“Trông bạn quen quen”, tại sao?

Theo New York Times, não có một khả năng tuyệt vời trong việc nhận diện các khuôn mặt. Nó có thể nhận ra một khuôn mặt chỉ trong vài phần nghìn giây – hình thành nên ấn tượng đầu tiên khi gặp mặt và lưu giữ lại trong trí nhớ trong hàng thập kỷ về sau.

Một câu hỏi được đặt ra cho khả năng đặc biệt này: Hình ảnh một gương mặt được mã hóa bởi não bộ bằng cách nào? Hai nhà sinh học Caltech, Le Chang và Doris Y.Tsao, đã công bố rằng họ đã giải mã được cách thức não bộ nhận diện khuôn mặt.

Các nhà nghiên cứu tại Caltech có thể dự đoán các khuôn mặt sẽ được thể hiện như thế nào khi được đưa ra trước mắt những con khỉ chỉ đơn giản bằng cách theo dõi các tín hiệu trong não chúng. Nguồn ảnh: Doris Tsao/CalTech

Các thí nghiệm được thực hiện

Các thí nghiệm của họ dựa trên các bản ghi điện tử từ các tế bào mặt (đây là cái tên được đặt cho các nơ ron phản hồi các tín hiệu điện khi hình ảnh khuôn mặc được đưa vào võng mạc). Bằng cách chú trọng vào phản ứng của các tế bào mặt của khỉ với hình ảnh của khoảng 2000 khuôn mặt khác nhau, nhóm của Caltech có thể tính toán chính xác những yếu tố nào của khuôn mặt đã "bật tín hiệu" cho các tế bào cũng như biết được cách thức mã hóa các đặc điểm của khuôn mặt. Hệ thống nhận diện khuôn mặt của loài khỉ được cho là rất giống với con người.

Các nhà khoa học cho biết chỉ cần 200 tế bào mặt để có thể nhận diện được một gương mặt. Sau khi khám phá được cách thức mã hóa các đặc điểm của khuôn mặt, các nhà khoa học sẽ hoàn toàn có thể xây dựng lại được khuôn mặt mà một con khỉ đang nhìn chỉ bằng cách theo dõi những chi tiết & dấu hiệu mà các tế bào mặt đọc được.

Phát hiện này cần được kiểm chứng lại trong các phòng thí nghiệm khác. Tuy nhiên, nếu phát hiện trên là đúng, thì chúng có thể giúp chúng ta hiểu được não đã giải mã tất cả những gì chúng thấy bằng cách nào, cũng như sẽ giúp gợi ý cho chúng ta một cách tiếp cận mới cho vấn đề về hình ảnh nhân tạo.

Brad Duchaine, một chuyên gia về nhận dạng khuôn mặt tại Dartmouth, cho biết: "Giải mã khuôn mặt chắc chắn là một phát minh lớn". Ông nói thêm: "Đây là một tiến bộ lớn đáng chú ý để có thể biết được bộ não đã sử dụng những kích thước nào để giải mã một khuôn mặt. Và thật ấn tượng khi các nhà nghiên cứu đã có khả năng dựng lại khuôn mặt mà một con khỉ đang nhìn chỉ bằng cách đọc các tín hiệu nơ ron được truyền về não".

Não của loài người và loài khỉ đã phát triển các hệ thống chuyên biệt để nhận dạng khuôn mặt. Sự phát triển này có lẽ là kết quả tất yếu trong quá trình thích nghi khi sống trong một tập thể, một cộng đồng. Bởi sự tồn tại luôn đòi hỏi loài vật cũng như còn người phải nhận ra những thành viên quen thuộc, và phải phân biệt những thành viên quen thuộc với những người lạ có thể gây hại cho cuộc sống của mình.

Nhìn nhận ở góc độ khoa học

Ở cả loài khỉ và loài người, hệ thống nhận diện khuôn mặt bao gồm các tế bào khuôn mặt được nhóm thành các mảng nhỏ, và có ít nhất 10.000 mảng nhỏ như vậy. Có 6 trong số các mảng đó ở mỗi bên của não, nằm trên vỏ não, ngay sau tai. Khi hình ảnh của một khuôn mặt được truyền đến võng mạc mắt, nó sẽ được chuyển hóa thành tín hiệu điện. Chúng đi qua 5 hoặc 6 bộ nơ ron và được xử lý ở từng giai đoạn trước khi chúng tiếp cận đến được các tế bào mặt. Kết quả là các tế bào này nhận được thông tin đã-được-xử-lý-sơ-bộ về hình hạng và đặc điểm của gương mặt, giúp chúng ta có một hình dung cụ thể.

Bộ não nhận diện nhiều khuôn mặt có thể đơn giản bằng cách dành ra mỗi tế bào để nhận diện một gương mặt. Thật vậy, các tế bào ở các phần khác nhau của não bộ có khả năng phản ứng và phản hồi với những hình ảnh của một số người cụ thể khác nhau. Các nhà thần kinh học gọi chúng là những tế bào Jennifer Aniston. Cái tên này được đặt do khi một bệnh nhân bị động kinh được phẫu thuật vào năm 2005, một tế bào dạng này đã phản hồi khi bệnh nhân được nhìn những hình ảnh của một nữ diễn viên. Tế bào đã bỏ qua tất cả các hình ảnh khác, kể cả hình ảnh của nữ diễn viên đó cùng Brad Pitt.

Nhưng đây không phải là cách bộ bão nhận diện khuôn mặt, vì chúng ta có thể nhận ra những gương mặt mà chúng ta chưa bao giờ gặp trước đó. Thay vào đó, nhóm của Caltech đã khám phá ra rằng tế bào khuôn mặt của bộ não phản hồi với những kích thước và đặc điểm của gương mặt bằng một cách đơn giản nhưng trừu tượng.

Trong các thí nghiệm của họ, đầu tiên các nhà sinh học đã xác định các nhóm tế bào khuôn mặt trong não khỉ bằng các hình ảnh cộng hưởng từ, sau đó "thăm dò" các tế bào khuôn mặt với một điện cực giúp ghi lại những dấu hiệu của chúng. Những con khỉ được cho xem một số bức ảnh gương mặt con người – những bức ảnh này đã được xử lý để thấy rõ những điểm khác biệt về kích thước cũng như các đặc điểm của mỗi khuôn mặt người. Các tế bào "cấp cao" trong não thường phản hồi lại với một mớ hỗn độn các sự vật, khiến khó có thể đoán được tế bào đó đang định làm gì. Nhóm của Caltech có khả năng tạo ra các khuôn mặt giống hệt như khuôn mặt mà các tế bào mặt điều chỉnh & nhận diện.

Tại sao lại có những khuôn mặt nhìn "quen quen"?

Sự điều chỉnh của mỗi tế bào mặt là sự kết hợp của các kích thước khuôn mặt – một hệ thống toàn diện & hoàn chỉnh. Điều này giải thích tại sao nếu bạn cạo râu hay đổi kiểu tóc, bạn bè bạn vẫn nhận ra bạn. Thậm chí họ có thể không nhận ra bạn đã cạo râu nếu không chú ý kỹ. Điều này có nghĩa, nếu gương mặt của ai đó đã in sâu vào não bạn, thì dù chục năm sau bạn gặp lại họ với hình ảnh mới, môi trường mới, hoàn cảnh mới, bạn hoàn toàn có thể nhận ra họ.

Có khoảng 50 kích thước được sử dụng để nhận diện một khuôn mặt – theo báo cáo của nhóm Caltech. Các kích thước này tạo ra một "không gian mặt", trong đó có vô số khuôn mặt được nhận diện. Có thể có một "khuôn mặt phổ thông" nào đó trong não, hoặc thứ gì đó tương tự vậy, và não đã tính toán, đo lường độ lệch dựa trên cơ sở này. Một khuôn mặt mới gặp có thể "nằm" cách khoảng 5 đơn vị so với khuôn mặt phổ thông, cách 7 đơn vị so với khuôn mặt khác, v.v… Đó là lý do tại sao bạn sẽ cảm thấy một vài người bạn mới gặp những bạn vẫn cảm thấy họ nhìn "quen quen".

Một tế bào mặt sẽ đọc khoảng 6 kích thước của khuôn mặt. Điều này có nghĩa dấu hiệu từ 200 tế bào mặt sẽ cùng kết hợp để nhận diện được một gương mặt hoàn chỉnh.

Tiến sỹ Tsao nói rằng có rất nhiều khuôn mặt mà một tế bào mặt không phản hồi với những khuôn mặt đó, bởi chúng thiếu sự kết hợp của các kích thước khuôn mặt. Điều này đã loại trừ một phương pháp thay thế để nhận diện khuôn mặt: Các tế bào mặt so sánh những hình ảnh được truyền đến với các bộ tiêu chuẩn của các khuôn mặt liên quan và tìm kiếm sự khác biệt.

Tiềm năng phát triển của nghiên cứu

Nancy Kanwisher, một nhà thần kinh học tại Viện Thú y, cho biết đây là một bước tiến quan trọng để có thể mô tả công việc của một tế bào mặt và dự đoán phản hồi của nó khi gặp một khuôn mặt mới. Nhưng cô cũng gợi ý rằng cần phải có hơn 50 kích thước khuôn mặt thì mới có thể nhận diện đầy đủ và hoàn chỉnh một gương mặt và những điểm đặc biệt của gương mặt đó. "Chúng ta có cần một kích thước cho bộ lông mày của Jack Nicholson không?" – Cô hỏi vui.

Tiến sỹ Tsao đã làm việc và nghiên cứu về các tế bào mặt trên 15 năm và có một báo cáo cùng với tiến sỹ Chang – bạn của cô. Báo cáo có tên "the capstone of all these efforts". Cô nói cô hy vọng những khám phá mới của mình sẽ mở ra một hướng đi đầy tiềm năng cho lĩnh vực về khoa học thần kinh.

Những tiến bộ về công nghệ máy móc đã được ứng dụng để tạo ra một mô phỏng trên máy tính về một mạng nơ ron trong một nhiệm vụ nhất định. Mặc dù mạng mô phỏng này thành công, nhưng vẫn tồn tại một "hộp đen" lớn. Vì chúng ta rất khó để tái tạo lại cách thức hệ thống này tạo ra được kết quả.

Cô nói thêm: "Điều này cũng đưa ra cho nền khoa học thần kinh một câu hỏi rằng liệu não có giống như "hộp đen" của hệ thống mô phỏng trên hay không. Tài liệu của chúng tôi đã đưa ra một ví dụ ngược lại. Chúng tôi đang ghi lại từ các nơ ron cấp cao ở giai đoạn cao nhất của hệ thống hình ảnh và thấy rằng chúng không có "hộp đen". Tôi cá rằng điều này cũng đúng đối với não người".

Anh Cao