Neurowetenschappers heroverwegen hoe de hersenen gezichten herkennen

Solvin Zanki/naturepl.com

Apen kunnen gezichten herkennen dankzij een reeks neuronen die bepaalde gelaatstrekken identificeren.

Mensen kunnen een bekend gezicht uit een menigte pikken zonder er al te veel bij na te denken. Maar hoe de hersenen dit eigenlijk doen, ontgaat onderzoekers al jaren. Nu toont een studie aan dat resus makaak apen vertrouwen op de coördinatie van een groep van honderden neuronen die aandacht besteden aan bepaalde sets van fysieke kenmerken om een gezicht te herkennen.

De bevindingen, gepubliceerd op 1 juni in Cell1, verduidelijken een kwestie die het onderwerp is geweest van meerdere theorieën, maar geen bevredigende verklaringen.

“De echte cartoonvisie is geweest dat individuele cellen zijn gewijd om te reageren op individuele mensen,” zegt David Leopold, een neurowetenschapper aan het Amerikaanse National Institute of Mental Health in Bethesda, Maryland. Maar andere theorieën suggereerden dat groepen neuronen samenwerkten om een gezicht te herkennen.

De nieuwste resultaten tonen aan dat elk neuron dat geassocieerd is met gezichtsherkenning, een gezichtscel genoemd, aandacht besteedt aan specifiek gerangschikte combinaties van gezichtskenmerken. “We hebben de code gekraakt”, zegt studiecoauteur Doris Tsao, een systeemneurowetenschapper aan het California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena.

Een sprong voorwaarts

Om te beginnen bestudeerden Tsao en Le Chang, een neurowetenschapper ook aan Caltech, de hersenen van twee resusmakaakapen (Macaca mulatta) om de locatie van de gezichtscellen van de dieren te bepalen. Ze lieten de apen beelden zien van menselijke gezichten of andere objecten, waaronder lichamen, fruit en willekeurige patronen. Vervolgens gebruikten ze functionele magnetische resonantie beeldvorming om te zien welke hersengebieden oplichtten wanneer de dieren een gezicht zagen.

Het team richtte zich op die hotspots om te zien wat de gezichtscellen aan het doen waren. Tsao en Chang gebruikten een set van 2.000 menselijke gezichten met verschillende kenmerken, zoals de afstand tussen de ogen of de vorm van de haarlijn, voor de apen om te bekijken. De neurowetenschappers implanteerden vervolgens elektroden in de hersenen van de makaken om de reacties van individuele neuronen op de gezichtsverschillen te vergelijken.

Tsao en Chang registreerden reacties van in totaal 205 neuronen tussen de twee apen. Elk neuron reageerde op een specifieke combinatie van enkele van de gezichtsparameters.

“Ze hebben een model ontwikkeld dat van een plaatje op een computerscherm naar de reacties van neuronen helemaal beneden in de visuele cortex gaat,” zegt Greg Horwitz, een visuele neurofysioloog aan de Universiteit van Washington in Seattle. “Dit is een enorme stap voorwaarts”, zegt hij, omdat het model in kaart brengt hoe elke cel reageert op alle mogelijke combinaties van gezichtskenmerken, in plaats van op slechts één.

Playing favourites

Tsao en Chang vroegen zich af of, binnen de specifieke combinatie van kenmerken die een gezichtscel herkent, elk neuron beter was afgestemd op bepaalde kenmerken dan op andere. Zij testten dit idee door te proberen de gezichten die de apen te zien kregen na te bootsen, op basis van de reactie van elk neuron op zijn verzameling kenmerken. Op basis van de sterkte van die signalen konden de neurowetenschappers de echte gezichten bijna perfect nabootsen.

Wanneer de apen gezichten zagen die varieerden op basis van kenmerken waar een neuron niet om gaf, bleef de reactie van de individuele gezichtscel onveranderd.

Met andere woorden, “het neuron is geen gezichtsdetector, het is een gezichtsanalist”, zegt Leopold. De hersenen “zijn in staat zich te realiseren dat er sleuteldimensies zijn die het mogelijk maken te zeggen dat dit persoon A is en dit persoon B.”

Menselijke hersenen gebruiken deze code waarschijnlijk om specifieke gezichten te herkennen of zich deze voor te stellen, zegt Tsao. Maar wetenschappers zijn nog steeds onzeker over hoe alles met elkaar is verbonden.

Eén boodschap is duidelijk voor neurowetenschappers. “Als hun neiging is om te denken: ‘We weten hoe gezichten worden herkend omdat er een klein aantal gezichtscellen zijn die luid zingen als het juiste gezicht wordt gezien,’ dan denk ik dat die opvatting geleidelijk aan moet verdwijnen, want het klopt niet,” zegt Leopold. “Deze studie presenteert een realistischer alternatief voor hoe de hersenen eigenlijk te werk gaan en individuen analyseren.”