从出生到长大,我们是何时学会“看脸”的?

从出生到长大,我们是何时学会“看脸”的?
  来源:科学人公众号

  当17世纪的哲学家威廉·莫利纽兹(William Molyneux)将失明的少女娶回家时,他肯定没想到,自己会因缘际会成为视觉问题争论的焦点之一。

  作为一名哲学家,他提出了这样一个问题并与好友洛克进行了讨论:如果一个人先天失明,现已长大成人并学会了通过触觉区分立方体和球体,假设现在他又能看见了,那么在摸到物体之前他能通过视力区分哪个是立方体,哪个是球体吗?

  作为经验主义的哲学家,洛克在《人类理解论》中给出的回答是否定的。而直到莫利纽兹去世整整30年后,真实情况才得以初步验证。1728年,有医生为一个先天失明的13岁男孩摘除了白内障,并测试了他的视力。虽然男孩很聪明,然而完成基本的视觉任务对于刚恢复视力的他而言却困难重重。他没有距离感,也不知道什么是空间或大小,同样也分不清二维和三维,他感觉眼前的世界一片混乱。直到过了一段时间,他的大脑才逐渐适应了视觉信息。

  这种先天失明而后又恢复视力的案例在过去几百年也偶有出现,人们也逐渐意识到了先天基础和后天经验对培养一个健全大脑的必要性。

  而三百年后的今天,随着人们越来越重视看脸脑科学,这一现象也被深入研究以理解视觉系统的工作原理。就在最近,在5位印度的9-17岁的先天性失明儿童经过手术恢复视力之后,科学家研究了他们对人脸和非人脸图像区分能力的发展[17]。这篇论文发表在PNAS(美国国家科学院院刊)上,论文称,这些儿童在刚获得视力时无法区分人脸和非人脸,但是在以后几个月就发展出了这种能力,这也表明,这种人脸/非人脸区分能力的获得并不仅限于童年早期的一个关键时期。

  5位失明患者的信息。其中FC值代表能数清手指的距离,HM代表仅能看到手掌晃动,logMAR代表对数视力,为方便阅读,在“/”后给出了常见的缪式法(即5分表达法),正常视力为5,视力4.0相当于650度近视。制图:半个书生,数据来源:参考文献[17]

  根据脑科学的研究人们已经知道,人类在进化过程中发展出了专门识别人脸的脑区。其中右侧梭状回面孔区[1]是人脸认知的重要区域。刚出生的婴儿由于大脑发育不健全,因此无法认识人脸,直到7、8个月大时,小宝宝才对人脸有了辨识能力。普遍认为,在6岁之前,大脑一直在迅速发育,而胎儿期和两岁之前更是大脑生长发育的关键时期,两岁以后则主要是大脑细胞体积和重量的增加以及智力的开发。

  之前的相关研究表明,视觉功能的低级方面,如高分辨率视觉和双眼深度感知,都是在关键时期形成,这段时间内的视觉剥夺会造成这种能力的永久损失[2,3-6]。而关键时期是否也适用于如面部感知这种较高级别的视觉任务呢?在此之前,这个问题尚无答案,这主要是因为对关键时期的研究多是用动物进行的,因而难以评估高水平视觉的能力表现。早期的失明病人很少有人能重新获得视力,所以关于该问题的人类数据很少。但个人案例研究表明,早期视觉剥夺会损害病人的识别能力[7-11]。对失明约2-6个月后获得视力的儿童的研究表明,尽管他们在人脸识别方面表现出微弱的受损痕迹[12,13,14],但尚未发现他们在带有人脸模样的物体上看出人脸的能力受到损害。因此人们推测,人脸/非人脸识别能力在视力被短期剥夺之后可以恢复。然而,我们依然不知道,如果视觉剥夺持续时间超过人类所知的视觉关键时期,那么后果会如何?本文的研究便给出了这一问题的答案。

  为了验证视觉系统区分人脸和非人脸的能力是否也形成于发育关键期,数位科学家研究了5名早盲患者的视力发育过程,这5名患者经过医生们的悉心治疗,在幼儿期过去了数年之后终于获得了视力。科学家们测试了这些儿童对人脸和非人脸图像的区分能力,发现在刚恢复视力时,受试者无法区分人脸和非人脸,但这种能力在几个月内就有了很大改善。

  在患儿手术之后,研究人员用来测试患者对人脸/非人脸区分能力的刺激图像。从上到下每列与人脸的相似性递增,最底部为人脸正面图。整个数据集包含300张图像,并被分别标记为NF0(随机选择的非人脸图像),NFL、NFM、NFH(这些图像被[15]中计算机人脸识别系统分别以低、中、高的错误概率判定为人脸,并经过了[16]中人类评估者和相关计算指标的评价)和F(真正的人脸)。图片来源:参考文献[17]

  E为第五个患儿的能力恢复情况,F为这五个患儿的能力恢复平均情况。其中,横坐标表示治疗前后的时间,纵坐标表示将数据库中每类图片认作人脸的比例,前四类代表错误地将物体识别为人脸的比率,最后一类代表正确识别。图片来源:参考文献[17]

  论文的作者认为,这一研究表明,首先,人类识别人脸/非人脸的能力在关键时期之后也可以很好地形成;第二,这种能力的获得速度很快,只需要几个星期的视觉体验即可;第三,这种能力从没有到恢复正常呈现出等级式的发展。这表明这种视觉能力的形成可能不受制于严格的关键时期。作者也发现了一些有趣现象,比如所有被试者在恢复视力后视觉敏锐度仍在减小,这证明了关键期的存在,但是他们的人脸/非人脸识别能力却在提高,这个矛盾表明,针对不同的视觉技巧可能存在不同的关键期,而将各方面的视觉能力视为单一整体的观点可能存在问题[18-20]。这项研究也为今后对神经系统的研究和失明的治疗奠定了基础。

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