《认知神经高级知觉》PPT课件

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1、 高级知觉 关于面孔识别的研究 李坚 2010 面孔识别 一种令人惊奇的能力 面孔识别研究的意义 面孔是一种内容非常丰富的非言语刺激，可提供性别，年龄，表情和个体特 征的信息。尽管面孔千差万别，但人类对面孔细微识别的能力是惊人的。 通过面孔识别的研究，可以揭示大脑认知功能原理。深入了解 what通路的加 工机制。 面孔识别是人们社会生活的一项重要功能，对模式识别，计算机科学等应用 及脑损伤的临床研究有重要意义。 面孔识别障碍 prosopagnosia (面孔失认症） prosopagnosia (面孔失认症）是在面孔识别上有障碍，但 是这种障碍并不能直接归因于患者的智力问题。 和所有的 vi

2、sual agnosia (视觉失认症）一样 prosopagnosia (面孔失认症）只是在视觉形态上有缺陷， 他们可以通过语音来辨别身份。 prosopagnosia (面孔失认症）不管对熟悉还是不熟悉的人 都很难再认。 Bilateral occipital (双侧枕叶）损伤的患者（ Pallis,1955）不仅不认识自己的 妻子，甚至连自己也不认识。但是他的其它记忆能力甚至超过常人，它能够 迅速的再认一般物体，能够完成一般 agnosia (失认症）患者不能完成得任务。 面孔失认症病人能够很好的完成 Warringtons stand perception categorization

3、 tasks,但是用面孔 刺激替代物体，他们就不能完成。 面孔识别是特殊的么？ Are face special ? 面孔知觉的两个观点 （ 1）面孔知觉是使用一种特殊的加工机制，这种机制不同于一般物体的识别。 持进化论观点的人支持这个观点，他们认为面孔和面部表情的识别对我们有 重大的意义，所以在长期的进化过程中形成了一种对面孔识别的特殊机制。 （ 2）只存在一种识别系统，它负责识别所有的视觉输入信息。 衡量面孔识别与物体识别差异的标准。 （ Farah, 2000） （ 1）脑定位：参与面孔识别与物体识别的脑结构和脑机制不同。 （ 2）加工系统标准：每个系统独立运作，不依靠另外一个系统。 （

4、 3）信息处理方式：两个系统以不同的方式处理信息。 面孔识别的神经机制 -参与面孔识别与物体识别的脑结构和脑机制不同。 面孔失认症患者脑损伤部位 目前只发现少数患者只是在面孔识别上有障碍。更多的患者是不仅在 面孔识别上有障碍，而且在其它物体识别能力上也低于正常水平。 由于面孔失认症很少是单独发作的，这种遗忘症一般是由多发性中风， head trauma (头部创伤），脑炎，或中毒导致的大脑双侧损伤而产生 的。 然而这就很难说明面孔识别存在一个特殊的脑机制。即使 存在特殊的面孔识别机制，其它的视觉区域也会受到损伤， 所以我们也无法将它们分离。 对面孔失认症患者脑损伤部位描述性分析 有研究者（ M

5、artha Farah， 1990）统计了 81名报告为面孔失认症的患者脑损 伤部位 。 81人中有 65%患者是双侧损伤。 （如果患者死后进行解剖这个比率 可能会更高，因为 CT或 MRI frequency对一些损伤可能侦测不到， 尤其在头部创伤的情况下。） 但还是有 35%的患者只是单侧损伤， 而且右侧损伤的概率（ 29%） 远远高于左侧损伤的概率（ 6%）。 不管是双侧还是单侧损伤，损伤部位 一般都包含枕叶和颞叶。 灵长类动物对面孔刺激的电生理研究 有研究者（ Baylis et al.,1985)给猴子呈现十张不同的图片，其中包括 四张其它猴子面孔，一张主试的面孔，另外五张是复杂程度

6、不同的其 他刺激图片，但这些图片每张都包含了一种面孔的显著特征。比如光 栅反应了脸的对称性，圆和眼睛的特性相似。然后记录猴子颞上沟 （ superior temporal sulcus） 细胞的放电。 结果发现有些细胞具有高度选择性，其中一些细胞只对清晰的正面的 其它猴子的脸高度敏感，一些细胞对所有面孔刺激都敏感。但其它刺 激很难激活这些细胞，和一般刺激相比较呈现面孔刺激时这些细胞的 激活率低于呈现非面孔刺激。 是否存在问题？ 虽然近二十年的大量研究证明，颞叶两个不同区域的细胞对面孔刺激非常敏 感，一个是 颞下回（ inferior temporal gyrus ） 另一个是 颞上沟 （ su

7、perior temporal sulcus）。 但是这些研究并不足以说明细胞的这些反应是针对面孔刺激的。首先我们不 可能去测试所有的刺激，其次这个区域的大量细胞活动可能是由非面孔刺激 促发的。比如面孔刺激可能诱发情绪反应，这可能就是某些细胞对面孔有强 烈反应，而对其它非面孔刺激不反应的原因。尽管有研究证明产生恐惧的刺 激并不能引起相同细胞的激活。 面孔识别 FMRI的一些研究 FMRI技术的出现和发展比对脑损伤患者的研究为面孔识别提供更精确的空间 脑区定位。同时 FMRI的无创伤性让对正常让人的研究成为可能。 我们通过比较被试看不同类型的刺激物的脑成像能回答两个问题。 （ 1）当被试看面孔刺

8、激和非面孔刺激时哪些神经区域表现出不同的激活模式。 （ 2）这些面孔特殊区域是否也可以由其它非面孔刺激可以激活？ 研究者做过这样一项实验（ McCarthy et al.,1997） 向被试呈现面孔图片图片， 无生命的物体图片，或随机花纹的图案。 结果：（ 1）和被试消极观看随机花纹图案 相比，面孔图片刺激导致颞叶腹侧面 梭状回区域（ fusiform gyrus)更强的 BOLD反应 . （ 2）将面孔分类任务和物体分类任务 的激活区域对比，发现右半球的激活仍然显著。 这些研究结果是和前面脑损伤患者的观察数据记过是一致 的。说明 梭状回 （ fusiform gyrus） 尤其是右半球，在面

9、 孔识别种具有重要作用。 更准确的讲，这项 FMRI的研究数据中显示 ,面孔识别精细 单元只存在于右半球，因为左半球的梭状回是即对面孔刺 激又反应同时也对无生命的物体有同样反应。 在另一个实验中用花的图片代替面孔图片。 结果证实左半球梭状回对一般物体刺激 都能反应， 不管是面孔刺激还是非面孔刺激。 相比呈现面孔刺激，当呈现随机样式图案时， 左半球梭状回区域激活，而右半球区域不激活。 大量的脑成像研究表明在做不同的面孔知觉任务时总是会伴随梭状回 的激活，所以文献中把这个区域成为 梭状回面孔区 FFA（ fusiform face area）。 但是即使是右半球 FFA的激活也不完全只是有面孔刺激

10、激活的。 有研究（ Gauthier et al 2000）向被试呈现鸟或汽车图片刺激，发现 和不呈现刺激条件相比， FFA也有很大程度的激活。但是这种激活程 度还是比面孔刺激的激活程度小很多。 目前只发现字母串不会显著激活 FFA，这些激活主要在左半球。 面孔知觉和物体知觉的分离 以上生理研究的结果虽然还有很大争议，但是总的来说还是部分支持了 Farach的第一条标准，即参与面孔识别与物体识别的脑结构和脑机制不同。 尽管两者分离并不完全（有或无）。 现在我们把目光转向第二条标准 面孔知觉和物体知 觉这两个系统是否可以分离。 临床报告了一些选择性面孔失认症病例，这些病人不能识别面孔，但是对物

11、体识别却没什么问题。但是我们能否就此认为这就是存在特殊的面孔知觉系 统。 Michael等人（ 2000） 对这个问题进行了很好的阐述 神经科学家对面孔失认症患者的测量一般只考虑单一维度值，比如准确率， 一个人或者正确的识别面孔刺激或物体刺激，或者就是不能。但是这样的检 测是有问题的，如果我们将反应时纳入考虑范围的话结果可能就不会这么简 单。 反应时可以反映出内部加工过程的时间进程，如果考虑反应时的话，就会发 现面孔失认症患者不仅在面孔识别上有障碍，在物体识别上一样也有障碍。 但是如果仅考虑准确率的话，很可能会得出患者对面孔选择性损伤的结论。 出现上面结果可能的原因 “ People will

12、 have come and gone long before you can identify them . So you never do People in your presence who don know of your blindness will be offended at your failure to recognize them. ”(quoted in Gauthier et.,1999） 所以面孔失认症患者的这种经历可能会导致他们想尽快完成面孔识别任务，而不考虑 正确率。但是在物体识别任务中就不会有这种情况。 面孔失认症的反转病例 有报道面孔失认症反转的案例， 患者

13、患有严重的物体失认症， 但是却没有明显的面孔识别障碍。 来支持第二个标准即面孔知觉和物体知觉的分离。 一个非常显著的患者 CK，让 CK观看这幅画，他能 说出这幅画的的颜色和形状，但是却不能把这些 感觉元素整合起来。但是当这幅画反转过来他能 迅速知觉出面孔图片。 （ Giuseppe Arcimbalod) 面孔知觉和物体知觉任务差异 CK病例的发现是对第二条标准的有力支持，但是当我们考虑到我们使用的典型的面孔 识别任务和物体识别任务时，一个新的问题出现了。 面孔知觉任务：刺激材料都来自同一类，要求对同类刺激间差异判断。 物体识别任务：刺激材料都是来自不同类，要求对不同类刺激之间差异判断 所以

14、上面这些病例可能并不是选择性面孔知觉缺陷导致的，而仅仅是两种任务差异导 致的一个一般知觉问题，面孔知觉任务更多需要细节分辨能力，而物体知觉不需要这 样的细节分辨。 对两种任务差异是否导致选择性面孔知觉缺陷的实验研究 研究者（ McNeil and Warrington,1993）做了这样的实验，一位由于脑损伤而导致面孔 失认症的病人后来成为牧羊人。实验目的是证实这位患者是否缺乏细节辨别能力。 实验中有两个任务（ 1）让被试做面孔知觉任务，从几张面孔图片中找出他熟悉的图片。 （ 2）让被试做羊的知觉任务，从几张羊的图片中挑出属于自己牧场羊的图片。 结果：被试在面孔知觉任务上处于随机水平，相反他能

15、够很好的完成对羊的 知觉任务，他能够挑出属于他牧场羊的图片。 第二个实验再认记忆测试， old-new范式，先给分别被试呈现以系列的面孔图 片或羊的图片，然后将学过的图片和新图片混合，让被试挑出学过的图片。 结果：在知觉记忆再认任务上失认症患者仍处于随机水平，控制组几乎全部 正确。 这两个实验证明面孔失认症并不是两种任务差异导致的，因为面孔失认症患 者的细节分辨能力并没有受到损伤。 Farah(1994)的一个实验同样能证明面孔失认症不是由于两种任务差 异引起的。她的实验说明了面孔知觉和物体知觉加工表征的过程并不 相同。 不同眼镜图片 刺激材料 都是同一类内差异的判断 不同的面孔图片 被试（二

16、个组）： LH在一场车祸中大脑受到损伤导致面孔失认症， 控制组正常被试。 实验范式： old-new 实验结果： face glasses LH 64% 63% control 85% 69% 倒置效应（ face invert effect） 倒置效应常被用来支持面孔知觉是特殊的加工系统。 当面孔刺激是正置的我们能够很容易的识别，但是当面孔刺激是倒置的我们 识别起来就相当困难。这可能是因为识别倒置面孔和识别正立面孔的脑区不 同 。倒置的面孔由一般的物体知觉系统来加工，因而避免了面孔特异性的加 工过程。 这种观点得到了一些证据的支持。例如，物体失认病人 CK，虽然能正常识别 正立面孔，但倒置面

17、孔的识别受损 。这说明倒置的面孔可能由物体加工机制 负责，而物体失认病人受损的物体加工机制，导致病人识别倒置面孔时成绩 较差。 fMRI 研究显示，倒置的面孔虽然没有让 FFA 的反应消失，但引起了 参与一般物体知觉的皮层区的较大反应 。这说明，尽管面孔特异性加 工过程继续对倒置的面孔起作用，但是，倒置的面孔更多的是与物体 识别脑区有关。 不仅只有人类会有倒置效应，黑猩猩也发现了倒置效应，它们能够更 快的识别其它正置的黑猩猩脸（ Parr et al.,1998）。有趣的是它们对 其它灵长类动物的脸如僧帽猴，无生命的物体，或汽车都没有倒置效 应。 第三条标准：信息处理方式 整体与局部加工 在倒

18、置效应中我们发现，加工正置面孔和加工倒置面孔加工的信息是 不同的，比如当我们看倒置面孔的时候一般使用局部加工（ analysis- by-parts）。 有实验发现同正立的刺激相比，面孔失认病人 LH 对倒置面孔识别率 为（ 72%）对正置面孔识别率为（ 58%），控制组分别为（ 82%）和 （ 94%） 有研究者认为， LH能可靠地匹配倒置刺激，但不能匹配正立刺激的事 实，说明 LH 基于部分的加工通路完好。但是，当面对正立的刺激时， 基于整体的加工通路会对基于部分的加工通路造成干扰。倒置的刺激 不存在这种干扰，所以识别得好。 对正常人的研究也说明面孔知觉并不是简单的对一系列个体特征的表 征

19、。 研究者（ Tanaka and Farah， 1993）的一项研究 实验刺激材料分为面孔图片和房屋图片，每种图片都由部分组成，比 如面面孔图片由眼睛，鼻子和嘴组成，房子由门，卧室窗子等。 实验程序 学习阶段：让被试看面孔或房子图片，同时学习相对应的名字。面孔图片被试被要求 记住名字和相对应的图片，比如 Larry 有一双圆圆的眼睛，一个尖尖的鼻子，还有一张 小嘴。对于房子被试被告知记住谁住在这个屋子里，比如 Larry住的房子有一扇三格的 门，客厅有百叶窗，卧室有一扇圆窗。 再认记忆测试阶段 比如向被试呈现一张鼻子的图片，问被试这是否是 Larry的鼻子 再认刺激单独呈现（如单独呈现鼻子）

20、 操纵变量（两种条件） 再认刺激在背景中呈现 （如鼻子， 眼睛和嘴一起呈现） 实验结果 和预测一样在呈现的是面孔 刺激的时候，整体呈现成绩 显著好于单独呈现，但是在 房屋刺激的条件下，整体呈 现和单独呈现成绩没有差异。 支持了面孔知觉不是对特征 简单的加工。 物体识别的两系统 如果我们接受面孔知觉是特殊的系统，那么我们自然会想是否其它物体知觉 也存在特殊的系统？ Farah (1990)研究了一例 获得性失读症患者（ aquired alexia） 这种病是由于 中风或脑损伤而导致的。 病人能够理解别人讲话，自己也能说话而且能书写， 但是就是阅读有困难。比如 ball 会读成 door。 Farah 对面孔失认症患者，物体失认症，失读症患者做了统计看看这三者之 间的关系。 结果发现：面孔失认症和失读症几乎 不会同时发生，这就是说物体失认症 一般和失读症同时发生或和面孔 失认症同时发生，或三种一起发生。 Farah认为面孔识别需要整体的加工方式（ Holistic processing）词的 加工需要局部的加工方式（ analytic processing）而物体是在这两者 之间，两种加工都可以用于物体。 从这个结果来看面孔知觉在信息处理方式上并不能独立于物体加工， 而是独立于词的加工，面孔知觉的信息处理方式同样可以用于物体加 工。只是程度有差异。 谢谢！