Искусственные сети проливают свет на распознавание лиц


Наш мозг настолько настроен, чтобы распознавать лица – или различать людей, – что мы редко даже задумываемся об этом, но то, что происходит в мозгу, когда он участвует в таком распознавании, все еще далеко от понимания. В новом исследовании, опубликованном сегодня в Nature Communications , исследователи из Научного института Вейцмана пролили новый свет на этот вопрос. Они обнаружили поразительное сходство между способом кодирования лиц в мозгу и успешной работой систем искусственного интеллекта, известных как глубокие нейронные сети.

Когда мы смотрим на лицо, группы нейронов зрительной коры активируются и посылают свои сигналы. Фактически, определенные группы нейронов выборочно реагируют на лица, но не на другие объекты. Но как происходит активация отдельных нейронов, которая способствует восприятию и распознаванию лица?

Проф. Рафи Малах из отделения нейробиологии и Шани Гроссман, аспирант его группы, пришли к идее решить этот вопрос, сравнив активность человеческого мозга с глубокими нейронными сетями. Эти вычислительные системы, которые недавно произвели революцию в области искусственного интеллекта, обучаются выполнять задачи, обучаясь на огромных наборах данных. За последние несколько лет они настолько улучшились, что теперь они выполняют различные визуальные задачи, в том числе распознавание лиц, не хуже людей или даже лучше.

Гроссман и Гай Газив, студенты-исследователи факультета компьютерных наук и прикладной математики, проанализировали данные, полученные от 33 человек в лаборатории доктора Ашеша Мехты в Институте медицинских исследований им. Файнштейна в Манхассете, штат Нью-Йорк. Этот уникальный набор субъектов – пациенты с эпилепсией, которым были имплантированы электроды в различные области мозга с целью диагностики, и которые вызвались участвовать в различных исследовательских задачах.

Когда добровольцам показали серию лиц из разных баз данных изображений, в том числе известных и незнакомых людей, их мозговая активность отслеживалась с помощью записей с 96 электродов, имплантированных в часть мозга, отвечающую за восприятие лиц. Записи показали, что каждое лицо вызывало уникальный образец нейрональной активации, включающий разные группы нейронов, которые активировались с разной интенсивностью. Интересно, что некоторые пары лиц вызывали сходные по внешнему виду паттерны активности мозга, то есть у них были похожие «сигнатуры» активности, тогда как другие вызывали паттерны активации, которые сильно 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 человеческих лиц с системой глубокой нейронной сети, имеющей аналогичные возможности распознавания лиц. Эта искусственная сеть, в некоторой степени 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 шаблоны кодирования лиц, которые они обнаружили в человеческом мозге, были критически важны для того, чтобы люди могли распознавать лица, такие подписи также должны быть найдены в искусственной сети. Чтобы проверить, так ли это, они представили сети те же изображения лиц, которые были показаны людям-добровольцам. Затем они проверили, вызывают ли эти лица наборы эксклюзивных для лица паттернов активации, которые имеют такое же разнообразие и структуру, что и те, которые были обнаружены в человеческом мозге.

Интересно то, что ученые обнаружили поразительную параллель между человеческими и искусственными системами. Это было наиболее заметно в средних слоях глубокой сети – тех, которые представляют реальный графический вид лиц, а не более абстрактную личность владельцев лиц.

«Очень информативно, что две такие совершенно разные системы – биологическая и искусственная, то есть мозг и глубокая нейронная сеть – эволюционировали таким образом, что обладают схожими характеристиками», – говорит Малах. «Я бы назвал это конвергентной эволюцией – точно так же, как самолеты, созданные человеком, показывают сходство с крыльями насекомых, птиц и даже млекопитающих. Такое совпадение указывает на решающую важность уникальных моделей кодирования лиц в распознавании 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 нам в понимании того, как восприятие и распознавание лиц закодированы в человеческом мозгу. С другой стороны, они также могут помочь в дальнейшем улучшении производительности нейронных сетей, настраивая их таким образом, чтобы приблизить их к реальности. наблюдаемые образцы реакции мозга. “


Добавить комментарий