包括人类在内的灵长类动物如何区分不同的面孔？长期以来，科学家认为，这种能力归功于所谓的“面孔探测器”（FD）神经元；人们认为，这些神经元负责区分面孔及其他物体。但这一说法一直缺乏直接证据。
如今，麻省理工学院（MIT）的研究人员利用光遗传学——一种通过光控制神经活动的技术——首次提供了直接证据，将FD神经元与灵长类动物的面孔辨别能力联系起来，具体而言，是区分男性和女性的面孔。
研究人员让经过训练、能够正确识别男性或女性面孔图像的猕猴参与实验，并使用一种光敏蛋白抑制下颞（IT）皮层中FD神经元的若干亚区。下颞皮层是负责处理视觉信息的区域。抑制这些神经元后，研究人员观察到，动物正确识别性别的能力虽有所下降，但下降幅度较小且具有显著性。
“如果这些面孔探测器神经元参与了面孔辨别行为——也就是区分面孔的性别——那么，若我们抑制它们，这种行为理应受到影响。”麻省理工学院麦戈文脑科学研究所研究科学家、介绍这项研究的论文第一作者阿拉什·阿夫拉兹（Arash Afraz）说。这篇论文发表于 《美国国家科学院院刊》。
阿夫拉兹说，这项实验让人们在理解特定神经元与灵长类动物行为之间的联系方面向前迈进了一步。“你实际上必须扰动该神经元的激活，看看能否影响行为，”他说。“如果确实如此，就意味着这些神经元是该特定行为因果链的一部分。”
阿夫拉兹补充说，这项研究让人们得以更细致地了解灵长类动物的物体识别能力，也可能有助于开发需要与下颞皮层直接连接的视觉假体。更广泛而言，了解光遗传学抑制神经活动所需的光照强度，也可能有助于开发用于治疗颞叶癫痫患者的可植入疗法。阿夫拉兹说：“我们可以在皮层植入设备，在癫痫发作开始时自动启动，并用光抑制皮层活动。”
这项研究的合著者包括詹姆斯·迪卡洛（James DiCarlo），他是神经科学教授，也是麻省理工学院脑与认知科学系主任；以及埃德·博伊登（Ed Boyden），他是生物工程和脑与认知科学副教授，其团队开发了研究中使用的光遗传学工具。
抑制神经元
20世纪80年代，科学家首次提出存在FD神经元；当时的研究记录了神经活动对面孔图像作出的脉冲反应。阿夫拉兹说：“但我们[从未有过]神经元激活与面孔辨别之间明确的机制联系，也无法证明这不只是面孔检测。”
在发表于 《美国国家科学院院刊》 的论文中，麻省理工学院研究人员训练两只猕猴识别不同性别的面孔图像，准确率约为90%。具体做法是，他们在屏幕中央的注视点稍偏左或偏右的位置，显示具有不同特征的男性和女性面孔图像。随后，他们在屏幕上方和下方各显示一个圆点；如果面孔是女性，猕猴就看上方的圆点；如果是男性，就看下方的圆点。
随后，研究人员测量了猕猴下颞皮层中的神经活动，并找出若干FD神经元最密集和最稀疏的亚区。接着，他们将博伊登团队设计的一种病毒递送蛋白注入FD神经元密集和稀疏的亚区。这种名为ArchT的蛋白能在光照下抑制神经活动。
一个月后，猕猴在40场独立实验中观看了1600张男性和女性面孔的灰度图像，同时研究人员向经过ArchT处理的区域随机照射绿色光脉冲。研究人员发现，仅抑制FD神经元密集亚区中的1毫米区域——而非FD神经元稀疏亚区——就会损害动物正确识别面孔性别的能力，平均下降约2%。
阿夫拉兹说，将微小的神经元簇与识别性别的感知能力联系起来，表明这些神经元负责处理不同性别的面孔。他解释说：“大脑中某种信号编码得越明确的部位，似乎就越直接地参与相关行为。如果我们知道面孔性别信息在皮层一小块区域内编码得更明确，那么抑制这块皮层区域对行为造成的影响就会更大。”
新的探索方向
迪卡洛指出，尽管他的实验室研究视觉处理已有20年，但“这次与开发尖端工具的博伊登合作，打开了通往这项重大进展的大门，也开辟了一条全新的探索方向”。
博伊登说，作为有记录以来最早利用光遗传学诱发灵长类动物行为变化的研究之一，这项研究也展示了运用光遗传学研究灵长类动物视觉和行为的潜力。例如，与传统的神经抑制方法相比，光遗传学工具可以在短暂时间内精准作用于微小的神经元簇，从而更好地确定哪些特定神经元驱动了行为。
博伊登说：“我们正在探究大脑的实际回路，以及参与辨别[不同面孔]的确切神经元。这些工具的时间和空间分辨率都高于其他任何神经扰动方法。”
斯坦福大学神经生物学教授威廉·纽瑟姆（William Newsome）说，这项研究“通过一系列极具挑战性的实验，探讨了系统神经科学中的一个引人入胜的问题”，并同时采用了光遗传学和药物抑制技术。
他补充说：“这有力地证明，面孔探测神经元介导了区分不同面孔的感知能力——这是一个非常酷的结果。”
这项研究由美国国立卫生研究院资助。
本文由 麻省理工学院新闻（MIT News） 合作发布。本文的发布并不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：罗布·马西森（Rob Mathseon）是《麻省理工科技评论》的特约撰稿人。
图片：一名日本女商人（中）在东京丸之内区通勤上班。路透社/太田清志。
