Наш мозг настолько настроен распознавать лица - или различать людей - что мы редко даже задумываемся об этом, но то, что происходит в мозге, когда он занимается таким распознаванием, все еще далеко от понимания. В новом исследовании , опубликованном сегодня в журнале Nature Communications, исследователи из Института науки Вейцмана пролили новый свет на этот вопрос. Они обнаружили поразительное сходство между тем, как лица кодируются в мозге и в успешно функционирующих системах искусственного интеллекта, известных как глубокие нейронные сети.

Когда мы смотрим на лицо, группы нейронов в зрительной коре активируются и запускают свои сигналы. На самом деле, некоторые группы нейронов избирательно реагируют на лица, но не на другие объекты. Но как активация отдельных нейронов собирается вместе, чтобы произвести восприятие и распознавание лица?

Профессор Рафи Малах из отдела нейробиологии и Шани Гроссман, аспирант из его группы, предложили решить этот вопрос путем сравнения активности человеческого мозга с глубинными нейронными сетями. Эти вычислительные системы, которые недавно произвели революцию в области искусственного интеллекта, обучаются выполнять задачи, изучая огромные наборы данных. За последние несколько лет они настолько сильно улучшились, что теперь они выполняют так же хорошо, как и люди, или даже лучше, на различных визуальных задачах, включая распознавание лиц.

Гроссман и Гай Газив, студент-исследователь факультета компьютерных наук и прикладной математики, проанализировали данные, полученные от 33 человек в лаборатории доктора Ашеша Мехта в Институте медицинских исследований имени Файнштейна в Манхассете, штат Нью-Йорк. Этот уникальный набор испытуемых - пациенты с эпилепсией, которым были имплантированы электроды в различные области их мозга с целью диагностики, и которые добровольно участвовали в различных исследовательских задачах.

Поскольку добровольцам была показана серия лиц из различных баз данных изображений, в том числе известных и незнакомых людей, их мозговая активность контролировалась с помощью записей с 96 электродов, имплантированных в ту часть мозга, которая отвечает за восприятие лица. Записи показали, что каждое лицо вызывало уникальный паттерн нейрональной активации, вовлекая различные группы нейронов, которые стреляли с разной интенсивностью. Интересно, что некоторые пары лиц вызывали сходные паттерны мозговой активности - то есть они имели сходные "сигнатуры" активности-в то время как другие вызывали паттерны активации, которые сильно отличались друг от друга. Исследователям было любопытно узнать, играют ли эти сигнатуры активации важную роль в нашей способности распознавать лица.

Они решили сравнить систему распознавания лиц человека с системой глубокой нейронной сети, имеющей аналогичную способность распознавания лиц. Эта искусственная сеть, слабо вдохновленная зрительной системой человека, содержит искусственные элементы, аналогичные нейронам, расположенным примерно в двух десятках "слоев"."Чтобы распознать лицо человека, искусственные нейроны в каждом слое выделяют и объединяют различные черты лица - от самых простых, таких как линии и примитивные формы, через более сложные, такие как части глаза и другие фрагменты лица, до таких окончательных, как личность человека.

Исследователи рассудили, что если паттерны кодирования лиц, которые они обнаружили в человеческом мозге, были критически важны для того, чтобы люди могли распознавать лица, такие сигнатуры также должны быть найдены в искусственной сети. Чтобы проверить, так ли это, они представили в сеть те же самые изображения лиц, показанные добровольцам-людям. Затем они проверили, не вызвали ли эти лица наборы исключающих лица паттернов активации, которые имели то же разнообразие и структуру, что и те, которые были обнаружены в человеческом мозге.

Интересно, что ученые обнаружили поразительную параллель между человеческими и искусственными системами. Он был наиболее заметен в средних слоях глубинной сети-тех, которые представляют собой фактический живописный внешний вид лиц, а не более абстрактную личную идентичность владельцев лиц.

"Очень информативно, что две такие кардинально различные системы-биологическая и искусственная, то есть мозг и глубокая нейронная сеть-эволюционировали таким образом, что они обладают схожими характеристиками", - говорит Малах. "Я бы назвал это конвергентной эволюцией-точно так же, как созданные человеком самолеты показывают сходство с крыльями насекомых, птиц и даже млекопитающих. Такая конвергенция указывает на решающее значение уникальных паттернов кодирования лиц в распознавании лиц."

"Наши результаты подтверждают гипотезу о том, что различные паттерны активации нейронов в ответ на различные лица, а также взаимосвязь между этими паттернами, играют ключевую роль в том, как мозг воспринимает лица", - говорит Гроссман. "Эти открытия могут помочь нам продвинуться в понимании того, как восприятие и распознавание лиц кодируются в человеческом мозге. С другой стороны, они также могут помочь в дальнейшем повышении производительности нейронных сетей, настраивая их таким образом, чтобы приблизить их к наблюдаемым паттернам реакции мозга."

Источник Истории:

Материалы предоставлены научным Институтом Вейцмана . Примечание: содержание может быть отредактировано для стиля и длины.