Нейронные сети распознают лица подобно человеческому мозгу
Москва, 19:15, 31 Окт 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.
Наш мозг настолько способен распознавать лица, что мы даже перестаем думать об этом, но то, что происходит в мозге, когда он участвует в таком распознавании, все еще далеко не понято.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в Nature Communications, исследователи из Научного института Вейцмана пролили новый свет на эту проблему. Они обнаружили поразительное сходство между тем, как лица кодируются в мозге, и успешными системами искусственного интеллекта, известными как глубокие нейронные сети.
Когда мы смотрим на лицо, группы нейронов в зрительной коре активируются и запускают свои сигналы. Фактически, определенные группы нейронов реагируют избирательно на лица, но не на другие объекты. Но как активация отдельных нейронов объединяется, чтобы произвести восприятие и распознавание лица?
Профессор Рафи Малах из отделения нейробиологии и Шани Гроссман, аспирант в своей группе, решили решить этот вопрос, сравнив активность человеческого мозга с глубокими нейронными сетями. Эти вычислительные системы, которые недавно произвели революцию в области искусственного интеллекта, обучены выполнять задачи, изучая огромные массивы данных. За последние несколько лет они настолько улучшились, что теперь действуют так же хорошо, как и люди, или даже лучше, в различных визуальных задачах, включая распознавание лиц.
Ученые проанализировали данные, полученные от 33 человек в лаборатории доктора Ашеша Мехты в Институте медицинских исследований им. Файнштейна в Манхассете, Нью-Йорк. Этот уникальный набор субъектов — пациенты с эпилепсией, у которых были установлены электроды в различных областях их мозга с целью диагностики, и которые вызвались участвовать в различных исследовательских задачах.
Поскольку добровольцам были показаны серии лиц из разных баз данных изображений, включая известных и незнакомых людей, их активность мозга контролировалась с помощью записей 96 электродов, имплантированных в ту часть мозга, которая отвечает за восприятие лица. Записи показали, что каждое лицо вызывало уникальный паттерн активации нейронов, в котором участвовали разные группы нейронов, которые запускались с разной интенсивностью. Интересно, что некоторые пары лиц вызывали сходные паттерны активности мозга — то есть у них были похожие «сигнатуры» активности, в то время как другие выявляли паттерны активации, которые значительно отличались друг от друга. Исследователям было любопытно узнать, играют ли эти сигнатуры активации важную роль в нашей способности распознавать лица.
Они решили сравнить систему распознавания лиц человека с системой глубоких нейронных сетей, имеющих аналогичные возможности распознавания лиц. Эта искусственная сеть, вдохновленная зрительной системой человека, содержит искусственные элементы, аналогичные нейронам, расположенные примерно в двух десятках «слоев». Чтобы распознать лицо человека, искусственные нейроны в каждом слое выбирают и комбинируют различные черты лица — от самых простых, таких как линии и примитивные формы, до более сложных, таких как части глаза и другие фрагменты лица, до таких окончательных как личность человека.
Исследователи пришли к выводу, что если паттерны кодирования лиц, которые они обнаружили в человеческом мозге, имеют решающее значение для того, чтобы люди могли распознавать лица, такие сигнатуры также должны быть обнаружены в искусственной сети. Чтобы проверить, так ли это, они представили в сеть те же изображения лиц, которые были показаны людям-добровольцам. Затем они проверили, вызывали ли эти лица наборы эксклюзивных моделей активации лица, которые имели такое же разнообразие и структуру, как и те, которые были обнаружены в человеческом мозге.
Интересно, что ученые обнаружили поразительную параллель между человеком и искусственными системами. Это было наиболее заметно в средних слоях глубокой сети — тех, которые представляют реальный образный вид лиц, а не более абстрактную личную принадлежность владельцев лиц.
«Весьма информативно, что две такие кардинально разные системы — биологическая и искусственная, то есть мозг и глубокая нейронная сеть — развились таким образом, что они обладают сходными характеристиками», — говорит Малах. «Я бы назвал эту конвергентную эволюцию — так же, как созданные человеком самолеты демонстрируют сходство с крыльями насекомых, птиц и даже млекопитающих. Такая конвергенция указывает на исключительную важность уникальных моделей кодирования лиц для распознавания лиц».
«Наши результаты подтверждают гипотезу о том, что различные паттерны активации нейронов в ответ на разные лица, а также взаимосвязь между этими паттернами играют ключевую роль в том, как мозг воспринимает лица», — говорит Гроссман. «Эти результаты могут помочь улучшить наше понимание того, как восприятие и распознавание лица кодируются в человеческом мозге. С другой стороны, они могут также способствовать дальнейшему повышению производительности нейронных сетей, настраивая их так, чтобы приблизить их к наблюдению закономерностей реакции мозга».
