揭秘 | 大脑是如何识别人脸的？为什么我们会对外国人“脸盲”？

不必花费太多心思就从人群中找到熟识的脸；

当看到一张照片时，

立刻认出照片上的人是谁，或你之前是否见过，

对于绝大多数人而言都是小事一桩。

人类的大脑已经这样做了几百万年。

不过，这其中具体涉及的神经系统过程却十分复杂，

研究人员也对其倾注了很多年的时间。

大脑到底是如何识别和感知人脸的？

既然识别面孔这么容易，

我们又为何常对外国人感到“脸盲”？

2017年6月1日，国际著名学术杂志《细胞》在线发表了美国加州理工学院生物工程教授多丽丝·曹（Doris Y Tsao）和她同事斯蒂文（Steven Le Chang）的一篇研究论文，研究报道科学家已经了解灵长类动物大脑中的人脸识别编码系统。

以往，大多数理论都认为是多个神经元构成一个集群一起工作，从而识别出一张脸。最荒谬的观点认为，对于每个认识的人，大脑都有单个细胞专门识别那个人的脸。

“我们发现，这个编码系统非常简单。”多丽丝·曹教授说，“我们发现，当一只猴子看到一张面孔时，其大脑中仅有205个神经元参与了相关编码过程。”

在更早的研究中，多丽丝团队研究了两只猕猴的大脑，使用功能性核子共振成像技术找出了人类和其他灵长类动物大脑中负责识别面孔的区域，共6个。他们将这6个位于下颞皮层的区域称为“面孔补丁”。而这些区域塞满了特殊的神经元细胞，他们把这些神经元细胞称为“脸细胞”。

在新研究中，多丽丝和斯蒂文发现，每个面部识别细胞代表了一个多维空间内的特定轴线。研究人员将这个空间称为面部空间。与红蓝绿光以不同的方式相结合能产生不同的颜色类似，这些轴线以不同方式组合在一起能出现每个可能的面部。

研究人员表示，一张人脸如果可以分解成50个维度。那么25维与形状有关，例如眼睛之间的距离或发际线的宽度；而另外25维与形状无关，主要代表外貌特征，例如肤色和纹理。

Tsao团队将电极插入猕猴大脑中，并给两只猕猴看了一组包含不同特征的2000张人脸，比较各个神经元对不同特征的反应。结果发现，当一个面孔被投摄入50维面部空间内的单个轴线时，每个细胞被成比例激发。

也就是说，当猕猴看到不同的脸部特征，若这些特征是神经元“不关心”的组合时，单个脸细胞的反应保持不变。举个例子，当猕猴看见两张发际线不同的照片时，它们的视觉皮层里负责关心眼睛大小的神经元不会产生变化。

于是，研究人员研发出一种算法，以解码面部识别的神经响应。结果显示，猕猴的2个面部补丁区的细胞就足以重建面部—— 一个区域有106个细胞，一个有99个。

美国马里兰州贝塞斯达心理健康研究所的神经科学家大卫·利奥波德接受《自然》杂志采访时说，大脑能够意识到一些关键的维度，可以分辨出这是某人A，这是某人B。在多丽丝·曹看来，人的大脑可能会使用这些维度来识别具体的面孔。一张人脸可以分解为多个维度，每个脸细胞大约会编码其中6个维度的若干参数，整合在一起就形成了一张整体的脸。

据介绍，该成果不仅对神经编码研究意义重大，还能应用于人工智能领域。

在看外国电影时，你有没有对出场人物傻傻分不清楚：这是Tony还是Johnny？这个人不是去度假了吗，怎么又出现了？嗯这个鸡冠头是Mike，哎等等，那里也有一个鸡冠头……到底哪个是Mike？

讲真，向上述研究所说，

既然大脑对人脸特征的识别有着如此高的灵敏度，

我们又为什么会觉得外国人长的都一样呢？

 

分不清歪果仁的脸很正常

不光是我们分不清欧美人的面孔，许多欧美人也分不清亚洲人的长相，白人也分不清黑人的长相。这种跨种族面孔识别困难的现象有一个专业名词：异族效应（other-race effect）。

最典型的例子，全世界人民都不太分得清安南、曼德拉和摩根•弗里曼……

他们看起来就像大众的迈腾、速腾和辉腾。

异族效应是发生在面孔识别领域的一个普遍现象，早在上个世纪七十年代就被科学家们发现了。截止到本世纪初，80%面孔识别研究都发现了显著的异族效应。异族效应的表现还跨越了不同种族，不同文化，甚至不同年龄。

科学家们在不同的面孔记忆任务中也发现了异族效应的普遍性。而且，异族效应并不会随着时间的流逝而有所变化。2000年，科学家Slone A. E.在研究中对被测试者进行了两次再认测验（对曾经感知过的事物进行再度辨认），分别是即时再认和延迟两天再认，结果两次测验都发现了异族效应。也就是说，如果你现在分不清某某和某某，那短时间内分清他们的可能性也不大。

 

我们小时候连猴脸都是能分清的

2002年，英国谢菲尔德大学的Olivier Pascalis和同事David J. Kelly等人进行了一项实验。他们找来了一些6到10个月大的婴儿，先对这些婴儿展示一张面孔，一段时间后再加入另一张面孔，也就是同时呈现一新一旧两张面孔。婴儿的注意力只会放在新鲜事物上，所以，如果婴儿对新面孔的注意力和兴趣高于旧面孔，就说明婴儿具备人脸识别能力。

研究人员不光用了人类的面孔，还把猴子的面孔加入到实验中。结果发现，6个月大的婴儿无论是对人脸还是对猴脸都能进行识别。但是相对的成人组只能识别人脸，无法识别猴脸。

小编虽然不脸盲，

但是摸着良心说，

树上“骑”个猴和地上一个猴也真的是拎不清。

而9个月大的婴儿

面对人脸和猴脸的认知反应类似……

也就是说，我们对异族面孔的识别能力是在6—9个月的时候下降的。

David J. Kelly又将实验更进了一步。他用美国白人、中国人和非洲人的面孔测试了一个中国婴儿。结果这个中国婴儿在3个月时，能很好的识别这三个不同人种的面孔；6个月大时只能识别中国人和美国白人的面孔；9个月大时只能识别中国人的面孔，不能识别美国白人和非洲人的面孔。

所以，在6—9个月时，我们的知觉认知发生窄化，因此丧失了辨认异族面孔的能力。当然这也符合进化的需要，因为我们平日接触得最多的是同族，准确地分辨出同族的面孔有利于族群内的社会交往和种族生存，因此大脑也就不费力去分辨异族的面孔了。

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（来源：壹读 《灵长类动物脸部识别算法被破译，大脑黑箱或根本不存在》《只靠记忆就能还原别人的照片，这回警察可高兴了》《面孔识别异族效应的研究》）

本期编辑：李兆彧

本期校对：刘倩

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