Neurowissenschaftler überdenken, wie das Gehirn Gesichter erkennt

Menschen können ein vertrautes Gesicht aus einer Menschenmenge heraussuchen, ohne viel darüber nachzudenken. Doch wie das Gehirn das macht, ist Forschern seit Jahren ein Rätsel. Jetzt zeigt eine Studie, dass Rhesusaffen sich auf die Koordination einer Gruppe von Hunderten von Neuronen verlassen, die auf bestimmte physische Merkmale achten, um ein Gesicht zu erkennen.

Die Ergebnisse, die am 1. Juni in Cell1 veröffentlicht wurden, klären ein Problem, das Gegenstand mehrerer Theorien, aber keiner befriedigenden Erklärungen war.

„Die eigentliche Cartoon-Ansicht war, dass einzelne Zellen auf einzelne Menschen reagieren“, sagt David Leopold, Neurowissenschaftler am US National Institute of Mental Health in Bethesda, Maryland. Andere Theorien gehen jedoch davon aus, dass Gruppen von Neuronen zusammenarbeiten, um ein Gesicht zu erkennen.

Die neuesten Ergebnisse zeigen, dass jedes Neuron, das mit der Gesichtserkennung in Verbindung gebracht wird, eine so genannte Gesichtszelle, auf bestimmte Kombinationen von Gesichtsmerkmalen in einer bestimmten Reihenfolge achtet. „Wir haben den Code geknackt“, sagt die Mitautorin der Studie, Doris Tsao, Systemneurowissenschaftlerin am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena.

Ein Sprung nach vorn

Zunächst untersuchten Tsao und Le Chang, ebenfalls Neurowissenschaftler am Caltech, die Gehirne von zwei Rhesusaffen (Macaca mulatta), um die Lage der Gesichtszellen der Tiere zu bestimmen. Sie zeigten den Affen Bilder von menschlichen Gesichtern oder anderen Objekten, einschließlich Körpern, Früchten und zufälligen Mustern. Anschließend untersuchten sie mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie, welche Gehirnregionen aufleuchteten, wenn die Tiere ein Gesicht sahen.

Das Team konzentrierte sich auf diese Hotspots, um zu sehen, was die Gesichtszellen taten. Tsao und Chang verwendeten einen Satz von 2.000 menschlichen Gesichtern mit unterschiedlichen Merkmalen, wie dem Abstand zwischen den Augen oder der Form des Haaransatzes, die die Affen sehen sollten. Die Neurowissenschaftler implantierten dann Elektroden in die Gehirne der Makaken, um die Reaktionen einzelner Neuronen auf die Gesichtsunterschiede zu vergleichen.

Tsao und Chang zeichneten die Reaktionen von insgesamt 205 Neuronen bei den beiden Affen auf. Jedes Neuron reagierte auf eine bestimmte Kombination einiger der Gesichtsparameter.

„Sie haben ein Modell entwickelt, das von einem Bild auf einem Computerbildschirm bis zu den Reaktionen von Neuronen ganz unten im visuellen Kortex reicht“, sagt Greg Horwitz, ein visueller Neurophysiologe an der University of Washington in Seattle. „Dies ist ein großer Schritt nach vorn“, sagt er, weil das Modell aufzeigt, wie jede Zelle auf alle möglichen Kombinationen von Gesichtsmerkmalen reagiert, anstatt nur auf eine.

Favoriten spielen

Tsao und Chang fragten sich, ob innerhalb der spezifischen Kombination von Merkmalen, die eine Gesichtszelle erkennt, jedes Neuron besser auf bestimmte Merkmale abgestimmt ist als auf andere. Sie testeten diese Idee, indem sie versuchten, die Gesichter, die den Affen gezeigt wurden, auf der Grundlage der Reaktion jedes Neurons auf seine Merkmalskombination nachzubilden. Anhand der Stärke dieser Signale konnten die Neurowissenschaftler die realen Gesichter fast perfekt nachbilden.

Wenn die Affen Gesichter sahen, die sich durch Merkmale unterschieden, die einem Neuron egal waren, blieb die Reaktion der einzelnen Gesichtszelle unverändert.

Mit anderen Worten: „Das Neuron ist kein Gesichtsdetektor, es ist ein Gesichtsanalysator“, sagt Leopold. Das Gehirn „ist in der Lage zu erkennen, dass es Schlüsseldimensionen gibt, die es erlauben zu sagen, dass dies Person A und dies Person B ist.“

Das menschliche Gehirn verwendet diesen Code wahrscheinlich, um bestimmte Gesichter zu erkennen oder sich vorzustellen, sagt Tsao. Aber die Wissenschaftler sind sich immer noch nicht sicher, wie alles miteinander verknüpft ist.

Eine Botschaft ist für die Neurowissenschaftler klar. „Wenn sie zu der Ansicht neigen: ‚Wir wissen, wie Gesichter erkannt werden, weil es eine kleine Anzahl von Gesichtszellen gibt, die laut singen, wenn das richtige Gesicht gesehen wird‘, dann sollte diese Vorstellung allmählich verschwinden, denn sie ist nicht richtig“, sagt Leopold. „Diese Studie zeigt eine realistischere Alternative dazu, wie das Gehirn tatsächlich vorgeht und Individuen analysiert.“