發(fā)布時(shí)間：2023-06-26
2023年6月20日，《Cell Reports》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《Representational geometry of incomplete faces in macaque face patches》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）常樂(lè )研究組完成。研究人員通過(guò)記錄獼猴下顳葉面孔選擇性神經(jīng)元（面孔細胞）對不完整面孔視覺(jué)刺激的反應，系統解析了不完整面孔信息在單神經(jīng)元和神經(jīng)元群體水平的編碼模式，為理解復雜情況下面孔信息的神經(jīng)編碼提供了重要基礎。
面孔識別功能在日常生活和社交中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。以往研究表明，靈長(cháng)類(lèi)大腦中專(zhuān)門(mén)負責加工面孔信息的腦區（面孔腦區）在這一功能的實(shí)現中扮演了關(guān)鍵角色，已有一系列工作解析了面孔相關(guān)信息的神經(jīng)編碼模式。但是，這些工作一般使用完整呈現的面孔作為視覺(jué)輸入，忽略了日常生活中佩戴口罩或眼鏡等只有部分面孔可見(jiàn)的情況。大腦如何編碼不完整的面孔信息？完整和不完整面孔如何被區分，不完整面孔的個(gè)體信息又如何被辨別？
為了探索這些問(wèn)題，該研究采用定量的方式生成不完整的面孔視覺(jué)刺激，研究人員調整的參數包括：面孔個(gè)體特征、不完整面孔的呈現方式（碎片或遮擋）、碎片或遮擋物的大小和相對面孔的位置（圖A）。實(shí)驗中，研究人員使用功能核磁共振引導下的顱內電生理記錄（圖B），采集了獼猴面孔選擇性神經(jīng)元對這些刺激的反應，并定量分析了神經(jīng)元反應和具體刺激參數的關(guān)系。
研究人員比較了在兩種不完整面孔的呈現方式下，單個(gè)面孔細胞對不同面孔區域的偏好性：不同的面孔細胞在兩種條件下偏好的面孔區域可能是不一致的（圖C）。這種不一致性反映了面孔加工中存在的非線(xiàn)性整合過(guò)程，即單個(gè)面孔細胞并非線(xiàn)性地整合不同面孔區域的信息（圖D）。在神經(jīng)群體層面，這種非線(xiàn)性整合體現為面孔刺激的完整程度在狀態(tài)空間中由一條曲線(xiàn)編碼（圖E）。這種曲線(xiàn)表征能夠讓不同完整程度的面孔更好地區分開(kāi)來(lái)，比如可以更好地分辨面孔碎片和完整面孔。領(lǐng)域內過(guò)去的研究多側重于單神經(jīng)元層面的分析和群體解碼分析，而該工作則關(guān)注了群體表征的幾何性質(zhì)，并直觀(guān)展示了一類(lèi)單神經(jīng)元水平非線(xiàn)性加工的潛在功能。另外，研究人員發(fā)現面孔細胞對面孔個(gè)體信息的編碼在一定程度上不依賴(lài)于面孔的完整程度，由此簡(jiǎn)化了下游腦區對面孔信息的解碼機制（圖F）。此外，部分面孔細胞在面孔檢測和面孔個(gè)體識別兩個(gè)不同的加工任務(wù)中所關(guān)注的面孔區域也是不一致的。
該研究系統揭示了不完整面孔刺激中各類(lèi)信息在獼猴面孔腦區的表征模式，在單神經(jīng)元水平說(shuō)明了面孔細胞不僅編碼面孔局部特征，還可以對不同局部的信息進(jìn)行整合；在群體神經(jīng)元水平的表征分析提示了單神經(jīng)元反應的多樣性是群體層面對面孔完整性的曲線(xiàn)表征在單神經(jīng)元水平的投影。該研究為研究人工智能系統在復雜場(chǎng)景中的物體識別功能提供了理論基礎。
該研究由博士研究生李冬媛在常樂(lè )研究員的指導下完成。本工作得到中科院、科技部、自然科學(xué)基金委和上海市的資助。
圖注（A）完整和不完整的面孔刺激。（B）實(shí)驗范式。黃色：面孔腦區AL。（C）碎片刺激和遮擋刺激下偏好面孔區域一致和不一致的細胞。（D）兩種刺激下偏好不一致的細胞對不同面孔區域的信息進(jìn)行非線(xiàn)性整合。（E）面孔完整性在狀態(tài)空間中呈曲線(xiàn)分布。（F）面孔個(gè)體信息在不同刺激條件下的群體表征。（圖注）
來(lái)源：常樂(lè )研究組
文字：常樂(lè )、李冬媛
圖片：常樂(lè )、李冬媛
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