我们的大脑已经进化出识别和记住面孔的能力。作为婴儿，我们最早学习的事情之一就是看着周围人的脸，回应眼神交流并模仿面部表情。成年后，这转化为比其他视觉刺激更好更快地识别人脸的能力。我们能够立即在拥挤的餐厅或城市街道上的人群中认出朋友的脸。而且我们只需 glance 一眼就能分辨出他们是兴奋还是生气，快乐还是悲伤。
识别面孔的容易程度掩盖了其潜在的认知复杂性。面孔的眼睛、鼻子和嘴巴都在相对相同的位置，但我们仍然可以从不同的角度、在昏暗的灯光下甚至在移动时准确地识别它们。脑成像研究表明，我们进化出了几个微小的区域，大小如蓝莓，位于颞叶（太阳穴下方的区域），专门负责对面孔做出反应。神经科学家将这些区域称为“面部斑块”。但是，来自脑部扫描仪（功能性磁共振成像）的数据，以及植入电极的患者的临床研究，都没有确切地解释这些面部斑块中的细胞是如何工作的。
现在，通过结合脑成像和猕猴的单神经元记录，生物学家多丽丝·曹和她在加州理工学院的同事们终于破解了面部识别的神经代码。研究人员发现，每个面部细胞的放电率对应于沿轴线的不同面部特征。就像一组刻度盘一样，这些细胞被微调到信息片段，然后它们可以将这些信息片段以不同的组合方式组合在一起，从而创建出每个可能的面孔的图像。“这太令人震惊了，”曹说。“每个刻度盘的值都是如此可预测，以至于我们只需跟踪猴子的面部细胞的电活动，就可以重建猴子所看到的面孔。”
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先前的研究已经暗示了这些大脑区域针对面孔的特异性。在 2000 年代初期，作为哈佛医学院的博士后，曹和她的合作者电生理学家温里希·弗赖瓦尔德从猴子身上获得了颅内记录，当时猴子们正在观看各种物体和人脸的幻灯片。每次屏幕上闪现人脸图片时，中间面部斑块中的神经元都会噼啪作响地发出电活动。对其他物体（例如蔬菜、收音机甚至其他身体部位的图像）的反应在很大程度上是缺失的。
进一步的实验表明，这些区域的神经元也可以区分个体面孔，甚至可以区分面孔的卡通图画。在人类受试者的海马体中，神经科学家罗德里戈·基安·奎罗加发现，女演员詹妮弗·安妮斯顿的照片在一个神经元中引起了反应。哈莉·贝瑞、披头士乐队成员或《辛普森一家》角色的照片则激活了不同的神经元。研究人员普遍认为，面部斑块中的每个神经元都对少数特定的人敏感，奎罗加说，他现在在英国莱斯特大学，并没有参与这项工作。但曹最近的研究表明，科学家们可能弄错了。“她已经表明，面部斑块中的神经元根本不编码特定的人，它们只是编码某些特征，”他说。“这彻底改变了我们对面部识别方式的理解。”
为了破译单个细胞如何帮助识别面孔，曹和她的博士后张斯蒂文在一些面孔周围画了点，并计算了 50 种不同特征的变化。然后，他们使用这些信息创建了 2,000 张不同的面孔图像，这些图像在形状和外观上各不相同，包括面部的圆度、眼睛之间的距离、肤色和纹理。接下来，研究人员向猴子展示了这些图像，同时记录了来自三个独立面部斑块中单个神经元的电活动。
呈现给猴子的八张真实面孔与通过分析猴子观看面孔时记录的 205 个神经元的电活动而重建的面孔形成对比。 图片来源：多丽丝·曹
对于每个神经元来说，重要的是单一特征轴。即使在观看不同的面孔时，例如，对发际线宽度敏感的神经元也会对该特征的变化做出反应。但是，如果面孔具有相同的发际线和不同大小的鼻子，则发际线神经元将保持沉默，张说。这些发现解释了先前持有的理论中长期存在争议的问题，即为什么单个神经元似乎可以识别完全不同的人。
此外，不同面部斑块中的神经元处理互补信息。一个面部斑块（前内侧斑块）中的细胞处理有关面孔外观的信息，例如眼睛或发际线等面部特征之间的距离。其他斑块（中外侧和中底区）中的细胞处理有关形状的信息，例如眼睛或嘴唇的轮廓。就像工厂里的工人一样，不同的面部斑块执行不同的工作，相互合作、沟通和相互配合，以提供完整的面部身份图景。
一旦张和曹知道了“工厂工人”之间是如何分工的，他们就可以预测神经元对全新面孔的反应。两人开发了一个模型，用于确定各种神经元编码的特征轴。然后，他们向猴子展示了一张新的人脸照片。研究人员使用他们关于各种神经元将如何反应的模型，能够重建猴子正在观看的面孔。“重建效果令人惊叹地准确，”曹说。事实上，它们几乎与展示给猴子的实际照片无法区分。
更令人惊讶的是，曹说，他们只需要从一小组神经元中读取数据，算法就可以准确地重建猴子正在观看的面孔。仅来自 205 个细胞的记录——一个斑块中的 106 个细胞和另一个斑块中的 99 个细胞——就足够了。“这确实说明了这种基于特征的神经代码是多么紧凑和高效，”她说。这也可能解释了为什么灵长类动物如此擅长面部识别，以及我们如何在不需要同样大量的面部细胞的情况下潜在地识别数十亿不同的人。
这些发现，于 6 月 1 日发表在《细胞》杂志上，为科学家们提供了关于大脑如何感知面孔的全面、系统的模型。多伦多大学研究人类受试者面部斑块的神经科学家阿德里安·内斯特也表示，该模型也为未来的研究开辟了有趣的途径，他也没有参与这项研究。他说，理解大脑中的面部代码可以帮助科学家研究面部细胞如何整合其他识别信息，例如性别、种族、情感线索和熟悉面孔的姓名。它甚至可以为解码大脑中如何处理其他非面部形状提供一个框架。“最终，这个谜题不仅仅关乎面孔，”内斯特说。“希望这种神经代码可以扩展到整体物体识别。”