面孔神經(jīng)處理機(jī)制的研究及其信息建模.pdf

1、面孔作為人們?cè)谌粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷囊曈X體驗(yàn),是個(gè)體身份判斷和情緒識(shí)別最具鑒別性的表征之一。由于面孔在人們生存行為和社會(huì)交往中的特殊作用,面孔識(shí)別成為行為學(xué),腦科學(xué),認(rèn)知科學(xué)、信息建模研究者所共同關(guān)注的一個(gè)研究領(lǐng)域。面孔研究具有兩方面的理論意義。一方面,人腦是一個(gè)非常復(fù)雜的生物信息處理系統(tǒng),研究面孔識(shí)別為進(jìn)一步考察人腦對(duì)復(fù)雜視覺模式的信息處理模式奠定基礎(chǔ)。另一方面,理解面孔的神經(jīng)處理機(jī)制也會(huì)為基于計(jì)算機(jī)的面孔識(shí)別系統(tǒng)提供借鑒。就目前而言,雖

2、然來自多學(xué)科的研究成果使得對(duì)面孔識(shí)別的深入探討成為可能,但未能全面透徹地揭示面孔識(shí)別的神經(jīng)機(jī)制,距離該目標(biāo)仍需要大量的科研努力。
　　Leopold教授與Webster教授分別與2001年與2004年發(fā)現(xiàn)了面孔的身份與表情在高級(jí)視皮層可以被適應(yīng)(adaptation),并產(chǎn)生相應(yīng)的后效(aftereffect)。此項(xiàng)研究使得研究者可以通過適應(yīng)范例來揭示面孔在人腦中的神經(jīng)表征,為面孔研究提供了一項(xiàng)有效的測(cè)量手段。本文擬采用適應(yīng)范例來

3、研究面孔處理機(jī)制,并對(duì)其進(jìn)行信息上的建模。由于篇幅和時(shí)間所限,無法涉及到面孔識(shí)別的所有方面。本文主要關(guān)注三個(gè)與功能建模相關(guān)的基礎(chǔ)問題。首先,本文將研究面孔適應(yīng)的成因。由于面孔適應(yīng)是一個(gè)研究歷史較短的視覺效應(yīng),近期的一些研究雖然探討了適應(yīng)的類型和時(shí)間屬性,但其內(nèi)在機(jī)制還沒有得到清晰闡釋。建模面孔后效需要解決兩個(gè)基本問題。第一個(gè)問題是研究面孔皮層與低級(jí)視皮層之間是否存在跨層次適應(yīng)傳遞的可能性。由于面孔是由色彩,明暗,形狀等基本視覺屬性組成,

4、所以在面孔適應(yīng)發(fā)生的同時(shí),低層視覺系統(tǒng)也會(huì)被適應(yīng)并產(chǎn)生后效。如果低層后效會(huì)被傳遞到面孔處理區(qū)域,那么,面孔適應(yīng)可能并非來源于面孔神經(jīng)系統(tǒng),而只是低層適應(yīng)在高級(jí)視皮層的匯集。在此種情況下,應(yīng)用面孔適應(yīng)范例進(jìn)行面孔研究是不合理的,因?yàn)槊婵缀笮П旧聿⒉慌c面孔處理系統(tǒng)發(fā)生直接關(guān)聯(lián)。所以需要首先確定面孔后效與其他低層后效之間的功能關(guān)系。第二個(gè)問題是確定適應(yīng)時(shí)間對(duì)神經(jīng)元的抑制或激活程度的影響。歷史上的研究發(fā)現(xiàn),在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上,適應(yīng)會(huì)對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生

5、不同的抑制或者激活反應(yīng)。如果明確了神經(jīng)元的激活屬性,則可以通過仿真方法來建立面孔后效的計(jì)算模型。針對(duì)這兩個(gè)問題,本文首先通過測(cè)量低層色彩視覺刺激和形狀刺激在真實(shí)面孔上的后效尺寸,評(píng)估了低層神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)高層面孔系統(tǒng)的適應(yīng)傳遞。在確定了后效模型為層次型結(jié)構(gòu)后,通過單維度閾值估值法評(píng)估了不同適應(yīng)時(shí)間下神經(jīng)元的抑制和激活,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察為面孔后效建立了抑制銳化模型。通過對(duì)該問題的研究,奠定了后續(xù)研究的方法學(xué)基礎(chǔ)。
　　其次,本文研究表情的神

6、經(jīng)表征類型。過去20年中,面孔的身份識(shí)別和表情識(shí)別的研究存在著一定程度上的不平衡。面孔身份識(shí)別一般被放在心理物理學(xué),腦功能影像學(xué),和信息建模的研究范疇,這些領(lǐng)域的學(xué)者關(guān)注面孔信息在大腦中的功能組織和實(shí)現(xiàn)方式,并深入地探討了身份信息的大腦內(nèi)在神經(jīng)表征。而表情識(shí)別一般由社會(huì)心理學(xué)的學(xué)者進(jìn)行探討,他們相對(duì)關(guān)注表情信息在群體交往中傳達(dá)的特定社會(huì)意義,對(duì)于表情的神經(jīng)表征和編碼機(jī)制的理解一直囿于經(jīng)典功能模型,并未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。本文探討了表情在

7、視覺系統(tǒng)中內(nèi)在神經(jīng)表征方式。面孔信息可以被劃分為組件信息(例如,眼睛,鼻子,嘴巴等基本組件)和空間配置信息(例如,眼睛和嘴巴之間的空間距離)兩類。一部分學(xué)者提出,表情信息主要通過局部組件如眼睛區(qū)域和嘴巴區(qū)域進(jìn)行表達(dá),即只存在局部組件的神經(jīng)表征。而另一部分學(xué)者認(rèn)為,除了局部組件,空間配置在表情信息感知中也起到一定作用。為了辨析這兩種假設(shè),我們首先測(cè)量了不同局部組件在完整面孔上的表情后效,確認(rèn)了局部組件神經(jīng)表征的存在。然后,在保持局部組件不

8、變的情況下修改了面孔的空間配置,結(jié)果表明空間配置的改變顯著弱化表情后效,這在一定程度上證明了空間配置神經(jīng)表征的存在。該發(fā)現(xiàn)對(duì)表情識(shí)別的空間配置模型提供了支持。
　　最后,我們探討面孔的身份信息處理通路和表情信息處理通路的功能交互關(guān)系。人能夠輕易從不同表情中識(shí)別出同一個(gè)人的面孔(即面孔身份識(shí)別),也能夠從不同人的面孔上識(shí)別出同一種表情(即面孔表情識(shí)別),表情識(shí)別和身份識(shí)別是否獨(dú)立,互不干擾?對(duì)于這個(gè)問題,在面孔識(shí)別的研究歷史上一直存

9、在著爭(zhēng)議。經(jīng)典的面孔認(rèn)知模型認(rèn)為表情和身份識(shí)別在功能和解剖上是相互獨(dú)立的信息處理通路,這個(gè)假設(shè)廣泛得到了行為學(xué),腦功能影像學(xué),信息建模學(xué)的證據(jù)支持。然而,近期的研究卻發(fā)現(xiàn)在顳葉區(qū)的神經(jīng)元會(huì)以不同的延時(shí)來響應(yīng)面孔和身份信息,說明表情處理和身份處理存在著共有神經(jīng)表征的可能性。本研究采用交互干擾的方式,在改變面孔身份的情況下來測(cè)量表情后效,和在改變表情信息的情況下來測(cè)量身份后效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示出身份改變會(huì)顯著影響表情后效,但表情變化對(duì)身份后效無