Neurowetenschappers kraken de code van hoe hersenen met gezichten omgaan

Waar gaat het over een gezicht waarmee we zijn identiteit kunnen bepalen? Wetenschappers zeggen dat ze een belangrijke stap hebben gezet om te begrijpen hoe hersenen de details van menselijke gezichten coderen.

Janko Ferlic / Creative Commons

Neurowetenschappers kraken de code van hoe hersenen met gezichten omgaan

Door Lindzi WesselJun. 1, 2017, 12:15 PM

Wanneer we een tafel met vrienden in een druk restaurant zien, weten we meteen wie wie is met een snelle blik op hun gezichten. Maar het is niet eenvoudig om uit te leggen hoe we zo'n complexe taak uitvoeren - en voor wetenschappers die het brein bestuderen, is het nog moeilijker. Maar nu heeft een groep onderzoekers een belangrijke stap gezet: signalen van hersencellen van apen decoderen om gezichten die ze in het echt zien te recreëren. De bevindingen kunnen helpen bij het ontrafelen van andere complexe hersenfuncties, het identificeren van criminelen uit beveiligingscamera-opnames en misschien zelfs leiden tot "mindreading" -technologie voor volledig verlamde mensen.

"We hebben echt de code gekraakt voor hoe gezichtsidentiteit wordt weergegeven in de hersenen", zegt Doris Tsao, een neurowetenschapper aan het California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, die de studie leidde. "Dit is de eerste keer [we hebben begrepen] de code voor een object op hoog niveau in elk sensorisch systeem."

Wetenschappers hebben een goede greep op hoe groepen hersencellen samenkomen om eenvoudige, "low-level" visuele kenmerken zoals kleur, hoeken en randen te coderen. Maar complexe objecten op hoog niveau, zoals gezichten, hebben ze al lang opgejaagd. Wetenschappers hebben zich afgevraagd of met name het herkennen van gezichten een speciale neurale taak kan zijn: wetenschappers weten al tientallen jaren dat ze sterke reacties veroorzaken in specifieke gebieden van de hersenen die 'gezichtspleisters' worden genoemd.

Jarenlang vroegen sommige wetenschappers zich af of neurale cellen in deze hersengebieden kunnen coderen voor de gezichten van specifieke individuen - ze schieten snel naar hen af, schieten slechts enigszins naar vergelijkbare gezichten, en helemaal niet naar zeer verschillende gezichten. Maar het 'ijzersterke' onderzoek van Tsao weerlegt dit idee volledig, zegt Rodrigo Quian Quiroga, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Leicester in het Verenigd Koninkrijk. De nieuwe studie suggereert in plaats daarvan dat cellen zelfs op dit hoge niveau van visuele verwerking coderen voor specifieke gezichtssubfeatures, die aanleiding geven tot het beeld van een gezicht wanneer ze samen worden gecombineerd. En dit relatief eenvoudige systeem suggereert dat misschien neuronen voor gezichtsherkenning toch niet zo speciaal zijn, zegt Tsao.

Tsao en haar collega's begonnen jaren geleden gezichtspleisters te bestuderen door te testen hoe neuronen anders reageren op gelaatstrekken zoals ooggrootte en mondlengte. Maar niets dat ze probeerden, kreeg hun gezichtscode. Het mysterie, zegt Tsao, was hoe gezichtsidentiteit te vertegenwoordigen. "Het lijkt zo moeilijk omdat ... we het niet in woorden kunnen beschrijven."

Dus Tsao en haar postdoc Le Chang gaven de gemakkelijk te beschrijven functies op en gebruikten in plaats daarvan een computerprogramma om een ​​set van 200 door de computer aangepaste gezichten te verwerken, afkomstig uit een database met echte gezichten. Het programma kwam met 50 dimensies die wiskundig beschreven hoe die gezichten het meest van elkaar verschilden. Geen van de dimensies kwam overeen met een specifiek gelaatstrekken, maar de helft hield rekening met kenmerken die verband hielden met de vorm, zoals de afstand tussen de ogen van een persoon of de breedte van hun haarlijn. De andere helft hield rekening met functies zoals huidskleur en textuur. Samen kunnen deze 50 dimensies worden gebruikt om een ​​vereenvoudigde versie van alle 200 gezichten weer te geven.

Vervolgens plaatsten de wetenschappers elektroden in de hersenen van twee makaken en hielden ze in de gaten hoe 205 neuronen van gelaatspleisters reageerden op duizenden computergegenereerde menselijke gezichten die varieerden over de 50 dimensies. Uit miljarden reacties bouwden ze een decoder die hen vertelde wat elke reactie betekende. Vervolgens gebruikten ze hun gegevensset om de gezichten opnieuw op te bouwen.

De reconstructies blies [andere dergelijke onderzoeken] uit het water, zegt Brice Kuhl, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Oregon in Eugene die niet betrokken was bij het nieuwe werk. Toen de onderzoekers mensen vroegen om naar de gereconstrueerde gezichten te kijken en ze te matchen met het origineel (verborgen in een groep van 40 andere gezichten), hadden ze het bijna 80% van de tijd goed, rapporteren Tsao en haar team vandaag in Cell .

De onderzoekers hebben hun model verder gevalideerd door aan te tonen dat hoewel neuronen ijverig op en neer gaan in reactie op hun voorkeurs set dimensies, ze volledig onverschillig lijken voor veranderingen in anderen. Dat betekent dat een cel op precies dezelfde manier kan reageren op twee zeer verschillende gezichten als ze toevallig de enkele belangrijke functies delen waarvoor de cel codeert. Tsao verklaart het fenomeen met behulp van het concept van kleurcodering. Een cel die is afgestemd op de kleur rood, moet bijvoorbeeld op precies dezelfde manier reageren op oranje en paars Zolang het rood hetzelfde is, geeft de cel niet om het blauw of het geel gemengd in.

Maar gezichtscodering is nog steeds veel complexer, en Kuhl suggereert dat het misschien passender is om te zeggen dat de studie de van gezichtsrepresentaties heeft gebroken, in plaats van de code. Hoewel we weten dat alle zichtbare kleuren kunnen worden weergegeven door drie basistypen cellen, we weten niet precies hoeveel verschillende soorten cellen coderen voor de volledige combinatie van gezichtskenmerken of precies hoe ze zijn georganiseerd, zegt hij. En hoewel wetenschappers denken dat apen gezichten op dezelfde manier verwerken als mensen, kan zo'n uitgebreide studie niet in menselijke hersenen worden herhaald, zegt hij.

Toch, zegt Ed Connor, een neurowetenschapper aan de Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, vertegenwoordigt de studie een belangrijke doorbraak die bestemd is beroemd te blijven zolang mensen lezen over neurowetenschap. It komt heel dicht bij de kern van de menselijke ervaring, maar hier zien we de neurale basis. Voor mij wordt het gewoon niet spannender.