Cómo salvamos rostros: los investigadores descifran el código de reconocimiento facial del cerebro
Nota del editor (5/10/18): Doris Tsao ha sido conocida desde una edad relativamente joven como una científica líder en cómo el cerebro reconoce rostros. El 4 de octubre, la Fundación John D. y Kathryn T. MacArthur honró a Tsao con 25 becas (premios «genio») para 2018 ($625,000 durante los próximos cinco años). Al hacerlo, la Fundación admite: «Su investigación más famosa se centra en descubrir los principios neuronales subyacentes que subyacen en una de las tareas más especializadas y socialmente importantes del cerebro: reconocer un rostro. Un artículo de noticias publicado el año pasado sobre el trabajo de Cao sobre el sistema neuronal El código de la cara dice lo siguiente.Estén atentos al artículo de Tsao sobre reconocimiento facial en los próximos meses. científico americano.
El cerebro ha evolucionado para reconocer y recordar muchas caras diferentes. En un restaurante lleno de gente o en una calle concurrida, podemos reconocer instantáneamente la expresión de un amigo entre docenas de personas. Una breve mirada puede decirnos si esa persona está emocionada o enojada, feliz o triste.
Los estudios de imágenes cerebrales han demostrado que varias regiones del tamaño de un arándano en el lóbulo temporal (el área debajo de las sienes) responden específicamente a las caras. Los neurocientíficos llaman a estas áreas «parches faciales». Pero ni los escáneres cerebrales ni los estudios clínicos de pacientes con electrodos implantados explican exactamente cómo funcionan las células de estos parches.
Ahora, la bióloga de Caltech Doris Tsao y sus colegas, utilizando una combinación de imágenes cerebrales y grabaciones de una sola neurona en monos macacos, parecen haber finalmente descifrado el código neuronal para el reconocimiento facial en primates. Los investigadores encontraron que la tasa de disparo de cada célula del parche facial corresponde a una característica facial individual. Al igual que un conjunto de diales, las células se pueden ajustar para responder a fragmentos de información, que luego se pueden combinar de varias maneras para crear una imagen de cada rostro que encuentra el animal. «Es emocionante», dijo Cao. «Los valores de cada dial eran tan predecibles que pudimos reconstruir la cara que vio el mono simplemente rastreando la actividad eléctrica de las células faciales del mono».
Estudios previos han insinuado la especificidad de estas regiones del cerebro para la codificación facial. A principios de la década de 2000, cuando Tsao era investigadora postdoctoral en la Escuela de Medicina de Harvard, ella y el electrofisiólogo Winrich Freiwald demostraron que cada vez que un mono veía una foto de una cara, las neuronas en el parche de la cara del mono enviaban una señal eléctrica. Pero las mismas células cerebrales tenían poca respuesta a otros objetos, como vegetales, radios o imágenes de partes del cuerpo no faciales. Otros experimentos han demostrado que las neuronas en estas regiones también pueden distinguir rostros individuales, incluso si son personajes de dibujos animados.
En un famoso conjunto de experimentos con humanos en 2005, el neurocientífico Rodrigo Quan Quiroga descubrió que las imágenes de la actriz Jennifer Aniston activaban una célula cerebral en el hipocampo, la llamada neurona de Jennifer Aniston. Se pensaba que procesos similares ocurrían en otras partes del lóbulo temporal, y la teoría predominante en ese momento era que cada neurona en el parche facial era sensible a unas pocas personas específicas, dice Quian Quiroga, quien ahora trabaja en la Universidad de Leicester en el Reino Unido. ., y no participó en el trabajo actual. Pero la investigación reciente de Cao sugiere que esta teoría puede estar equivocada. «Ella ha demostrado que las neuronas en el parche facial no codifican a una persona específica en absoluto. Solo codifican ciertas características», dijo Quian Quiroga. «Esto cambia por completo nuestra comprensión de cómo reconocer rostros».
Para descifrar cómo las células realizan esta tarea de reconocimiento, Tsao y el postdoctorado Steven Le Chang produjeron 2000 fotografías de rostros humanos con variaciones en 50 características, incluida la redondez facial, la distancia entre los ojos y el tono y la textura de la piel. Mostraron las imágenes a dos monos mientras registraban simultáneamente la actividad eléctrica de las neuronas individuales en tres parches faciales diferentes en ambos animales.
Los investigadores encontraron que cada neurona respondía a una sola característica. En lugar de codificar la cara de un individuo como lo hacen las neuronas de Jennifer Aniston en el hipocampo, dijo Chang, las neuronas del parche facial dividen la imagen en regiones más pequeñas y codifican características específicas, como el ancho de la línea del cabello. Además, las neuronas en diferentes parches faciales procesan información complementaria. Al igual que los trabajadores de la fábrica, los diversos protectores faciales tienen diferentes trabajos, colaborando, comunicándose y construyendo entre sí para brindar una imagen completa.
Una vez que Zhang y Cao supieron cómo se produjo esta división del trabajo, pudieron predecir cómo responderían las neuronas a una cara nueva. Desarrollaron un modelo matemático en el que varias neuronas codifican los rasgos faciales. Luego le mostraron al mono una imagen de un rostro humano nunca antes visto (1). Usando su algoritmo para estudiar las respuestas de varias neuronas, los investigadores pudieron recrear digitalmente las caras que habían visto los monos.2). «La precisión de la recreación es asombrosa», dijo Cao. De hecho, eran casi indistinguibles de las fotos reales que vieron los monos.
Aún más sorprendente, dijo Tsao, los investigadores solo necesitaron lecturas de un conjunto relativamente pequeño de neuronas para que el algoritmo reconstruyera con precisión las caras que vieron los monos. Las grabaciones de solo 205 celdas, 106 en un parche y 99 en el otro, fueron suficientes. «Realmente muestra cuán compacto y eficiente es este código neuronal basado en características», dijo. También podría explicar por qué los primates son tan buenos en el reconocimiento facial y cómo podemos distinguir miles de millones de personas diferentes sin necesitar la misma cantidad de células faciales.
Los hallazgos fueron publicados recientemente en célula, Proporciona a los científicos un modelo completo y sistemático para comprender cómo el cerebro percibe las caras. Según los investigadores, este mecanismo del cerebro humano es muy similar al de los monos, y nuestros parches faciales respondieron de manera similar a las imágenes de los estudios de resonancia magnética funcional. Sin embargo, la cantidad de parches faciales puede variar.
Adrian Nestor, neurocientífico de la Universidad de Toronto, estudió parches faciales en sujetos humanos y no participó en el estudio. Incluso podría proporcionar un marco para decodificar cómo el cerebro procesa las formas no faciales. «En última instancia, este rompecabezas no se trata solo de caras», explicó. «Con suerte, este código neuronal se puede extender al reconocimiento de objetos completos».