梅根·霍尔：当我们看到朋友的脸时，我们如何瞬间知道他们是谁？蔡多丽仔细观察猴子的大脑模式，以帮助解开这个谜团。今年，她与南希·坎维舍尔和温里奇·弗赖瓦尔德一起获得了卡弗里神经科学奖，因为他们发现了大脑中发生面部识别的专门区域。
《大众科学》定制媒体与卡弗里奖合作，与蔡多丽进行了交谈，以了解更多关于她的发现以及她如何利用这些发现来解锁一个更大的问题——我们的大脑如何表征世界？
小时候，蔡多丽周围充满了科学。她的母亲是一名计算机程序员，她的父亲是一名数学家。
蔡多丽：我从小就觉得当科学家是最崇高的职业。这真的来自于我的父母和他们的谈话。这是我们家庭的一部分。
梅根·霍尔：但蔡多丽并不认为自己会成为一名科学家。
蔡多丽：我不认为自己对科学特别感兴趣。我喜欢数学。我的父母给了我几何问题，我喜欢那个。我小时候当然没有想过大脑。我喜欢玩。我玩芭比娃娃。我喜欢读传记。
梅根·霍尔：这一切在她六年级时发生了改变。
蔡多丽：我记得有一天早上醒来，突然，没有任何真正的原因，我想知道空间是无限的还是不是。因为如果空间是无限的，那似乎不可思议。我以前从未想过无限。如果不是，那又怎么可能呢？对吧？所以，我一直在这个循环中徘徊，我记得我为此着迷了好几天。
梅根·霍尔：她在高中时重新审视了这个问题，当时她开始阅读有关人工智能和神经科学的书籍。像伊曼努尔·康德这样的哲学家的著作让她思考我们的大脑如何感知空间。你认为为什么这个问题如此吸引你？
蔡多丽：这有点好笑，我一直认为自己很特别，但我的孩子们，他们六岁左右，他们现在也会问我这个问题。所以，我认为这是一个很自然的问题。也许每个孩子在某个时候都会想到这个问题。
梅根·霍尔：但蔡多丽一直在思考这个问题。不过，她仍然无法准确地 pinpoint 她在寻找什么。她说她去加州理工学院上大学是因为她喜欢当科学家的想法。
蔡多丽：而且我已经读过所有关于大脑的书籍，等等。所以，我对那有浪漫的幻想，但这更像是一种关于我的生活会是什么样子的幻想，而不是出于对世界的问题的驱动。
梅根·霍尔：然后，发生了一件很平常的事情。她和父亲一起去露营，他让她校对他的一篇学术论文。他的第一语言是中文，所以...
蔡多丽：他会把他的论文给我，让我纠正英语错误。我从初中、高中就开始做这件事，我不知道他的论文是什么——它们就像胡言乱语——但我可以弄清楚动词与主语不一致。
梅根·霍尔：但这一次不同了。凭借她在加州理工学院的训练，蔡多丽实际上理解了他在写什么。
蔡多丽：这个想法让我感到惊讶，就像这个想法本身一样。
梅根·霍尔：她父亲的论文中描述了我们的大脑如何帮助我们以三维方式看待世界。
蔡多丽：我只是觉得它太美了。就像大脑正在创造我们的感知一样，突然它有了数学的外衣。这就像一个解释它是如何运作的真实框架。
梅根·霍尔：那时一切都水到渠成了。
蔡多丽：突然，我想了解三维空间以及无限空间如何成为可能的梦想，我可以在大脑中发现一些美丽事物的感受，然后就是与父亲的这种联系。我们是一个移民家庭。我们一直有一种感觉，我们必须在这个国家、在这片新的土地上证明自己。所以，所有这些想法都汇集在一起，感觉就像，哇，我可以去证明这个惊人的理论，是的，我会去赢得大奖。
梅根·霍尔：你做到了！
蔡多丽：是的！事情并没有完全按照这个方式发展，但是...
梅根·霍尔：蔡多丽继续在哈佛大学读研究生，以证明她父亲关于我们的大脑如何处理三维世界的理论。为了做到这一点，她花了多年时间与猕猴一起工作。那是因为...
蔡多丽：视觉系统在所有这些细节上几乎与人类视觉系统完全相同。它们就像复制品。这真是一件值得一看的美丽事物。
梅根·霍尔：所以，她给猴子戴上 3D 眼镜，向它们展示不同的图像，并使用电极来测量它们大脑中发生的事情——一次一个神经元。三年里...
蔡多丽：我一无所获。我把这个告诉我的学生，让他们放心。我告诉他们科学是非常非线性的。你可以毫无进展，然后突然间一切都起飞了。
梅根·霍尔：当她加入马萨诸塞州总医院的一个研究小组时，事情终于有了进展。在那里，她帮助开展了一个项目，该项目使用功能性磁共振成像或 fMRI 测量猴子整个大脑的血流。
蔡多丽：fMRI 可以让你鸟瞰所有被激活的区域以及它们被特定刺激激活的程度。所以，这对我来说似乎是一个令人兴奋的机会。
梅根·霍尔：大约在这个时候，蔡多丽听说了她的同事获奖者南希·坎维舍尔的工作。
蔡多丽：她当时是麻省理工学院炙手可热的新教授。我读了她关于在人脑中发现面部区域的论文。它报告说，大脑中有一个区域只对面孔做出反应。
梅根·霍尔：蔡多丽对这个想法感到震惊和困惑。
蔡多丽：因为我从内省中感觉不到面孔与任何其他东西有什么不同，它看起来如此容易理解和简单。你怎么能有一个只关心面孔的区域呢？我认为它会是一些非常复杂的代码，对吧？
梅根·霍尔：所以，蔡多丽决定用猴子重复南希·坎维舍尔的人体实验。
蔡多丽：给它们看面孔和非面孔物体的图片，然后比较——猴子大脑中是否有任何体素对面的反应比其他物体更强烈？这是一个风险很低的实验，因为实验很简单。这就像一个晚上的扫描。如果它不起作用，那完全没问题。
梅根·霍尔：在那晚的扫描中...
蔡多丽：我们看到这个区域对着面孔亮了起来。我们再次扫描了猴子，同一个区域再次亮了起来。后来，我们得到了一个更好的线圈，我们看到其中六个区域亮了起来，而且始终是相同的六个区域。对吧？然后我们扫描了另一只猴子，它显示了大致相同的模式。而且，这些区域在两个半球的位置非常相似。所以，很明显它们不是随机的。
梅根·霍尔：经过三年毫无成果的研究，蔡多丽偶然发现了一些新的、可复制的东西：六个附近的大脑组织斑块，它们可以识别面孔。
蔡多丽：这是我第一次取得进展。我理解科学的循环是什么了，对吧？以前，我只是在追逐一个幻想。我不知道自己在做什么，但现在它就像一个闭环。你有一个新的发现，现在你有新的问题。
梅根·霍尔：她的第一个问题是这些大脑区域中的单个细胞在做什么？它们都与面孔有关吗？
蔡多丽：我不知道会发生什么。我的期望并不高。
梅根·霍尔：大约在这个时候，她与她的同事获奖者温里奇·弗赖瓦尔德合作。他们回到了她早期研究中使用的方法——将电极植入猴子的大脑中，以监测细胞如何对不同的图像做出反应。
蔡多丽：我记得我们的第一个实验。我们降低了电极。我们到达了面部区域，我们期望面部区域所在的位置，我们可以听到电活动。我们展示了面孔和其他物体的图片，细胞会对着面孔做出反应。而且非常清楚，对面孔有选择性。然后我们记录了另一个细胞，结果完全一样。它对面孔的反应更强烈。
梅根·霍尔：当这部分研究完成时...
蔡多丽：我做梦也没想到我们实际发现的结果，即该区域的所有细胞都具有面部选择性。
梅根·霍尔：这一发现开启了一系列全新的问题。所有这些不同的大脑区域是如何相互关联的？在识别面孔时，每个细胞具体在做什么？
蔡多丽：我们只是要去弄清楚，就像这个宝箱一样，那里发生了什么？
梅根·霍尔：蔡多丽在接下来的 20 年里不断深入挖掘这些问题。早期，她和她的团队发现，其中一些脑细胞对特定的面部部位做出反应。
蔡多丽：其中一些需要眼睛和头发同时存在。另一些需要鼻子和嘴巴。几乎所有都需要眼睛。眼睛是非常非常有效的特征。
梅根·霍尔：其他细胞则对脸的朝向做出反应。
蔡多丽：所以，在这个区域的细胞，我们称之为 ML，或中间面部斑块，这些细胞对视图非常挑剔。因此，如果它对面向左侧的细胞做出反应，例如左侧轮廓的面孔，那么它就不会对从下方到右侧的面孔做出反应。
梅根·霍尔：蔡多丽和她的团队还一次刺激六个大脑区域或面部斑块中的一个，以了解它们如何协同工作。
蔡多丽：结果非常漂亮。我们刺激一个面部斑块，其他面部斑块也会亮起来，以及其他一些区域。因此，它真的让我们了解了这些区域是如何连接的。
梅根·霍尔：发现不断涌现。随着时间的推移，蔡多丽和她的团队建立了一个全面的字典，解码这些面部识别细胞的工作原理。此时，她觉得自己完全理解了它们，以至于她可以反向进行实验。
蔡多丽 (Doris Tsao)：我们做了一个演示，我们只是听神经元的反应。我们不知道猴子看到了什么。仅仅通过了解字典和聆听神经元的反应，我们就可以重建我们认为猴子看到的东西。如果你看看重建的图像，它们看起来和猴子实际看到的完全一样。
梅根·霍尔 (Megan Hall)：哇！所以，你仅仅根据神经元的放电就可以画出一幅画？
蔡多丽 (Doris Tsao)：是的！是的。
梅根·霍尔 (Megan Hall)：多丽因这项工作获得了卡夫利奖，但这并不是她真正的热情所在...
蔡多丽 (Doris Tsao)：老实说，我对我们如何看到面孔没有特别的兴趣。
梅根·霍尔 (Megan Hall)：她仍然想回答她和父亲露营旅行时提出的那些更大的问题。我们如何看到 3D 图像？大脑如何呈现世界？幸运的是，她从对面孔的研究中所学到的知识正在帮助多丽扩展她的研究。
蔡多丽 (Doris Tsao)：我逐渐意识到，看到面孔的问题实际上是看到世界的问题的缩影。结果发现，大脑的这一部分存在一整套网络，它们的组织方式与面部区域网络完全相同。
梅根·霍尔 (Megan Hall)：只不过，它们识别的不是面孔，而是不同类型的形状。
蔡多丽 (Doris Tsao)：比如尖锐的东西和粗短的东西，弯曲的东西和块状的东西。蜘蛛是尖锐的东西。直升机是尖锐的东西。U盘是粗短的东西。收音机是粗短的东西。所以，你能想到的每一个物体，你都可以把它放在这个空间中的某个位置。
梅根·霍尔 (Megan Hall)：所以，听起来你正在构建越来越详细的大脑地图？
蔡多丽 (Doris Tsao)：是的！现在，我们面临的最大问题是我们如何呈现整个场景？
梅根·霍尔 (Megan Hall)：到目前为止，所有这些实验都涉及到在猴子面前闪烁图像，观察它们的大脑如何反应。但这并不是任何人实际看到世界的方式。
蔡多丽 (Doris Tsao)：在现实世界的视觉中，有非常多的不同物体，你不仅要呈现你正在看的东西，还要呈现其他东西的位置，对吧？这样你才能知道接下来该看哪里，例如。所以，这是我们正在努力解决的一个大问题。
梅根·霍尔 (Megan Hall)：就你想弄清楚的问题而言，这是你的下一个前沿领域吗？
蔡多丽 (Doris Tsao)：是的，是的。我们想了解大脑如何呈现世界。那一直都是我的梦想。
梅根·霍尔 (Megan Hall)：回到那次露营旅行。
蔡多丽 (Doris Tsao)：在六年级的时候。甚至更早的时候，是的。
梅根·霍尔 (Megan Hall)：在多丽最初有了那些顿悟的几十年后，她终于回到了她想去的地方。她甚至和她的父亲发表了一篇关于 3D 视觉的论文。
蔡多丽 (Doris Tsao)：我们去露营，我接触到了这个美好的想法，之后我和他一直在讨论这些想法。
梅根·霍尔 (Megan Hall)：多丽说她现在处于最好的位置。她有自己的实验室、才华横溢的学生和博士后，以及深入探索我们的大脑如何向我们展示世界的奥秘的自由。
蔡多丽是加州大学伯克利分校的神经科学教授，也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。今年，她与南希·坎维舍 (Nancy Kanwisher) 和温里奇·弗雷瓦尔德 (Winrich Freiwald) 分享了卡夫利神经科学奖。
卡夫利奖旨在表彰科学家在天体物理学、纳米科学和神经科学领域的突破，改变我们对大、小和复杂事物的理解。卡夫利奖是挪威科学与文学院、挪威教育和研究部以及美国卡夫利基金会之间的合作伙伴关系。
这项工作由《大众科学》定制媒体制作，并由卡夫利奖资助。