כיצד המוח מזהה פרצופים

מאת קנוול שייח, הכתבה מתפרסמת באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל 26.09.2017

המוח האנושי התפתח כך שיוכל לזהות ולזכור פרצופים רבים ושונים. אנחנו מסוגלים לזהות מיד את תווי הפנים של חבר בין עשרות אנשים במסעדה הומה או ברחוב סואן. כמו כן, די לנו במבט קצר כדי לקבוע אם האדם נרגש או כועס, שמח או עצוב.

מחקרי הדמיית מוח גילו שכמה אזורים, שגודלם כגודל אוכמנייה, באונה הרקתית, האזור מתחת לרקות, מתמחים בתגובות לפרצופים. מדענים מכנים את האזורים האלה בשם “חלקות פנים”, אך גם סריקות המוח וגם מחקרים קליניים שנעשו על נבדקים עם אלקטרודות מושתלות לא הצליחו להסביר איך בדיוק פועלים התאים בחלקות האלה.

כעת, בזכות שילוב של הדמיות מוח והקלטות של תאי עצב יחידים בקופי מקוק, נראה שהביולוגית דוריס טסאו ועמיתיה במכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק) הצליחו לפצח את הקוד העצבי לזיהוי פנים אצל פרימטים. החוקרים גילו שקצב הירי של כל תא בחלקות הפנים תואם לתו פנים נפרד. את התאים האלה אפשר לכוונן במדויק, כמו מערך של חוגות, כך שיגיבו לפיסות קטנות של מידע, ולאחר מכן לשלב את המידע בדרכים שונות כדי ליצור תמונה של כל פרצוף שבעל החיים נתקל בו. “זה היה מדהים,” אומרת טסאו. “הערכים של כל חוגה צפויים כל כך, עד שאנחנו מסוגלים לשחזר את הפנים שהקוף רואה פשוט על ידי תיעוד של הפעילות החשמלית בתאים מזהי-הפנים שלו.”

מחקרים שקדמו לזה כבר סיפקו רמזים באשר לספציפיות של אזורי המוח האלה בקידוד פרצופים. בתחילת שנות האלפיים, כאשר טסאו הייתה פוסט-דוקטורנטית בבית הספר לרפואה של הרווארד, היא והאלקטרופיזיולוג וינריך פרייואלד הראו שתאי עצב בחלקות הפנים של קופים ירו בכל פעם שבעל החיים ראה תמונות של פרצופים. אותם תאים הראו פעילות מועטה בלבד – או לא הגיבו כלל – לעצמים אחרים, כגון תמונות של ירקות, מכשירי רדיו או חלקי גוף שאינם פנים. ניסויים אחרים העלו שתאי העצב באזורים האלה יכולים גם להבדיל בין פרצופים, אפילו כשהפנים מצוירות בקווים כלליים.

במקבץ ניסויים מפורסם שנערך ב-2005 על נבדקים אנושיים, גילה חוקר המוח רודריגו קיאן קירוגה שתמונות של שחקנית הקולנוע ג’ניפר אניסטון הפעילו תא מוח יחיד באזור ההיפוקמפוס (שזכה בעקבות כך לשם “תא העצב של ג’ניפר אניסטון“). לדברי קיאן קירוגה, שעובד כעת באוניברסיטת לסטר באנגליה ולא היה מעורב במחקר הנוכחי, ההשערה הייתה שתהליך דומה מתרחש במקומות נוספים באונה הצדית, והסברה הרווחת גרסה שכל תא עצב בחלקות הפנים רגיש למספר קטן של אנשים ספציפיים. אלא שלפי המחקר החדש של טסאו, נראה שסברה זו שגויה. “היא הראתה שתאי עצב בחלקות הפנים אינם מקודדים אנשים ספציפיים כלל, רק תווי פנים מסוימים,” אומר קיאן קירוגה. “זה משנה לגמרי את ההבנה שלנו לגבי האופן שבו אנחנו מזהים פרצופים.”

כדי לפענח כיצד תאי עצב מבצעים את מטלת הזיהוי הזאת, טסאו והפוסט-דוקטורנט סטיבן לה צ’אנג הפיקו 2,000 תצלומי פנים אנושיים עם שינויים ב-50 תווי פנים, ובכלל זה עגלגלות הפנים, המרחק בין העיניים, וצבע העור ומרקמו. הם הראו את התמונות האלה לשני קופים, תוך כדי רישום הפעילות החשמלית בתאי עצב יחידים בשלוש חלקות פנים נפרדות.

החוקרים גילו שכל תא עצב הגיב רק לתו אחד. לדברי צ’אנג, במקום לקודד את הפרצופים הנפרדים, כמו תא העצב של ג’ניפר אניסטון בהיפוקמפוס, תאי העצב בחלקות הפנים חילקו את התמונות לאזורים קטנים יותר וקודדו תווי פנים ספציפיים, כמו רוחב קו השיער. כמו כן, תאי העצב בחלקות פנים שונות עיבדו מידע משלים. בדומה לפועלים במפעל, לחלקות הפנים השונות יש תפקידים שונים, והן משתפות פעולה, מתקשרות ביניהן ומסתמכות זו על זו לצורך יצירת התמונה השלמה.

ברגע שצ’אנג וטסאו הבינו איך מתרחשת חלוקת העבודה הזאת, הם היו מסוגלים לחזות את תגובות תאי העצב לפרצוף חדש לגמרי. הם פיתחו מודל מתמטי שבו תווי פנים מקודדים על ידי תאי עצב שונים, ואז הראו לקופים תמונה של פנים שלא הוצגו קודם לכן (1). באמצעות האלגוריתם לחיזוי תגובות תאי העצב, הצליחו החוקרים לשחזר באופן דיגיטלי את הפנים שהקופים ראו (2). “השחזורים היו מדויקים להפליא,” אומרת טסאו. למעשה, היה קשה מאוד להבדיל בינם לבין התמונות שהקופים ראו בפועל.

לדברי טסאו, מה שמפליא עוד יותר היה, שהחוקרים היו צריכים להסתמך על מספר קטן יחסית של תאי עצב כדי לשחזר במדויק את הפנים שראו הקופים. האלגוריתם הסתפק ברישומים מ-205 תאים בלבד – 106 בחלקה אחת ו-99 באחרת. “זה באמת מוכיח עד כמה הקוד העצבי מבוסס-התווים הזה קומפקטי ויעיל.” הדבר עשוי גם להסביר מדוע פרימטים מוכשרים כל כך בזיהוי פנים, וכיצד אנחנו עשויים לזהות פרצופים מתוך מיליארדי אנשים שונים בלי שנזדקק למספר דומה של תאי פנים.

ממצאי המחקר, שפורסמו לאחרונה בכתב העת Cell, מספקים למדענים מודל מקיף ושיטתי לאופן שבו המוח תופס פרצופים. לדברי החוקרים, מנגנון מוחי זה אצל בני האדם דומה מאוד לזה של הקופים, וגם לנו יש חלקות פנים שמגיבות כמו אלה שלהם, כפי שמוכיחים מחקרים בדימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI). עם זאת, ייתכן שמספר חלקות הפנים אצל בני אדם שונה.

לדברי אדריאן נסטור, מדען מוח מאוניברסיטת טורונטו החוקר את חלקות הפנים בנבדקים אנושיים ושלא השתתף במחקר הנוכחי, הבנה של הקוד המוחי לזיהוי פנים יכולה לעזור למדענים לבדוק כיצד תאי הפנים משתמשים במידע מזהה נוסף, כגון מין, גיל, גזע, רמזים רגשיים ושמות. הבנה זו יכולה אפילו לשמש כמסגרת להבנה של האופן שבו המוח מעבד צורות שאינן פרצופים. נסטור מסביר ש”בסופו של דבר, החידה הזאת היא לא רק לגבי פרצופים. אנחנו מקווים שהקוד העצבי הזה מקיף גם זיהוי אובייקטים באופן כללי.”

לקריאה נוספת