“好像在哪見過你”現在有了科學解釋,一群腦細胞幫你回憶那張臉

2021年07月10日10:39

原標題:“好像在哪見過你”現在有了科學解釋,一群腦細胞幫你回憶那張臉

博雯 豐色 發自 凹非寺

量子位 報導 | 公眾號 QbitAI

見到某張熟悉的臉,腦中先是響起了“我好像在哪見過你”的旋律。

下一秒,大腦就把與這張臉有關的各種記憶和感情都塞了過來。

能將人臉視覺信息與相關的記憶和情感關聯起來,這肯定是某種神秘的腦細胞幹的。

聽上去像是句眾所周知的廢話。

但實際上,全世界的神經科學家們從上世紀60年代開始找,找了半個多世紀,都沒能發現這種“人臉記憶細胞”的蹤跡。

今天,終於有一群研究者們拿出了正確答案。

他們找到的,並不是某一種腦細胞。

而是大腦某片特定區域中的所有細胞!

△該項研究已登上Science

從「祖母細胞」開始的探索

神經科學家們60多年的探索,開始於1968年的祖母細胞假說。

這一學說認為,當你看到、聽到、或想到你的祖母的臉時,大腦某處的一個神經元就會“叮”的一聲亮起來。

也就是說,你所熟悉的每一張臉,在大腦中都有一個對應的“專屬神經元”。

只要通過這一神經元,人臉的視覺信息就能轉化成對人臉身份識別,以及與之相關的記憶和感情。

但這種一對一的人臉記憶模式能編碼的信息顯然是有限的,這並不符合實際。

更何況祖母細胞自提出以來就一直在找,但一直沒找到……

後來還有一些類似的假說細胞,但也只停留在“假說”階段而已(因為都沒找到)。

而對這些假說細胞的尋找,主要就集中在大腦的顳(niè)極(Temporal Pole)區:

這是大腦中一個負責長期記憶、語言理解和情感聯想的區域。

雖然在這裏並沒有找到所謂的“人臉記憶細胞”,但隨著不斷的搜尋,科學家們還是發現了越來越多與人臉識別/記憶關聯緊密的子區域。

於是,神經科學家Freiwald和他的同事們重新將目光投向了顳極。

並重點選擇了TP和AM兩個子區域進行實驗:

和前人一樣,Freiwald團隊並沒有發現某一個吞入人臉信息就能吐出記憶與情感的神奇細胞。

但他們發現了一群。

只要看到祖母,就會有一大群神經元不斷點亮。

這裏有一片「祖母臉區」!

恒河猴,你怎麼看?

所以是怎麼實驗的?

研究人員決定讓兩隻恒河猴來看一看。

△恒河猴右半腦圖像

看什麼呢?

包括人臉、猴臉、身體、物體、灰色背景五類圖像在內的205張圖像集。

而每一類中還分別包含了猴子熟悉和不熟悉的圖片。

研究人員想知道,大腦中這兩個區域對臉部信息,尤其是對熟悉臉部信息的視覺反應性如何。

通過功能性磁共振成像(FMRI),可以看到TP區細胞只對熟悉猴臉產生視覺反應:

而在同時面對人臉和猴臉時,比起AM區,TP區域細胞還會對熟悉猴臉展現出更強的視覺選擇偏向性:
看起來,這個TP區域確實與人臉視覺存在著某種關係。

但人類對面部的識別或記憶,常常面臨著更加複雜的情況。

假如我今天碰到了熟悉的基友和陌生的鄰居,明天又碰到了熟悉的男(女)神和陌生的前任呢?

只有面對新數據集也能重新響應的細胞才是真正的“人臉記憶細胞”!

於是,研究人員為猴兒們更換了一組同時包含熟悉與陌生圖片的新數據集。

結果是,即使讓兩個區域中的細胞都從一個特定的可見度閾值開始重新響應,它們也都發生了視覺反應:

並且,在將細胞突發反應擬合為一個函數後,兩個區域的函數還存在差異:

雖然都對熟悉面孔和不熟悉的面孔作出了非線性的視覺反應,但TP區域中對熟悉面孔的非線性反應更高。

好,社交圈龐大的現充情況考慮完了。

還有五米之外人畜不分的廣大近視人群呢?

高斯模糊,走你!

而面對經過模糊處理的圖像,AM區域細胞根本就沒有發生視覺反應。

只有TP區域的細胞對熟悉面孔產生了非線性的視覺反應:

最後,再來試試從部分特徵識別和記憶人臉的能力。

畢竟對人類來說,如果是非常熟悉的人,就算只看臉型或部分五官也能認得出來。

因此,研究人員將完整的面部分割成不同的特徵:比如包含臉部輪廓的外部臉、僅包含內部特徵、其他五官。

而在這種情況下,TP區域細胞依舊表現出了非常強的視覺反應:

通過上面這些實驗,可以看到TP區域中的細胞整體呈現出三個特點:

對熟悉的臉表現出視覺反應

對熟練的臉進行分類和單獨編碼

擁有人臉識別的關鍵功能

那麼AM區域就沒用了?

不。

Freiwald團隊認為AM區域可能會通過短延遲細胞群集向TP區域提供面部識別信息。

即負責“初見”。

而對於“再見”,即我們所說的“熟悉感”的由來,就要由TP區域來對熟悉臉部產生視覺反應,並存儲臉部信息的長期語義了。

所以,研究人員認為TP和AM兩個區域在功能和結構上或許是平行運行,且互相協作的。

簡單來說,就是接收到臉部視覺信息的輸入後,兩個區域中的無數神經元構成的網絡就開始互相作用。

而由於顳極傳遞並處理臉部信息的速度驚人,所以可能只是一瞬間,就產生了輸出:

即輸入臉部信息所對應的身份ID、相關的記憶視頻、抽像的情緒感覺。

就像我們看到一個人,就能瞬間辨認他的身份,並想起與他相關記憶和感情一樣。

現在知道什麼叫做真正的神經網絡了吧。

有什麼用?

首先,臉盲患者可能有救了。

論文作者Freiwald表示:

臉盲可能導致患者的神經衰弱,因為在最糟糕的情況下,他們甚至認不出近親。一些臉盲症患者會同時患有抑鬱症。而我們的這一發現或許對治療臉盲症具有臨床意義。

而且,如果熟悉的同種臉部記憶被儲存在顳極的一個小區域里,那麼附近很可能還存在其他具有類似特異性的模塊。

更複雜的知識系統,例如個人與他們的社會關係,就有可能建立在這些模塊上。

這樣,對於顳極受損之後導致的失認症(如失語、失讀、失聽),這項研究或許提供了一條研究思路。

團隊介紹

此項研究的四位作者全部來自美國洛克菲勒大學。

這是一所世界頂尖的生物醫學教育研究中心,也是世界上人均諾貝爾獎獲得者數最多的研究機構(只招收博士生)。

通訊作者Winrich A. Freiwald,同時也是該校神經系統實驗室的教授。

他還曾在麻省理工學院、麻省總醫院、哈佛醫學院等研究院從事博士後研究。

Sofia M. Landi,同樣也是華盛頓大學博士後機構的研究人員,致力於研究人腦的記憶機製。
Pooja Viswanathan,該校神經系統實驗室的博士後研究員。
最後一位研究員Stephen Serene,是該校的學生。

論文地址:

https://science.sciencemag.org/content/early/2021/06/30/science.abi6671

參考鏈接:

[1]https://medicalxpress.com/news/2021-07-scientists-class-memory-cells-brain.html

[2]https://www.dw.com/en/dont-i-know-you-new-memory-cells-found-in-brain/a-58125742

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