人猴本一家,原來臉孔辨識系統的秘密藏在猴腦裡

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神經科學家利用功能性磁振造影,來觀察「猴腦」在看到熟悉的臉龐時的反應是如何;這時,奇怪的事情發生了!當這些猴子看到這些臉時,他們的大腦突然激起了反應,而且不單單是同一個區塊,而是分佈在大腦九個不同的區域。

科學家稱這些產生反應的區域為「face patches」(臉部辨識區塊),而他們也相信這些區塊是與臉部辨識有關並帶有特定功能的神經網絡。近年來的研究中,科學家漸漸的瞭解了這些區塊各自所帶有的功能,然而關於這些區塊同時產生的作用卻仍毫無頭緒。

至今,我們能夠對於這方面有所認識,都要多虧位在伊朗首都德黑蘭地基礎科學研究中心內的 Amirhossein Farzmahdi,以及其內來自全球各地的工作夥伴。他們藉著研究猴腦內神經網絡的各個部分,來重現一個人工的神經系統,接著再將這些為數眾多的部分組合在一起,看看整體所產生的效應會是如何。

結果,他們所創造出的神經系統,可以相當正確的辨識臉部。但你以為這樣就結束了嗎?不,這個系統甚至還展現出了人腦與猴腦在臉部辨識上的各種特性。比如說:當這些臉孔上下倒置則會較難以辨識

  • 模擬大腦的六大臉孔辨識神經系統,各自為何?

這個人工神經系統包含了六個層面,首要的四個層面負責分析臉部的主要特徵。四個當中的前兩個能辨識臉部大致的形狀,有點像是兩個負責視覺的大腦皮層區域,稱之 V1 與 V2。接著兩個層面負責辨識點部器官,像是眼、鼻、嘴巴的分布情況。這些層面模擬了腦中稱為 V4 區域以及下顳葉皮質的各種行為。

第五層則是訓練為能夠以不同的角度來便是同一張臉,被稱之為視覺選擇層(view selective layer)。

最後一層,負責將臉部與身份配對,被稱之為身份選擇層(identity selective layer)。

Farzmahdi 與他的同事利用了不同的圖像資料庫來訓練他們所打造出的神經系統。比如說,有一個圖庫中包含了 20 個人由 37 個不同的角度所擷取的總共 740 張圖片;另個資料庫則是包含了 90 個人由 37 個角度拍攝。他們甚至還有許多的資料組合來專門分析神經網絡內的特定性質。

在訓練過這個人工神經系統後,他們開始實際測試。具體的來說,就是要試驗這個系統是否能展現人類在辨識臉孔時的已知行為。

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  • 這套模擬大腦的神經系統,測試結果和人類超像

比如說,許多行為上的研究都顯示,45 度角的觀點是對於臉部辨識上最容易的角度。說來奇怪,Farzmahdi 與他的同事所打造的神經系統也有同樣的反應。另一個令人好奇的就是當這些臉孔上下倒置時,會較難以辨識,而他們的人工神經系統也同樣展現了這個特點。

此外,他更顯示了「合成臉部效應」。也就是某個身份的上半部臉與其他身份的下半部臉做結合時,人們會認為這是張新的臉孔。神經學家因此認為這驗證了人類對於人臉的辨識只能在完整的一張臉下才起得了作用,而沒辦法以部分來辨識。而 Farzmahdi 團隊所打造的神經系統也做出了同樣的反應。

最後,Farzmahdi 團隊也提到當他們以特定種族的臉龐作為人工神經系統辨識的資料輸入,則系統在便是其他族群的臉部時則會相對困難。同樣的,這也是人類在臉部辨識上一個相當為人熟知的現象,人們在辨識與自己種族相同的臉部上會相對容易。

這是個相當有趣的成果,因為沒有其他臉部辨識系統能夠重現這些生物上的特性。這樣的結果顯示了 Farzmahdi 團隊成功的以人工系統的方式重現了猴子與人類在臉部辨識上所有的行為特性。

而他們打造的過程甚至比結果來得更有趣:他們以猴腦中發現的特定構造為樣本,同時以之為基礎打造出類似的人工神經系統,接著發現人工所打造的系統反應的行為與生物的反應有所契合。

如果,在這樣的方式能在視覺上成功,那聽覺、觸覺、平衡感、動作等等呢?更甚之,這還有相當大的潛力能找到作為人類的必要元素,當然,這一切都在人類的腦中探索。

(資料來源:TechnologyReview;圖片來源:Keith Roper,CC Licensed)

 

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