Мозг угадал возраст и пол еще до идентификации человека
При распознавании лица мозг определяет примерный возраст и пол человека еще до того, как идентифицирует его, сообщается в статье, опубликованной в Nature Communications. С помощью эксперимента с использованием магнитоэнцефалографии американским ученым удалось выявить динамику определения отдельных признаков человеческого лица относительно времени. Они также показали, что паттерн активности мозга при взгляде на человека, лицо которого незнакомо, немного отличается.
Внешность человека несет в себе множество различных показателей, которые помогают нам его оценить: по выражению лица, к примеру, мы можем примерно понять, что человек чувствует. Есть также и более тривиальные признаки, которые можно оценить внешне. В первую очередь это касается пола и возраста: в течение жизни мы собираем, храним и используем информацию о том, как выглядит среднестатистические женщина и мужчина, а рост, наличие морщин на лице и цвет волос дают нам примерно оценить и их возраст.
До сих пор, однако, не было ясно, как определение этих показателей распределено во времени. Например, неясно, что человек определяет быстрее: пол или примерный возраст. Ученые под руководством Нэнси Кэнвишер (Nancy Kanwisher) из Массачусетского технологического университета решили изучить этот вопрос подробнее.
В их эксперименте приняли участие 16 добровольцев, которым показывали лица десяти известных (американских) и не очень известных (немецких) знаменитостей разного пола и возраста. Активность мозга участников исследователи измеряли с помощью магнитоэнцефалографии (МЭГ) — метода, который позволяет визуализировать активность мозга с высоким пространственным и временным разрешением.
С помощью анализа сходств ученые выявили активность мозга, которая характера для каждого из рассматриваемых параметров: пола, возраста и личности человека на фотографии. Далее ученые рассмотрели временные рамки, в которые эта информация начинает обрабатываться мозгом. Так, через 60 миллисекунд после предъявления стимула мозг реагирует на возраст, через 72 миллисекунды — на пол, а через 90 уже может идентифицировать лицо. Таким образом, показали ученые, информация о поле и возрасте обрабатывается мозгом раньше всего — получается, еще до того, как человек поймет, кто перед ним. При этом активность, характерная для мозга в процессе того, как он определяет, знает он человек или нет, появлялась позже всего — примерно через 400 миллисекунд. Активность, характерная для определения пола и возраста, была заметна и при обработке незнакомых лиц, но анализа личности при этом не происходило. Из-за этого пол и возраст определялся чуть дольше: при показе незнакомых лиц для них была характерна более длительная активность, хотя ее начало по временным рамкам было схожим.
Следует уточнить, что в этом исследовании за определение личности ученые считали начало анализа всех черт лица вообще и формирования общей картины, в то время как знакомство с лицом определялось активностью, характерной для, к примеру, лица Скарлетт Йохансон.
Ученые, таким образом, показали, что определение пола и возраста — двух биологических показателей — начинается раньше при обработке лиц даже в том случае, когда лицо знакомо. Это означает то, что определение пола и возраста лиц, которые хорошо знакомы, — процесс не нисходящий: то есть пол и возраст не следуют из личности, а скорее находятся отдельно, определяя ее. При этом то, что личность известна человеку, помогает мозгу определять эти факторы, делая процесс намного более быстрым.
Исследователи часто обращаются к вопросам обработки лиц других людей. В декабре, к примеру, американские психологи выяснили, что при повороте лица люди предпочитают смотреть на тот глаз, который оказывается сверху.
Человеческий мозг может определить пол и возраст быстрее на знакомых лицах, чем на незнакомых
В новом исследовании нейробиологи из Института исследования мозга Макговерна (McGovern Institute for Brain Research) изучили реакцию мозга на лица в режиме реального времени и обнаружили, что мозг сначала декодирует такие свойства, как пол и возраст, прежде чем переходить к определению личности. Результаты данного исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Материалы и методы исследования
Метод, разработанный физиком Дэвидом Коэном (David Cohen), такой как магнитоэнцефалография (МЭГ), фиксирует электрическую активность нейронов и тем самым позволяет обнаружить незначительные колебания в магнитных полях мозговых структур.
Исследователь из Института МакГоверна Нэнси Канвишер (Nancy Kanwisher) выбрала этот подход для измерения времени, которое требуется мозгу для реагирования на различные особенности лица.
«Из мгновенного взгляда на лицо мы быстро извлекаем всю эту многомерную информацию о человеке, такую как его пол, возраст и личность. Я хотел понять, какие механизмы лежат в основе этого эффекта, но никто не измерял временные рамки ответов на эти функции», – говорит Добс (Dobs).
Результаты научного исследования
Записывая мозговую активность респондентов на аппарате МЭГ, исследователи обнаружили, что мозг реагирует на такие признаки, как пол, гораздо быстрее, чем на распознавание самого лица.
Данные исследования показали, что всего за 60-70 миллисекунд мозг начинает декодировать возраст и пол человека. Примерно через 30 – 90 миллисекунд мозг начинает обрабатывать лицо.
После создания парадигмы для измерения ответов на знакомые лица, авторы решили проверить эффект знакомства. Ученые измеряли реакции мозга, в то время как респонденты рассматривали знакомые лица (американские знаменитости) и незнакомые лица (немецкие знаменитости) при помощи МЭГ.
Полученные данные позволили сделать выводы, что мозг фиксирует информацию о поле человека быстрее на знакомых лицах, чем на незнакомых лицах.
Как наш мозг распознает лица людей?
На протяжении миллионов лет лицевое восприятие играет одну из важнейших ролей в процессе социальной коммуникации, сообщая человеку такие факты, как возраст и пол собеседника, его настрой и характер эмоционального отклика на то или иное высказывание, дружелюбие или агрессивность.
Ученые предполагают, что обработка лицевой экспрессии — это сложный и многоуровневый процесс, изучение которого способно улучшить понимание того, как функционирует наш мозг.
Три этапа распознавания лиц
Человек способен идентифицировать объекты окружающего мира в течение нескольких миллисекунд. Такая высокая скорость распознавания предметов возможна потому, что наш мозг постоянно создает некие предположения в отношении того, что находится в поле зрения, и сравнивает эти прогнозы с поступающей извне информацией. Детали этого процесса пока неизвестны, но последние исследования дают нам лучшее понимание того, что происходит в мозгу человека, когда он видит лица.
Существует три основных этапа в процессе распознавания человеческих лиц:
1. Определение физических характеристик лица, на которое мы смотрим.
2. Определение личности человека, в ходе которого мы понимаем, знаком ли нам тот или иной человек.
3. Мы распознаем человека, но все еще не знаем, известно ли нам его имя.
Исследователи обнаружили, что на каждом этапе активируются определенные участки мозга. Если один из этих участков поврежден в следствие травмы или болезни, человек уже не будет в состоянии узнавать даже близких ему людей.
Узнавание лиц, как отмечают психологи, — это процесс, больше связанный с когнитивной стороной восприятия. Дело в том, что, по сути, узнавание лиц (как и предметов окружающей действительности), происходит следующим образом: мозг постоянно сравнивает то, что видит, с тем, что хранится в его долговременной памяти.
К примеру, когда мы будем смотреть на такой объект, как стул, мы признаем его таковым за счет сравнения того, что мы видим, и тех характеристик, которые присущи ментальному образу стула. Хотя не все стулья одинаковы и некоторые копии этого объекта могут отличаться от ментального прототипа, у каждого стула есть набор присущих только ему ключевых характеристик, которые и помогают нам распознавать его (сидение, опора). Затем образ объекта классифицируется и сохраняется в памяти под определенной категорией.
Классификация объекта — это этап, на котором, как правило, процесс распознавания подходит к концу, но в случае распознавания лиц — это только начало. Если стул достаточно признать стулом, то человеческое лицо недостаточно просто признать человеческим лицом. Практически сразу же мы определяем пол и возраст человека, его расу и даже то, нравится он нам или нет. Кроме того, мы тут же определяем, знакомо ли нам это лицо. Если человек нам знаком, мы тут же начинаем извлекать наружу ворох воспоминаний, связанный с этим человеком: как зовут этого человека, где его впервые встретили и т.д.
Латеральная височно-затылочная (веретенообразная) извилина
Ученые обнаружили, что мозговой тканью, которая активизируется, когда люди видят чье-то лицо, является веретенообразная извилина (Fusiform gyrus). При сканировании мозга этот участок становился более активным, когда люди видели лица.
Результаты исследований нескольких десятков пациентов, имеющих повреждения этой области мозга и утративших возможность узнавать знакомые им лица, указывают на очевидную связь между веретенообразной извилиной и ее ролью в процессе распознавания лиц. Ученые считают, что веретеновидная извилина помогает нам распознавать лица как конкретную категорию или даже отличать лица друг от друга.
Согласно последним исследованиям, у людей, страдающих от аутизма, эта извилина не проявляет ярко выраженной активности при виде лиц, а все потому, что эти люди не обращают внимания на лица. Есть предположения, что проявление этого недуга можно преодолеть с помощью практических занятий.
Исследования лиц Муни
Лица Муни — это черно-белые фотографии, названные в честь их изобретателя Крейга Муни (Craig Mooney). Исследования, в которых участникам предлагалось идентифицировать эти изображения как изображения лиц, показали, что процесс распознавания лиц происходил гораздо тяжелее и медленнее: во-первых, потому что лица расположены горизонтально, а во-вторых, свет падает не сверху, а снизу.
Согласно теории «Предиктивного кодирования», когда увиденное не совпадает с прогнозом, предположением, нервные сигналы направляются в более высшие области мозга, чья активность должна увеличиться. Однако, на этот счет существуют и другие, конкурирующие теории, которые утверждают прямо противоположное.
Визуальная парейдолия
Парейдолия (pareidolia) — это иллюзия или неправильное восприятие, при котором неясные стимулы воспринимаются как нечто конкретное. Визуальная парейдолия — это наглядный вид парейдолии, с которым сталкивался каждый из нас (например, глядя на облака, мы можем видеть какие-то лица или животных).
Парейдолия — это неотъемлемая часть человеческой природы и повседневной жизни, и это не рассматривается как расстройство. Считается, что она является продуктом человеческой эволюции, поскольку распознавание человеческого лица было одним из самых важных навыков для выживания и развития человечества. Именно поэтому для нас свойственно видеть человеческие лица в других объектах. Есть хорошо известные примеры религиозных парейдолий, где приверженцы христианской культуры «распознают» лица Иисуса, Девы Марии или иных святых в древесине, пятнах на стене и т. д. Распознавание призраков или НЛО на фотографиях также можно отнести к этому феномену.
Ученые считают, что парейдолия является результатом того, как наш мозг обрабатывает информацию. Мозг постоянно анализирует всевозможные линии, формы и цвет, связывая их с уже приобретенными знаниями. И иногда мы ассоциируем нечто неоднозначное с чем-то давно знакомым.
Удивительно простое кодирование лиц в мозге производят всего 205 нейронов
Мозг обладает великолепной способностью различать лица и другие сложные объекты. Вот уже несколько десятилетий учёные безрезультатно бьются над задачей и пытаются понять, как происходит такое распознавание — как кодируются и хранятся изображения в мозге. Согласно общепринятым представлениям, процесс распознавания (идентификации объектов) происходит в нижневисочной коре, то есть инферотемпоральной зоне головного мозга. Но до сих пор оставалось непонятным, какую роль в кодировании данных играют отдельные нейроны и какое количество нейронов, собственно, задействуется в процессе.
Двое биологов из Калифорнийского технологического университета опубликовали научную работу, которая во многом проливает свет на то, как работает головной мозг приматов, в том числе человека. Учёные считают, что расшифровали код, которым в мозге кодируется информация о лицах. Доказательством является то, что учёные смогли только по сигналу мозга восстанавливать (угадывать) лица, которые видит обезьяна (и, соответственно, человек).
Специалисты провели эксперимент с помощью магнитно-резонансной томографии, считывая сигналы нейронов в области коры головного мозга макак, которая отвечает за идентификацию объектов. Во время сканирования мозга подопытным макакам демонстрировали 2000 немного отличающихся лиц людей. Определяя различия в активности нейронов при визуальной обработке разных лиц, учёным удалось сделать предположения о том, каким образом кодируется сигнал. Судя по всему, система обработки визуальной информации макак очень похожа на человеческую. Согласно результатам исследования, для кодирования информации о лицах достаточно всего 205 (!) нейронов головного мозга (их назвали «лицевыми нейронами»).
Учёные научились предсказывать, какое лицо видит макака, считывая сигнал с 200 «лицевых нейронов» её мозга. Это доказывает, что они корректно определили шифр, которым кодируются характеристики лица в этих нейронах
У социальных приматов, таких как макака и человек, эволюция выработала специальный механизм для быстрого распознавания лиц, потому что от этого навыка зависит выживание животного в социальной группе — мы должны мгновенно отличать друзей от незнакомцев. Секундное промедление может стоить жизни, поэтому мозг научился решать эту задачу быстро и эффективно (то есть те, кто мог выполнять задачу быстро и эффективно — выжили).
Казалось бы, логично выделить по одному нейрону на каждое лицо, ведь в мозге действительно есть специфические нейроны, которые реагируют на конкретных людей (их называют клетками Дженнифер Энистон, потому что их открыли у пациента с эпилепсией, мозг которого именно таким уникальным образом реагировал на фотографии Дженнифер Энистон). Но нет, распознавание лиц в общем случае работает не так, потому что ему нужно обрабатывать в том числе лица, которые он никогда не видел раньше, и здесь тоже важна идентификация «свой-чужой».
У нас система распознавания лиц в мозге состоит из кластеров коры минимум по 10 тыс. нейронов. В каждом полушарии располагается шесть таких кластеров, они находятся около уха.
Как только в поле зрения человека попадается лицо другого человека, электрический сигнал немедленно активирует нейроны в этой области, он проходит через пять или шесть названных кластеров и обрабатывается в каждом из них, прежде чем достигнет «лицевых нейронов». Таким образом, в последних хранится только высокоуровневая обработанная информация о специфических характеристиках лица. И вот эти примерно 205 нейронов кодируют информацию о лицах невероятно простым и абстрактным образом.
Ключевая особенность кодирования информации о лицах в мозге — это сочетания габаритов лица и отдельных объектов на лице (межглазное расстояние и проч.). Всего мозг учитывает около 50 таких параметров при распознавании лиц. В таком «лицевом пространстве» умещается практически любое фактически допустимое количество лиц, так что спутать два лица мозг не может. По мнению учёных, для «лицевых нейронов» есть некое подобие шаблона — что-то вроде «среднего лица», и реакция нейрона на новое лицо является разницей каждой из 50-ти характеристик от этой «базы».
В процессе эксперимента учёные из Калифорнийского технологического университета смогли смоделировать лица, которые отличаются настолько минимально и конкретно, что разница в сигнале составляет всего один нейрон. То есть они смогли понять, какой нейрон отвечает за какую характеристику в распознавании лиц. Каждый «лицевой нейрон» считывает комбинированный вектор примерно шести таких параметров. Например, по одному из параметров лицо отличается от «базы» на пять пунктов, по другому параметру — на минус семь пунктов. Сигнал от 205 клеток вместе создаёт уникальный паттерн конкретного лица.
Изменение формы лица путём изменения 50-ти ключевых характеристик
Как уже было сказано, учёные научились идентифицировать, какие характеристики кодируются какими нейронами. Они смогли синтезировать лица, на которые не будут реагировать конкретные нейроны, и даже угадывать, какое лицо видит макака, просто по сигналу от «лицевых нейронов».
Эксперимент и выводы учёных нуждаются в повторении и проверке, но если они окажутся правдивыми, то мы сможем чуть лучше понять систему шифрования, которая используется в той сложной вычислительной системе, какой является мозг человека и других приматов. Это открытие может найти практическое применение в сфере робототехники и подсказать новые подходы в разработке систем машинного зрения.
«Взлом кода для распознавания лиц определённо будет иметь большое значение», — считает Брэд Дюшейн (Brad Duchaine), эксперт в области распознавания лиц из Университета Дартмута. Самое главное, что учёные получили знак, что распознавание изображений в мозге работает по чётким и понятным правилам. Ведь последние достижения в области нейросетей показали, что после обучения нейросети человек зачастую не может понять, на какие стимулы реагирует нейросеть — это своеобразный «чёрный ящик», который функционирует по непонятным правилам. Появились опасения, что человеческий мозг может представлять собой такую же непостижимую систему. К счастью, это оказалось не так.