人类面孔认知模型和脑机制的研究

项目可行性报告及经费概算项目题目：人类面孔认知模型和脑机制的研究（一）立项的背景和意义1.1研究目的面孔是人们日常生活中最常见的事物，通过面孔认知（FaceRecognition）这种基本而重要的社会行为，人们可以获得许多重要的社会信息（如年龄，性别，种族和情绪等）。面孔认知是认知心理学研究的重点之一，至今已经积累了大量的研究成果。PYSYCINFO近5年的文献检索表明面孔研究有两条主线。一条主线是研究面孔的结构和特征信息的认知加工规律。例如，McKone在2008年发现面孔的结构信息加工并不受观察角度的影响，而特征信息加工却会随着观察角度偏离而被削弱[1]。其中，面孔特征信息指的是单独的面孔特征，比如面孔的眼睛、鼻子等部件的信息；而结构信息指的是这些部件之间的空间结构关系[2]。通常，结构信息由这些部件之间的实际距离来表征，比如眼睛之间的距离。另一条研究主线是研究面孔认知的脑机制问题，例如，2008年，Cloutier等人采用fMRI技术对面孔中静态信息和动态信息研究，发现了眼睛注视的加工和面孔性别信息加工的不同神经回路[3]。目前来说，近10年中虽然国内外研究者采用各种研究技术在面孔认知研究中已经取得了大量研究成果，但我们认为在该领域仍然还有大量的关键性问题亟待解决。第一，有关面孔认知中结构和特征信息认知加工规律的研究还停留在较为零散的、定性层次上对问题进行描述，缺乏对面孔认知规律的深入系统研究。这些研究目的主要是探讨结构信息以及特征信息变化对人脸认知的影响趋势或方向，实验中大多数也只采用静态面孔作为实验材料。本课题将通过本课题研究系统考察对于静态和动态面孔认知过程中，结构和特征信息的不同维度变化如何在数量层次上影响面孔认知的加工，从而建立面孔认知的认知模型。第二，虽然已经有大量研究采用ERP（事件相关电位）以及fMRI（功能性核磁共振）等技术开始研究面孔认知的脑机制问题。比如对大脑枕颞结合部的腹侧皮层（Ventraloccipitaltemporalcorticalsystem,VOT）内的特殊皮层区域――梭状回面孔区（Fusiformfacearea,FFA）的功能一直受到研究者的争议。由于目前对于面孔认知的脑机制研究还处于探索发展阶段，还有大量关于面孔认知的脑机制问题没有进行深入研究。比如Haxby等人在1999年提出的面孔知觉的分布式神经系统模型中提到面孔可变部分的加工更多地是位于颞上沟的面孔反应区的功能[4]，但是这一推论并没有直接的实验支持，需要进一步的实验进行验证。因此，本课题研究将在前期已有的研究基础上，采用实验心理学的方法，结合ERP脑电与fMRI等脑成像技术，深入研究静态和动态面孔结构信息、特征信息认知加工的脑机制规律和特点，解决一直以来困扰面孔认知研究的脑中枢特异性问题。1.2研究意义本课题的研究无论是在理论研究上还是实践应用上都有重要的价值和意义，具体来说：在理论上，本课题研究意义包括：揭示结构信息和特征信息在静态和动态面孔识别中的认知规律和特点，构建基于特征和结构信息的多维面孔认知模型，说明人类面孔认知的基本机理，并从解决面孔认知规律和特点为出发点，说明人类对各种客观物体的认知加工的规律和特点。揭示结构和特征信息加工的脑机制及其规律和特点，进一步说明面孔认知加工规律和特点及其脑机制此外,本项目的实验数据也可以进一步应用于基于面孔识别基本数据的一些实际应用：为计算机面孔识别提供基本的科学数据。计算机已具有识别简单面孔的能，但尚不具备识别动态面孔和人的表情功能，本项目成果将为计算机的面孔识别提供基本的科学数据，使计算机的面孔识别智能化。为机器人视觉提供科学的设计参数。解决了人类面孔认知的奥秘将为机器人视觉的智能化提供基本的设计参数，使制作具有和人相同的、能识别不同面孔的机器人视觉成为可能。面孔认知研究成果还有许多实际应用，由此可派生出许多新的产品和构想。例如，可以根据面孔识别的原理制作银行保安密码（面孔锁），进行脸部整容，在公安系统帮助对罪犯的识别等等。我们认为我们的研究工作将进一步推动我们省的基础心理学方面的研究工作，研究的成果也可以应用于我们省的具体生产实践。1.3研究基础我们的研究小组从2001年开始就与加拿大女皇大学心理系、加拿大多伦多大学心理系以及美国加州大学圣地亚哥分校心理系等国外知名科研结构合作，对面孔结构、特征信息认知规律进行了数年研究。本课题组得到的国内外合作项目主要有：1、Developmentoffaceandchinsescharacterprocessing；NaturalScienceandengineeringResearchCouncilofCanada，nsercpin185791，2008－2012（进行中）2、Developmentoffaceprocessingexpertiseinchildren，theNationalInstitutesofHealth,USA（NIH）：1R01HD046526-01，2003－2008（已经结题）3、Thefacerecognitionresearch,NaturalScienceandengineeringResearchCouncilofCanada0313048-I,2001-2005,（已经结题）在国内得到的资助主要有：1、动态面孔认知规律和特点的研究,国家自然科学基金项目，项目批准号：30770710，07－08年,（已结题）。2、动态面孔认知规律和特点及其脑机制研究，浙江省自然科学基金，项目批准号：Y207234，07-09年，（进行中）。3、人脸认知规律及其脑机制的研究,教育部高等学校博士点科研基金，01－05，项目编号：20020335063，（已结题）本课题组近三年已经发表在国外学术期刊的与本课题相关文章有：1、Therolesofvisualexpertiseandvisualinputinthefaceinversioneffect:Behaviralandneurocomputationalevidence,Visionresearch，2008，48，703－7152、Infantpreferenceforfemalefacesoccursforsame-butnotother-racefaces.JournalofNeuropsychology,2008,15-26.3、Aninnerfaceadvantageinchildren'srecognitionoffamiliarpeers.JournalofExperimentalChildPsychology,2008,101(2),124-136.4、Preferenceforattractivefacesinhumaninfantsextendsbeyondconspecifics.DevelopmentalScience,2008,11,76–83.5、Cross-racepreferencesforsame-racefacesextendbeyondtheAfricanversusCaucasiancontrastin3-month-oldinfants.Infancy,2007,11(1),87-95.6、Cross-RacePreferencesforSame-RaceFacesExtendBeyondtheAfricanVersusCaucasianContrastin3-Month-OldInfants.Infancy,2007,11(1),87-95.7、Theother-raceeffectdevelopsduringinfancy:Evidenceofperceptualnarrowing.PsychologicalScience,2007,18(12),1084-1089.8、Theeffectoffaceexpertiseactivationontheinversioneffect.PsychologicalScience,2006,17(1),12-16.9、ActivationofFaceExpertiseandtheInversionEffect，Psychologicalscience，2006，V17，No1，12－16，10、Three-month-olds,butnotnewborns,preferown-racefaces.DevelopmentalScience,2005，8(6),31-36.本课题组在国内一级刊物上发表的相关文章有10余篇。本课题组发表的相关文章在2007年获得浙江省自然科学优秀论文一等奖。上述研究工作基本上都是围绕着静态面孔的认知规律进行的，在面孔认知的脑机制上也主要采用脑电技术。本课题组希望能在现有的实验基础和条件下上，进一步改进现有的实验手段，例如，实验刺激除了静态面孔之外，还将采用动态连续的视频画面（动态面孔）；在结构信息和特征信息变量改变上，除了单维信息的改动之外，还将采用两维以及三维结构信息、特征信息同时变化的面孔刺激来探索静态和动态面孔认知的规律和特点，在量化层次上建立面孔认知的模型，以更深入的揭示面孔认知的规律和特点。在面孔认知的脑机制研究中，我们经过ERP脑电实验研究，也得到了一些重要的研究发现。比如我们的研究结果初步表明：反转和正立的面孔相比，在枕颞叶的N170波上，波幅明显要大；结构信息不一致和特征信息不一致的面孔相比，在枕颞叶的N170波上，潜伏期明显要短；并且结构信息反转的面孔会引起一个波幅明显加大的N170波，而特征信息反转的面孔引起的波幅较小。由于脑电研究结果受实验刺激、实验条件的影响较大，因此本课题研究将继续这方面的工作，特别是采用脑电和fMRI等先进分析技术，采用多种面孔刺激（如静态面孔、动态面孔、不同结构信息或特征信息差异类型）来深入探索在面孔结构和特征信息加工的特异脑区。基于以上考虑，本课题将采用静态面孔和动态面孔作为实验材料，通过不同维度的面孔结构和特征信息量化操作，研究在面孔静态和动态呈现条件下面孔认知规律和特点并建立面孔认知模型，同时采用脑电和fMRI等先进分析技术探究人类面孔认知加工的脑机制和特点。（二）国内外研究现状和发展趋势从达尔文时代开始，人们就对面孔的认知规律进行了研究，到目前为止，已经积累了大量的研究成果。下面是和本项目相关的面孔认知的国内外研究现状及未来发展趋势：2.1特征信息和和结构信息认知加工特点的研究特征和结构信息的研究开始于Yin(1969)关于面孔倒置效应的经典研究[5]。根据多年的实验结果，关于特征和结构两种信息在面孔认知中的规律和特点，心理学家们提出了各种理论来说明特征和结构信息在面孔认知中的规律和特点，这些观点主要有：Garner的特征信息理论认为，面部识别主要是依赖于面部特征信息[6]。Carey的双重加工理论认为，面部识别同时依赖面部特征和结构信息[2]。Tanaka的整体假设理论认为，人们通过使用结构信息和特征信息两种信息进行面部识别的，但是，这两种信息是作为一个整体加工的[7]。Valentine的多维空间假设认为，面孔加工不仅包括结构信息和特征信息而且还包括肤色、年龄等其它信息[8]。Rakover的图式层次理论认为很多复杂的多维刺激都是根据已经储存在认知系统中的图式来加工的，其中结构信息和特征信息两种信息在面孔认知中起到了非常主要的作用[9]。Bruce和Young的面孔加工的多阶段认知模型认为，面孔认知加工的第一阶段是主要对面孔信息进行知觉结构编码加工；第二阶段中，一条支路通过面部再认单元（FRU）加工最终的面孔识别；而一条支路则根据面孔结构和特征进行性别和表情的加工[10]。2.2面孔认知的脑机制的研究从一百多年前法国医生布洛卡在治疗和研究失语症病人时发现语言中枢布洛卡区（Brocaarea）以来，神经生理学家和解剖学家一直按机能定位的思想寻找各种认知功能的特异性脑中枢。有关面孔认知的脑机制研究最初主要是采用脑电及其相关技术进行的。1965年，Sutto