Как человеческий мозг распознает лица

В научном журнале Cell опубликовано исследование, в результате которого ученые из Калифорнийского Технологического института (Caltech) смогли определить принцип, по которому наш мозг узнает лица и относит их к знакомым либо незнакомым. Оказалось, что этот механизм мало отличается от принципа работы других нейронов мозга, отвечающих за распознавание более простых свойств — цвета, размеров, формы. Но исследования, проводимые «вручную», не могли этого выяснить. В дальнейшем результаты научной работы смогут использоваться для работы ИИ и нейросетей.

Ученые относительно давно знают, какие нейроны в человеческом мозге за что отвечают — распознавание размеров, цветов, форм и т.д. Но до недавнего времени было неизвестно, как конкретно происходит процесс мгновенного распознавания человеческих лиц и других сложных объектов. Максимум, что смогли установить исследования — это активация в мозге отдельных участков, ответственных непосредственно за распознавание лиц. Но как именно это работает и по какой системе (в ответ на что они активируются и сколько информации содержат), ученые понять не могли.

Выяснить принцип распознавания лиц человеческим мозгом удалось только при помощи машинного обучения. Изображение: pixabay

Проводились различные исследования: испытуемым показывали изображения людей с различающимся размером глаз, формой рта и носа и т.д. Но выяснить алгоритм распознавания лиц их мозгом было невозможно, так как черты лица сложно описать словами и подвести под конкретные параметры.

В Калифорнийском Технологическом институте для решения этой задачи нейрофизиологи использовали машинное обучение. Нейросеть обработала 200 лиц и самостоятельно вычислила критерии, по которым они различаются. Всего критериев оказалось около 50: первая половина относилась к формам объектов, вторая — к их текстуре и цвету. При сочетании этих параметров получалась простая картинка, похожая на человеческое лицо. Когда полученное изображение показывали людям, в 80% случаев они без проблем соотносили его с изначальной картинкой.

После успешного завершения этой стадии работы исследователи решили понять, как участки мозга, отвечающие за распознавание лиц, отреагируют на изменение обнаруженных характеристик. Опыт был проведен на макаках. К мозгу животных подключили электроды и показали им по 2000 изображений лиц, меняя в них все параметры, и при этом считывая сигналы от мозга.

Сверху — лицо и его реконструкция. Снизу — лица с удвоенным значением одного параметра (верхний ряд) и с измененными разными параметрами (нижний ряд). Изображение: Le Chang and Doris Y. Tsao/Cell

Так выяснилось, что примерно 100 нейронов из участков, активирующихся при распознавании лиц, проводят детальный анализ. При этом отдельные нейроны активируются при обработке определенных черт лица и остаются неподвижными при изменении других черт. Активный нейрон передает сигнал дальше, а итоговый суммарный сигнал от всех нейронов и представляет собой результат.

Авторы работы, таким образом, выяснили принцип распознавания лиц, но оказалось, что он не отличается от принципа работы других нейронов головного мозга, хотя до этого предполагалось обратное. Предстоит более детально изучить этот механизм — в будущем его можно применять для работы ИИ и нейросетей.