人類早就演化出了識別並記憶不同面孔的能力。我們能在擁擠的餐廳或熱鬧的大街上一眼認出朋友的面孔。只需一瞥就知道一個人興奮還是憤怒，高興還是難過。
腦成像研究發現，大腦顳葉（位於太陽穴下方）有一些藍莓大小的區域專門負責面部識別。神經科學家稱這些區域為「面部識別塊」（face patches）。然而，不管是對病人進行大腦掃描，還是植入電極進行臨床研究，都無法準確解釋這些區域的細胞是如何工作的。
現在，通過運用大腦成像和單神經元記錄（single-neuron recording）技術對恆河猴進行研究，加州理工學院的生物學家曹穎（Doris Tsao）和同事終於破解了靈長類動物面部識別的神經機制。研究人員搞清楚了「面部識別塊」中每個神經元對某一特定面部特徵進行編碼時產生的電信號的特徵。就像電話的撥號盤一樣，這些細胞會對外界信息作出響應，以不同的方式組合，在大腦中產生靈長類動物看到的每張面孔的圖像。曹穎說：「這太令人興奮了。撥號盤上每個『按鍵』的值都是可以預測的，因此直接追蹤面部識別細胞的電活性，我們就能重建出恆河猴看到的面孔。」
圖中綠色區域即為顳葉。
其實，在早前的研究中，科學家已經初步發現大腦中「面部識別塊」的特殊功能。本世紀初，曹穎還是哈佛大學醫學院的博士後研究員時，她和電生理學家（electrophysiologist）溫裡奇·弗賴瓦爾德（Winrich Freiwald）就發現，每當猴子看到一張臉部照片，「面部識別塊」中的神經元就會產生電信號。不過，這些細胞對其他事物（如蔬菜、收音機或身體非面部部位）的照片卻幾乎沒有反應。另一些實驗則表明，這些區域的神經元能夠識別不同的臉孔，即便是卡通人物。
在2005年一個著名的以人為研究對象的試驗中，神經科學家羅德裡格·奎安·基羅加（Rodrigo Quian Quiroga，目前就職於英國萊斯特大學，未參與上述新研究）發現，演員珍妮弗·安妮斯頓（Jennifer Aniston）的照片可以激發海馬區的一個獨立的神經元，也就是所謂的「珍妮弗·安妮斯頓神經元」（Jennifer Aniston neuron）。奎安·基羅加說，顳葉其他地方的神經元也可能出現相似的現象，學界的主流觀點認為，「面部識別塊」中的某一神經元只對某幾個特定的人敏感。但曹穎最近的研究表明，這個觀點可能是錯誤的。奎安·基羅加說：「曹穎已經證明，『面部識別塊』的神經元對應的並不是特定的人，它們編碼的只是某些面部特徵。這完全顛覆了我們對面部識別的理解。」
為了搞清楚神經元是如何完成識別工作的，曹穎和博士後研究員常樂（Steven Le Chang）準備了2000張帶有50種不同特徵的人類面部照片，比如臉型、目距、膚色、膚質等各不相同。他們把照片給兩隻猴子看，同時記錄每隻猴子的3個「面部識別塊」神經元的電活性。
研究人員發現，每個神經元都只對一個面部特徵作出響應。常樂表示，與海馬區裡的能夠編碼整張面孔的「珍妮弗·安妮斯頓神經元」不同，「面部識別塊」神經元將圖像分解成更小的區域，並對髮際線寬度等具體特徵進行編碼。並且，不同「面部識別塊」的神經元會編碼「互補」的信息。就像工廠裡的工人，各個「面部識別塊」負責不同的工作，它們互相合作、交流信息，共同拼湊出完整的圖像。
常樂和曹穎搞清楚這些神經元是如何分工，「工廠」是如何運轉的之後，就能夠通過神經元的活動情況，還原出面孔的模樣了。他們先是構建了一個不同神經元編碼面部特徵的數學模型，然後向猴子展示一張它從未見過的人臉照片。結果發現，運用他們發現的神經元編碼規律，研究人員能夠在電腦中重建猴子看過的圖像。曹穎說：「重建結果非常準確。」實際上，他們甚至很難將猴子看過的照片和重建的照片區分開了。
曹穎說，更令人驚嘆的是，研究人員只需要讀取相對較少的神經元便可準確地重建猴子看到的面孔。記錄205個細胞——一個識別塊中的106個細胞和另一個塊中的99個細胞——就足夠了。曹穎說：「這表明基於面部特徵的神經編碼方式非常緊湊、高效。」這或許解釋了，為什麼靈長類動物如此善於臉部識別，以及為何我們沒有同等數量的面部識別細胞，卻擁有區分數十億人面孔的潛能。
這項發表在《細胞》雜誌上的研究，為科學家理解大腦如何識別面孔這個問題，提供了一套普適、系統性的模型。功能性磁共振成像（fMRI）實驗表明，人類的大腦結構和猴子非常相似，人類的「面部識別塊」對圖像的編碼方式也與猴子非常相似。不過，人類「面部識別塊」的數量可能跟猴子的不同。
加拿大多倫多大學研究人類「面部識別塊」的神經科學家阿德裡安·內斯特（Adrian Nestor，未參與此項研究）表示，理解大腦如何進行面部識別，有助於幫助科學家研究面部識別神經元是如何識別其他信息的，比如性別、年齡、種族、情緒和姓名。新研究甚至能提供一種研究範式，幫助我們弄清楚大腦如何識別身體其他部位。內斯特解釋道：「說到底，我們需要了解的不僅僅是面部識別機制。如果這種神經元編碼方式能夠擴展到全身的識別，那就太好了。」
撰文：克努爾·謝赫（Knvul Sheikh）
翻譯：顏磊
文章來源：環球科學