大腦這樣辨識臉孔

科學家發現，大腦中有專司臉孔辨識的區域，探索這些腦區的運作方式，能讓我們更深入了解視覺認知的神經機制。

撰文／曹穎（Doris Y. Tsao）
翻譯／鄧子衿

我讀高中的時候，某天在微積分課程學到，以一對微分方程式描述掠食者和獵物交互作用的模型，其結果便能畫成無數個封閉曲線，畫出來的圖由許多同心圓構成，類似箭靶。除此之外，這些曲線的密度會依座標位置而改變。
我覺得最後這個敘述非常奇怪。我可以輕易想像一組數量有限的曲線靠得非常近或是距離非常遠，但是數量無窮的曲線怎麼能在某個區域密度變高而在其他區域變低呢？後來我很快就學到「無窮」也有不同類型，有些類型的無窮具有矛盾性質，例如「希爾伯特旅館悖論」（Hilbert’s Hotel，旅館中的房間總是訂滿，但是一直能夠讓新客人住進來），以及巴拿赫—塔斯基蘋果悖論（Banach-Tarski apple，把一顆蘋果切成五份，然後重新組合成體積和原來蘋果相同的兩顆蘋果）。我花了很多時間鑽研這方面的數學證明，最後我驚訝地了解到，那只是運用數學符號得到的魔術，並不是現實世界會發生的結果，但我在那時便對這種現象產生了興趣。
後來我就讀加州理工學院大學部時，研讀了神經生物學家休伯爾（David Hubel）和瑞典神經科學家維瑟爾（Torsten Wiesel）所進行的實驗以及重大發現：腦中主要視覺皮質（primary visual cortex）從眼睛傳來的影像中提取出圖形邊緣的方式。這讓我想到在高中時期讓我深深著迷的事：想像不同類型的無窮大。但這和我高中時期所學的數學技巧不同。休伯爾和維瑟爾所描述的圖形邊緣是由神經元的活動產生，確實存在於腦中。我領悟到，視覺神經科學能讓我們了解到感知一條曲線時的神經活動。
這種體悟引發的興奮之情難以言喻。我相信生命中每個階段都有其任務，念大學時的任務就是做夢，找尋令人心動不已、值得終身投入的目標。事實上，這在科學研究中也是最重要的步驟：找到正確的問題。探索視覺認知這個難題讓我深深著迷，我開始研究腦中電生理活動的模式如何才能夠編碼成視覺中感知到的物體；不只是直線和曲線，而是如同臉孔那種難以嚴格定義的形體。要達成這個目標，需要找出腦中專門負責臉孔辨識的區域，並解析臉孔辨識功能的神經編碼：這種神經電衝動的模式讓我們能夠辨認出周遭的人。
這趟發現之旅始於哈佛大學，我在那裡念研究所，專攻立體視覺（stereopsis）。視覺中的景深來自於兩眼影像間的差異。某天我讀到目前任職於麻省理工學院的神經科學家坎維西爾（Nancy Kanwisher）和同事發表的一篇論文，他們使用功能性磁共振造影（fMRI）掃描人腦時發現，有一個腦區對人臉影像的反應比對其他物體的影像反應更激烈。我覺得這篇論文很奇怪，我總認為大腦是由類似基底核（basal ganglia）、額葉眼眶面皮質（orbitofrontal cortex）等功能不明確的結構所組成，我們仍處於探索功能的階段。大腦存在某個腦區專司臉孔辨識，這樣簡單的答案看起來不可能是真的。任何人都可以合理猜想臉孔辨識腦區的功能，它應該能描繪出我們認識的各個臉孔，以及表情與性別。
研究生時期，我應用fMRI找出猴子受到立體影像刺激時，腦中神經元活化的區域。我決定讓猴子觀看臉孔和其他物品的照片，比較猴子觀看臉孔和其他物體時的神經元活動時，我發現顳葉中有幾個區域在猴子觀看臉孔時才活化，特別是下顳葉（inferotemporal, IT）皮質區。1970年代初期，物體視覺認知領域的先驅、心理學家葛羅斯（Charles Gross）就已發現獼猴的IT皮質有專門負責臉孔辨識的神經元。只不過當時他認為這些神經元是隨機分散在整個IT皮質中，但我們的fMRI結果首度顯示，辨識臉孔的神經元可能只在IT皮質中的某些位置。