梅根·霍爾：當我們看到朋友的臉時，我們如何瞬間知道他們是誰？蔡多麗仔細觀察猴子的大腦模式，以幫助解開這個謎團。今年，她與南希·坎維舍爾和溫裡奇·弗賴瓦爾德一起獲得了卡弗裡神經科學獎，因為他們發現了大腦中發生面部識別的專門區域。
《大眾科學》定製媒體與卡弗裡獎合作，與蔡多麗進行了交談，以瞭解更多關於她的發現以及她如何利用這些發現來解鎖一個更大的問題——我們的大腦如何表徵世界？
小時候，蔡多麗周圍充滿了科學。她的母親是一名計算機程式設計師，她的父親是一名數學家。
蔡多麗：我從小就覺得當科學家是最崇高的職業。這真的來自於我的父母和他們的談話。這是我們家庭的一部分。
梅根·霍爾：但蔡多麗並不認為自己會成為一名科學家。
蔡多麗：我不認為自己對科學特別感興趣。我喜歡數學。我的父母給了我幾何問題，我喜歡那個。我小時候當然沒有想過大腦。我喜歡玩。我玩芭比娃娃。我喜歡讀傳記。
梅根·霍爾：這一切在她六年級時發生了改變。
蔡多麗：我記得有一天早上醒來，突然，沒有任何真正的原因，我想知道空間是無限的還是不是。因為如果空間是無限的，那似乎不可思議。我以前從未想過無限。如果不是，那又怎麼可能呢？對吧？所以，我一直在這個迴圈中徘徊，我記得我為此著迷了好幾天。
梅根·霍爾：她在高中時重新審視了這個問題，當時她開始閱讀有關人工智慧和神經科學的書籍。像伊曼努爾·康德這樣的哲學家的著作讓她思考我們的大腦如何感知空間。你認為為什麼這個問題如此吸引你？
蔡多麗：這有點好笑，我一直認為自己很特別，但我的孩子們，他們六歲左右，他們現在也會問我這個問題。所以，我認為這是一個很自然的問題。也許每個孩子在某個時候都會想到這個問題。
梅根·霍爾：但蔡多麗一直在思考這個問題。不過，她仍然無法準確地 pinpoint 她在尋找什麼。她說她去加州理工學院上大學是因為她喜歡當科學家的想法。
蔡多麗：而且我已經讀過所有關於大腦的書籍，等等。所以，我對那有浪漫的幻想，但這更像是一種關於我的生活會是什麼樣子的幻想，而不是出於對世界的問題的驅動。
梅根·霍爾：然後，發生了一件很平常的事情。她和父親一起去露營，他讓她校對他的一篇學術論文。他的第一語言是中文，所以...
蔡多麗：他會把他的論文給我，讓我糾正英語錯誤。我從初中、高中就開始做這件事，我不知道他的論文是什麼——它們就像胡言亂語——但我可以弄清楚動詞與主語不一致。
梅根·霍爾：但這一次不同了。憑藉她在加州理工學院的訓練，蔡多麗實際上理解了他在寫什麼。
蔡多麗：這個想法讓我感到驚訝，就像這個想法本身一樣。
梅根·霍爾：她父親的論文中描述了我們的大腦如何幫助我們以三維方式看待世界。
蔡多麗：我只是覺得它太美了。就像大腦正在創造我們的感知一樣，突然它有了數學的外衣。這就像一個解釋它是如何運作的真實框架。
梅根·霍爾：那時一切都水到渠成了。
蔡多麗：突然，我想了解三維空間以及無限空間如何成為可能的夢想，我可以在大腦中發現一些美麗事物的感受，然後就是與父親的這種聯絡。我們是一個移民家庭。我們一直有一種感覺，我們必須在這個國家、在這片新的土地上證明自己。所以，所有這些想法都彙集在一起，感覺就像，哇，我可以去證明這個驚人的理論，是的，我會去贏得大獎。
梅根·霍爾：你做到了！
蔡多麗：是的！事情並沒有完全按照這個方式發展，但是...
梅根·霍爾：蔡多麗繼續在哈佛大學讀研究生，以證明她父親關於我們的大腦如何處理三維世界的理論。為了做到這一點，她花了多年時間與獼猴一起工作。那是因為...
蔡多麗：視覺系統在所有這些細節上幾乎與人類視覺系統完全相同。它們就像複製品。這真是一件值得一看的美麗事物。
梅根·霍爾：所以，她給猴子戴上 3D 眼鏡，向它們展示不同的影像，並使用電極來測量它們大腦中發生的事情——一次一個神經元。三年裡...
蔡多麗：我一無所獲。我把這個告訴我的學生，讓他們放心。我告訴他們科學是非常非線性的。你可以毫無進展，然後突然間一切都起飛了。
梅根·霍爾：當她加入馬薩諸塞州總醫院的一個研究小組時，事情終於有了進展。在那裡，她幫助開展了一個專案，該專案使用功能性磁共振成像或 fMRI 測量猴子整個大腦的血流。
蔡多麗：fMRI 可以讓你鳥瞰所有被啟用的區域以及它們被特定刺激啟用的程度。所以，這對我來說似乎是一個令人興奮的機會。
梅根·霍爾：大約在這個時候，蔡多麗聽說了她的同事獲獎者南希·坎維舍爾的工作。
蔡多麗：她當時是麻省理工學院炙手可熱的新教授。我讀了她關於在人腦中發現面部區域的論文。它報告說，大腦中有一個區域只對面孔做出反應。
梅根·霍爾：蔡多麗對這個想法感到震驚和困惑。
蔡多麗：因為我從內省中感覺不到面孔與任何其他東西有什麼不同，它看起來如此容易理解和簡單。你怎麼能有一個只關心面孔的區域呢？我認為它會是一些非常複雜的程式碼，對吧？
梅根·霍爾：所以，蔡多麗決定用猴子重複南希·坎維舍爾的人體實驗。
蔡多麗：給它們看面孔和非面孔物體的圖片，然後比較——猴子大腦中是否有任何體素對面的反應比其他物體更強烈？這是一個風險很低的實驗，因為實驗很簡單。這就像一個晚上的掃描。如果它不起作用，那完全沒問題。
梅根·霍爾：在那晚的掃描中...
蔡多麗：我們看到這個區域對著面孔亮了起來。我們再次掃描了猴子，同一個區域再次亮了起來。後來，我們得到了一個更好的線圈，我們看到其中六個區域亮了起來，而且始終是相同的六個區域。對吧？然後我們掃描了另一隻猴子，它顯示了大致相同的模式。而且，這些區域在兩個半球的位置非常相似。所以，很明顯它們不是隨機的。
梅根·霍爾：經過三年毫無成果的研究，蔡多麗偶然發現了一些新的、可複製的東西：六個附近的大腦組織斑塊，它們可以識別面孔。
蔡多麗：這是我第一次取得進展。我理解科學的迴圈是什麼了，對吧？以前，我只是在追逐一個幻想。我不知道自己在做什麼，但現在它就像一個閉環。你有一個新的發現，現在你有新的問題。
梅根·霍爾：她的第一個問題是這些大腦區域中的單個細胞在做什麼？它們都與面孔有關嗎？
蔡多麗：我不知道會發生什麼。我的期望並不高。
梅根·霍爾：大約在這個時候，她與她的同事獲獎者溫裡奇·弗賴瓦爾德合作。他們回到了她早期研究中使用的方法——將電極植入猴子的大腦中，以監測細胞如何對不同的影像做出反應。
蔡多麗：我記得我們的第一個實驗。我們降低了電極。我們到達了面部區域，我們期望面部區域所在的位置，我們可以聽到電活動。我們展示了面孔和其他物體的圖片，細胞會對著面孔做出反應。而且非常清楚，對面孔有選擇性。然後我們記錄了另一個細胞，結果完全一樣。它對面孔的反應更強烈。
梅根·霍爾：當這部分研究完成時...
蔡多麗：我做夢也沒想到我們實際發現的結果，即該區域的所有細胞都具有面部選擇性。
梅根·霍爾：這一發現開啟了一系列全新的問題。所有這些不同的大腦區域是如何相互關聯的？在識別面孔時，每個細胞具體在做什麼？
蔡多麗：我們只是要去弄清楚，就像這個寶箱一樣，那裡發生了什麼？
梅根·霍爾：蔡多麗在接下來的 20 年裡不斷深入挖掘這些問題。早期，她和她的團隊發現，其中一些腦細胞對特定的面部部位做出反應。
蔡多麗：其中一些需要眼睛和頭髮同時存在。另一些需要鼻子和嘴巴。幾乎所有都需要眼睛。眼睛是非常非常有效的特徵。
梅根·霍爾：其他細胞則對臉的朝向做出反應。
蔡多麗：所以，在這個區域的細胞，我們稱之為 ML，或中間面部斑塊，這些細胞對檢視非常挑剔。因此，如果它對面向左側的細胞做出反應，例如左側輪廓的面孔，那麼它就不會對從下方到右側的面孔做出反應。
梅根·霍爾：蔡多麗和她的團隊還一次刺激六個大腦區域或面部斑塊中的一個，以瞭解它們如何協同工作。
蔡多麗：結果非常漂亮。我們刺激一個面部斑塊，其他面部斑塊也會亮起來，以及其他一些區域。因此，它真的讓我們瞭解了這些區域是如何連線的。
梅根·霍爾：發現不斷湧現。隨著時間的推移，蔡多麗和她的團隊建立了一個全面的字典，解碼這些面部識別細胞的工作原理。此時，她覺得自己完全理解了它們，以至於她可以反向進行實驗。
蔡多麗 (Doris Tsao)：我們做了一個演示，我們只是聽神經元的反應。我們不知道猴子看到了什麼。僅僅通過了解字典和聆聽神經元的反應，我們就可以重建我們認為猴子看到的東西。如果你看看重建的影像，它們看起來和猴子實際看到的完全一樣。
梅根·霍爾 (Megan Hall)：哇！所以，你僅僅根據神經元的放電就可以畫出一幅畫？
蔡多麗 (Doris Tsao)：是的！是的。
梅根·霍爾 (Megan Hall)：多麗因這項工作獲得了卡夫利獎，但這並不是她真正的熱情所在...
蔡多麗 (Doris Tsao)：老實說，我對我們如何看到面孔沒有特別的興趣。
梅根·霍爾 (Megan Hall)：她仍然想回答她和父親露營旅行時提出的那些更大的問題。我們如何看到 3D 影像？大腦如何呈現世界？幸運的是，她從對面孔的研究中所學到的知識正在幫助多麗擴充套件她的研究。
蔡多麗 (Doris Tsao)：我逐漸意識到，看到面孔的問題實際上是看到世界的問題的縮影。結果發現，大腦的這一部分存在一整套網路，它們的組織方式與面部區域網路完全相同。
梅根·霍爾 (Megan Hall)：只不過，它們識別的不是面孔，而是不同型別的形狀。
蔡多麗 (Doris Tsao)：比如尖銳的東西和粗短的東西，彎曲的東西和塊狀的東西。蜘蛛是尖銳的東西。直升機是尖銳的東西。隨身碟是粗短的東西。收音機是粗短的東西。所以，你能想到的每一個物體，你都可以把它放在這個空間中的某個位置。
梅根·霍爾 (Megan Hall)：所以，聽起來你正在構建越來越詳細的大腦地圖？
蔡多麗 (Doris Tsao)：是的！現在，我們面臨的最大問題是我們如何呈現整個場景？
梅根·霍爾 (Megan Hall)：到目前為止，所有這些實驗都涉及到在猴子面前閃爍影像，觀察它們的大腦如何反應。但這並不是任何人實際看到世界的方式。
蔡多麗 (Doris Tsao)：在現實世界的視覺中，有非常多的不同物體，你不僅要呈現你正在看的東西，還要呈現其他東西的位置，對吧？這樣你才能知道接下來該看哪裡，例如。所以，這是我們正在努力解決的一個大問題。
梅根·霍爾 (Megan Hall)：就你想弄清楚的問題而言，這是你的下一個前沿領域嗎？
蔡多麗 (Doris Tsao)：是的，是的。我們想了解大腦如何呈現世界。那一直都是我的夢想。
梅根·霍爾 (Megan Hall)：回到那次露營旅行。
蔡多麗 (Doris Tsao)：在六年級的時候。甚至更早的時候，是的。
梅根·霍爾 (Megan Hall)：在多麗最初有了那些頓悟的幾十年後，她終於回到了她想去的地方。她甚至和她的父親發表了一篇關於 3D 視覺的論文。
蔡多麗 (Doris Tsao)：我們去露營，我接觸到了這個美好的想法，之後我和他一直在討論這些想法。
梅根·霍爾 (Megan Hall)：多麗說她現在處於最好的位置。她有自己的實驗室、才華橫溢的學生和博士後，以及深入探索我們的大腦如何向我們展示世界的奧秘的自由。
蔡多麗是加州大學伯克利分校的神經科學教授，也是霍華德·休斯醫學研究所的研究員。今年，她與南希·坎維舍 (Nancy Kanwisher) 和溫裡奇·弗雷瓦爾德 (Winrich Freiwald) 分享了卡夫利神經科學獎。
卡夫利獎旨在表彰科學家在天體物理學、奈米科學和神經科學領域的突破，改變我們對大、小和複雜事物的理解。卡夫利獎是挪威科學與文學院、挪威教育和研究部以及美國卡夫利基金會之間的合作伙伴關係。
這項工作由《大眾科學》定製媒體制作，並由卡夫利獎資助。