面孔加工的认知神经科学研究回顾与展望

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1、心理科学进展，2003，11（1） ：3543 Advances in Psychological Science 35 面孔加工的认知神经科学研究：回顾与展望 * 徐 岩 张亚旭 周晓林 （北京大学心理系，北京 100871） 摘 要 面孔加工的认知神经科学研究中的核心问题是， 是否存在功能和神经机制上独立的面孔加工模块以 及面孔加工系统的组织形式。使用电生理、脑成像以及对脑损伤病人进行神经心理学检查等手段， 研究者已经找到选择性地对面孔反应的脑区，即梭状回面孔区（FFA） 。文章从面孔加工系统的特 异性与多成分性以及面孔识别模型等方面，系统回顾了该领域的主要研究成果。文章最后还简单 展望了

2、今后的研究方向。 关键词 面孔加工，梭状回面孔区（FFA） ，视觉认知，认知神经科学。 分类号 B842.2 人类在识别人的面孔方面，具有很高的技能。例如，即使缺乏外在的性别线索，也能熟练地判断面孔 的性别。在理解面部表情方面，人类也具有很高的技能。那么，面孔加工系统究竟如何组织，使得人类具 有如此复杂、高效的面孔识别技能？ 几乎没人否认面孔刺激的特殊性。问题是，是否存在一个特异性的面孔认知和/或神经模块，它区别于 一般物体辨别，只负责面孔刺激的加工。从一副面孔中，我们能够抽取大量信息，包括年龄、性别、注视 方向，甚至是心情。面孔中所蕴含的如此丰富的信息，是否要求一个由诸多成分构成的面孔加工系

3、统1, 2？ 这些成分是否特异性地分别负责加工不同类型的信息？对上述问题的探讨有助于检验在多大程度上，视觉 认知依赖领域特异性的加工机制。 近年来，研究者采用单细胞记录、事件相关电位（ERPs） 、正电子发射断层摄影术（PET） 、功能性磁 共振成像（fMRI） 、皮层微刺激以及脑损伤病人行为研究等多种认知神经科学技术，对面孔加工是否由特 异性的神经机制所完成，面孔加工系统是否包含多重的特异性的成分等问题，作了深入的探讨。为解释面 孔识别，研究者不仅提出了认知模型1，还提出了神经模型2。本文系统回顾这方面工作，并简要展望将来 的研究方向。. 1 面孔加工系统的特异性 1 . 1 面孔识别和物体

4、识别在神经机制上的分离 有关面孔加工系统特异性的较早的证据，来自脑损伤病人所表现出的特异性的面孔失认 （prosopagnosia） 。这是一种同腹侧颞枕皮层损伤（通常双侧，少数为右侧）相联系的、惊人的面孔加工紊 收稿日期：2 0 0 2 - 0 3 - 1 8 * 本研究得到国家攀登计划（批准号：9 5 - 专- 0 9 ） 、国家自然科学基金（3 0 0 7 0 2 6 0 ） 、教育部博士点基金（9 9 0 0 0 1 2 7 ） 、科学技术 重点项目基金（0 1 0 0 2 ） 、高等学校骨干教师基金和中国博士后科学基金会的资助。 -36- 心理科学进展 2003 年 乱。病人通常不能

5、识别任何熟悉的面孔，甚至不能识别镜子中自己的面孔。这种失认具有极端的特异性， 即只是在识别人的面孔方面有问题。例如，McNeil和 Warrington 的病人，虽然不能识别人的面孔，但能识 别汽车或自己农场里动物的面孔3。视觉复杂度并不能说明病人的表现。例如，病人 WJ 尽管对人的面孔严 重失认，但能识别其它视觉复杂度高且容易混淆的刺激，如羊的面孔。最近在发展性面孔失认病人身上所 进行的 ERP 研究发现，病人尽管对面孔的 N170 反应严重减小，但对各种非面孔范畴的范畴内辨别没有困 难4, 5。这一发现实际上进一步验证了面孔失认病人行为研究的结果。 关于存在面孔和一般物体识别 2 个独立功

6、能模块的最有力的证据，来自脑损伤病人功能的双重分离。 例如，当面对一副由许多物体所组成的面孔时，面孔失认病人虽然可以一一辨认出各个物体，却不知整个 刺激实际上是一副面孔，而单纯物体失认病人虽然能看出整个刺激是一副面孔，但不能识别构成该面孔的 各个物体6。 使用 PET 和 fMRI 等脑成像技术所进行的研究，为面孔特异性的神经机制提供了更为直观的证据。这 些研究发现，面孔和物体识别所激活的脑区不同。同识别一般物体相比，识别面孔时，大脑梭状回的激活 程度更高7, 8。研究者将该区域称作梭状回面孔区（fusiform face area, 简称 FFA） ，认为它专门负责面孔识 别7, 8。然而，

7、也有功能成像研究表明，对面孔有最大反应的面孔反应脑区，对其它物体范畴也有显著的反 应9。特别是位于外侧梭状回和颞上沟的面孔反应脑区，对动物也有很强的反应10。事实上，对动物的最 大反应位于面孔反应脑区，即便是在遮蔽了动物的面孔时也是如此。这些结果表明，如果人类面孔反应区 中包含专门对面孔反应的神经元，那么，这些神经元很可能混杂在对其它物体（特别是动物）的属性进行 反应的神经元中。 面孔识别与一般物体识别在功能上以及在神经组织上的分离，是否出生伊始就已由基因编码所决定， 而视觉经验并不起作用？最近， Farah 等人的病人 Adam 所提供的证据表明，存在先天的面孔特异性的神经 机制，即使有充足

8、的机会和时间，其功能也不能由其它神经结构来履行11。Adam 是一名 16 岁的男孩，出 生一天时双侧枕叶和颞枕区梗塞，造成后来严重的面孔失认。他对物体的识别好于对面孔的识别。Farah 等 人认为，这个案例表明，在获得视觉经验之前，人类就有了分别用于识别面孔和物体的不同的神经基础。 二者解剖学上的定位由先天的基因所决定，经验并未起到决定性的作用。 1 . 2 面孔和一般物体加工方式的区别 面孔识别研究的一个中心问题是，我们对面孔的识别，是基于面孔的局部的成分特征，还是基于面孔 的整体结构。换句话说，当我们识别一副面孔时，我们是集中在面孔的个别部分上，还是集中在整个面孔 上？此外，面孔加工是否

9、有别于其它视觉刺激的加工？ 1 . 2 . 1 流行的观点及其证据 流行的假设认为，面孔识别是整体的、结构的，而物体识别是分析的、基于部分的12。换句话说，面 孔在记忆中以整体来表征，几乎不会分解为部分，因此不存在对面孔部件的专门的编码。面孔的结构信息， 即面孔各个部分之间的关系，对面孔的视觉表征很重要。这样，面孔知觉强调构成面孔的各个成分组织成 一个粘着的总模式，而不是孤立特征的简单排列。相比之下，物体识别基于物体组成部分的认知。 Tanaka 等人考察了面孔结构变形是否影响面孔局部特征的识别12。如果结构变形影响局部特征识别， 则说明面孔是整体表征的。结果发现，对面孔稍做变形处理，的确降低

10、了被试对局部特征的识别成绩。除 第 11 卷第 1 期 面孔加工的认知神经科学研究：回顾与展望 - 37- 变形处理之外，将面孔倒置，也能削弱面孔识别所需的对特征间空间结构的知觉。行为实验已经发现，正 常人对倒置面孔的识别不仅差于对正立面孔的识别，也差于对倒置房屋和字词的识别。这就是著名的面孔 识别的倒置效应（inversion effect） 。一个典型而有趣的现象是撒切尔错觉。面孔中的眼睛和嘴均是上下颠 倒的。当面孔倒置时，我们很难察觉出有什么变化。然而，当面孔图片正立过来时，我们立即发现包含了 被颠倒的眼睛和嘴的面孔原来丑陋无比。 关于倒置效应，一种观点认为，倒置破坏了面孔特征间的空间关

11、系，即面孔的整体结构。也有观点认 为，正立的面孔作为一个整体（完形）来知觉，而倒置的面孔分解为各个特征来知觉。 与正常人不同，面孔失认病人表现出反转的倒置效应。换句话说，同正立的面孔刺激相比，面孔失认 病人在倒置面孔上的作业成绩更好。这可能是因为识别倒置面孔和识别正立面孔的脑区不同12。正常情况 下，面孔采用整体编码，物体采用部分编码。而倒置面孔的编码同一般物体的编码相似，都是非整体的。 倒置的面孔由一般的物体知觉系统来加工，因而避免了面孔特异性的加工过程。这种观点得到了一些证据 的支持。例如，Moscovitch 等人的物体失认病人 CK，虽然能正常识别正立面孔，但倒置面孔的识别受损6。 这

12、提示倒置的面孔可能由物体加工机制负责，而物体失认病人受损的物体加工机制，导致病人识别倒置面 孔时成绩较差。另外，fMRI 研究显示，倒置的面孔虽然没有让 FFA 的反应消失，但引起了参与一般物体 知觉的皮层区的较大反应13。这说明，尽管面孔特异性加工过程继续对倒置的面孔起作用，但是，倒置的 面孔更多的是与物体识别脑区有关。 1 . 2 . 2 对流行观点的挑战 倒置效应已经成了研究面孔识别特殊性的一个重要工具，而且被作为面孔特异性过程的标志。然而， 同样是考察面孔失认病人中反转的倒置效应，de Gelder 和 Rouw 却对面孔加工的模块性提出怀疑14, 15。使 用匹配任务，他们发现，同正

13、立的刺激相比，面孔失认病人 LH 对倒置的刺激识别得更好，不管刺激是面 孔还是鞋子。而无论是正立的面孔，还是正立的鞋子，LH 的识别成绩都处于机遇水平。他们认为，LH 能 可靠地匹配倒置刺激，但不能匹配正立刺激的事实，说明 LH 基于部分的加工通路完好。但是，当面对正 立的刺激时，基于整体的加工通路会对基于部分的加工通路造成干扰。倒置的刺激不存在这种干扰，所以 识别得好。此外，不管刺激是面孔14，还是房子15，LH 都显示出背景劣势效应，即当刺激为正常方位时， LH 对部件的匹配成绩更差。这说明，当刺激为正常方位时，LH 对整体刺激背景特别地敏感，不能克服整 体结构所产生的影响。de Geld

14、er 和 Rouw 在面孔和物体（如鞋子、房子）2 种刺激上，观察到了同样的模 式，因而削弱了存在面孔加工模块的看法。 1 . 2 . 3 面孔识别的特殊性与专家系统说 专家系统说是 Gauthier 等人提出来的，它强调，面孔识别之所以特殊，是由于它要求在一个相对同质 的物体范畴中，对亚范畴进行专家水平的分类，而人类是完成识别不同个体面孔这种艰巨任务的专家16。 Gauthier 等人认为，大脑的面孔反应区对所有物体都有反应，而之所以对面孔反应强，是因为我们都是识 别面孔的专家16。 Gauthier 等人使用一种新异的非面孔刺激，称作“Greebles” （一种人造动物，其成员之间具有家族

15、相 似性） ，考察了 Greebles 方面的新手和专家的识别能力17。总的来看，从已习得的结构中识别部分，优于孤 立状态下对部分的识别，表现出整体优势。对于专家来说，从变形的结构中识别 Greebles 的部分，慢于从 -38- 心理科学进展 2003 年 已习得的结构中去识别。然而，这种差异模式仅限于正立的刺激。这些结果说明，视觉上对非面孔刺激的 识别，类似于对面孔刺激的识别。 上面讨论了面孔识别如何有别于一般物体的识别。另一个问题是，在面孔识别范围内，对自我面孔的 识别，是否有别于对他人面孔的识别。 1 . 3 自我面孔识别 关于自我面孔识别，引人瞩目的是 Keenan 等人18, 19

16、近期提出的右半球是自我面孔加工优势半球的观 点。他们把被试自己和被试熟人的面孔，分别与著名人物的面孔进行合成，得到“自我- 著名”和“熟悉- 著名”2 种面孔18。被试的任务是识别面孔。结果发现，同要求用右手按键相比，当要求用左手按键时， 被试更倾向于把“自我- 著名”面孔识别为自己的面孔。这一发现提示右半球是自我面孔加工的优势半球。 Keenan 等人还研究了 5 名癫痫病人19。在病人颈动脉内注射异戊巴比妥（一种镇静催眠药）的和田试 验（Wada test）期间，他们向病人呈现由著名人物面孔和病人自己的面孔所合成的面孔图片，并要求病人 记住图片。待病人从麻醉状态中恢复过来之后，他们向病人同时呈现病人自己的面孔与著名人物的面孔， 要求病人选出先前呈现过的面孔。