为方面评估刺激的重要性。然后将这些信息重新投影到可视区域以进行详细处理。因此,在识别面部时进行自下而上的处理,但也可能进行自上而下的处理。处理面部的大脑区域网络在大脑中很快变得非常广泛。

该第一分量在110毫秒后跟随另一个分量在170毫秒。这在面部的电生理学中是众所周知的,因为该峰值通常对面部而言比对任何其他类别的对象更为重要,因此似乎是特定于面部的治疗的真实特征。我们已经在枕颞和颞顶区域的几个位置记录了此分量,这表明形成相对本地网络的一组区域执行了此处理。

240毫秒的分量跟随170毫秒记录的分量。该部分非常引人注目,因为它记录在我们保留用于分析的所有大脑区域中,海马除外。因此,我们此时观察到一个大规模的平行处理,涉及腹侧视觉通路的所有区域。再说一次,毫无疑问是治疗的等级制度,但是我们处于另一种治疗方式的存在,它涉及将整个大脑区域组织成一个网络,并贯穿腹侧视觉通路(请参见图4)。请记住,通常有两种处理视觉信息的方式:腹侧方式(下部),有意识地感知物体的方式和背侧方式(上部)确保空间的位置。

通常,神经心理学可以识别对于给定的认知处理至关重要的大脑区域,这对于我们了解大脑的工作方式至关重要。但是这里提出的研究说明了如何通过改变方法对所研究的认知过程获得不同的理解。所有这些区域都具有240毫秒的组成部分这一事实表明它们属于同一功能系统。它可能是一个主要用于处理对象的系统,包括对象的感知和对象引起的记忆。相反,海马体中不存在该成分的事实可能表明该结构属于另一个系统。海马是一种重要的情景记忆结构,该区域可能不用于处理视觉信息,而是对受试者经历的发作进行编码:它将记住他参与的经历。并且不会参与人脸识别机制。

因此,我们描述了这些皮质区域的几种组织模式,包括升序和降序处理,在本地或广泛分布的网络。而且,这些组织模式本身并不是顺序的。例如,将170毫秒的组件嵌套在240毫秒的组件中,就像海马中的480毫秒的组件涵盖了大多数其他组件一样。因此,网络中的这些组织模式相互作用:不同组织模式内部存在动态关系,而这些模式之间存在动态关系。

从网络到认可

我们的工作阐明了面部处理所涉及的网络的动态性,但是关于识别本身,我们获得了哪些信息?为了了解它是如何发生的,我们将著名面孔的呈现所引起的反应与陌生面孔所引起的反应进行了比较。在所有前颞叶和内侧区域(海马旁回,皮层,大脑皮层,颞极和海马体)的活动都非常不同。所有这些区域都以其参与记忆而闻名。因此,与识别相关的活动在不同的大脑区域显着不同:识别取决于网络而不是特定的大脑区域。识别甚至将是该网络的新兴属性,与这些区域的共同功能相关联(这些不同区域的同时活动将揭示一种新属性,不同于对各个区域活动的简单汇总)。

我们记录的与识别相关的活动是特定于面部的还是与适用于任何对象的更一般的机制相关?为了回答这个问题,我们要求受试者执行第二次识别任务,其中我们使用了不同的刺激。受试者看到了一系列必须记住的抽象图像。几分钟后,他们将这些图像与从未见过的其他图像混合在一起,以识别这些图像。手头的任务与面部完全相同:说出所提出的刺激是否熟悉。

这些抽象刺激在与面部相同的区域中引起响应,这表明突出显示的区域网络通常很好地参与了对象的处理和识别。尽管如此,仍观察到重要的差异,表明该网络根据刺激的类别而专门化。在梭形回的两个区域之一中,尤其是在170毫秒处与面部相关的分量要大得多。此外,我们记录了纺锤形回旋中熟悉和不熟悉的抽象刺激之间的差异,但与面部不同,在前部没有一个。

这实际上是一个非常合乎逻辑的结果,因为大多数名人已被背诵很长时间,并且可能激活了与该人的姓名,自传知识等相关的复杂知识体系。相反,抽象刺激只是在实验之前就学会的,几乎没有语义价值。尽管如此,这些结果表明视觉刺激的识别是一个复杂的现象,取决于刺激的性质,可能取决于不同的大脑区域。

本地还是网络?

最终,这项研究说明了一种动态且联网的大脑功能的新方法,而不是专注于单个区域。神经科学研究的部分困难在于将对大脑活动的这些看法集中在一起。当我们对越来越小的尺度,例如神经元甚至离子通道的尺度越来越感兴趣时,这一困难就更加突出了。回到计算机的隐喻,我们会考虑通过创建人脸识别的人工系统来开发在网络上运行的系统吗?可能不会。我们宁愿采用局部方法:将为处理器分配特定功能。也许这是当前人工系统不可靠的原因之一。

识别抽象刺激的区域与识别已知面孔时激活的区域非常不同的事实表明,著名面孔实际上可能只是面孔的一个非常特殊的类别。如果我们提供熟悉的人,配偶,父母或同事的面孔的照片,我们会得到相同的结果吗?这些面孔与名人的面孔不同,经常出现在许多不同的场合。最新结果表明,在识别名人或与之相近的人的面孔时,感知处理和激活的网络有所不同。


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