Искусственные сети проливают свет на распознавание человеческого лица

[Робот]

Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2 ... 132655.htm

[Илья]

Наш мозг настолько настроен распознавать лица-или различать людей, - что мы редко даже задумываемся об этом, но то, что происходит в мозге, когда он участвует в таком распознавании, все еще далеко от понимания. В новом исследовании, опубликованном сегодня в Nature Communications, исследователи из Института науки Вейцмана пролили новый свет на этот вопрос. Они обнаружили поразительное сходство между тем, как лица кодируются в мозге, и успешно функционирующими системами искусственного интеллекта, известными как глубокие нейронные сети.

Когда мы смотрим на лицо, группы нейронов в зрительной коре активизируются и запускают свои сигналы. На самом деле, определенные группы нейронов избирательно реагируют на лица, но не на другие объекты. Но как активация отдельных нейронов объединяется, чтобы произвести восприятие и распознавание лица?

Профессор Рафи Малах из отдела нейробиологии и Шани Гроссман, аспирант из его группы, предложили решить этот вопрос путем сравнения активности человеческого мозга с глубинными нейронными сетями. Эти вычислительные системы, которые недавно произвели революцию в области искусственного интеллекта, обучаются выполнять задачи, изучая огромные наборы данных. За последние несколько лет они настолько улучшились, что теперь выполняют не хуже людей, а то и лучше, различные визуальные задачи, включая распознавание лиц.

Гроссман и Гай Газив, студент-исследователь кафедры компьютерных наук и прикладной математики, проанализировали данные, полученные от 33 человек в лаборатории доктора Ашеша Мехты в Институте медицинских исследований имени Файнштейна в Манхассете, штат Нью-Йорк. Этот уникальный набор субъектов-пациенты с эпилепсией, которым были имплантированы электроды в различные области их мозга с целью диагностики, и которые добровольно участвовали в различных исследовательских задачах.

Когда добровольцам показывали серию лиц из различных баз данных изображений, в том числе известных и незнакомых людей, их мозговая активность контролировалась с помощью записей с 96 электродов, имплантированных в ту часть мозга, которая отвечает за восприятие лица. Записи показали, что каждое лицо вызывало уникальный паттерн нейронной активации, включавший различные группы нейронов, которые стреляли с разной интенсивностью. Интересно, что некоторые пары лиц вызывали сходные паттерны мозговой активности - то есть у них были схожие "сигнатуры" активности-в то время как другие вызывали паттерны активации, которые сильно отличались друг от друга. Исследователям было интересно узнать, играют ли эти сигнатуры активации важную роль в нашей способности распознавать лица.

Они решили сравнить человеческую систему распознавания лиц с системой глубокой нейронной сети, обладающей аналогичными возможностями распознавания лиц. Эта искусственная сеть, слабо вдохновленная зрительной системой человека, содержит искусственные элементы, аналогичные нейронам, расположенным примерно в двух десятках "слоев"."Чтобы распознать лицо человека, искусственные нейроны в каждом слое выбирают и объединяют различные черты лица-от самых простых, таких как линии и примитивные формы, через более сложные, такие как части глаза и другие фрагменты лица, до таких окончательных, как личность человека.

Исследователи рассудили, что если найденные в человеческом мозге паттерны кодирования лиц имеют решающее значение для того, чтобы люди могли распознавать лица, то такие сигнатуры также должны быть найдены в искусственной сети. Чтобы проверить, так ли это, они представили в сеть те же самые изображения лиц, показанные добровольцам-людям. Затем они проверили, не вызывали ли эти лица наборы эксклюзивных паттернов активации, которые имели то же разнообразие и структуру, что и те, которые были обнаружены в человеческом мозге.

Интересно, что ученые обнаружили поразительную параллель между человеческой и искусственной системами. Это было наиболее заметно в средних слоях глубинной сети-тех, которые представляют фактический живописный внешний вид лиц, а не более абстрактную личную идентичность владельцев лиц.

"Очень информативно, что две такие радикально разные системы-биологическая и искусственная, то есть мозг и глубокая нейронная сеть-эволюционировали таким образом, что они обладают схожими характеристиками", - говорит Малах. -Я бы назвал это конвергентной эволюцией-точно так же, как созданные человеком самолеты демонстрируют сходство с крыльями насекомых, птиц и даже млекопитающих. Такая конвергенция указывает на решающее значение уникальных паттернов кодирования лиц в распознавании лиц."

"Наши результаты подтверждают гипотезу о том, что различные паттерны активации нейронов в ответ на различные лица, а также взаимосвязь между этими паттернами, играют ключевую роль в том, как мозг воспринимает лица", - говорит Гроссман. "Эти результаты могут помочь продвинуть наше понимание того, как восприятие и распознавание лица кодируются в человеческом мозге. С другой стороны, они также могут помочь в дальнейшем повышении производительности нейронных сетей, настраивая их таким образом, чтобы приблизить их к наблюдаемым паттернам реакции мозга."