Journal of Cognitive Neuroscience

Chúng tôi đã phát triển một hệ thống máy tính gần như thời gian thực có khả năng xác định và theo dõi đầu của một đối tượng, và sau đó nhận diện người đó bằng cách so sánh các đặc điểm của khuôn mặt với những người đã biết. Phương pháp tính toán được áp dụng trong hệ thống này được thúc đẩy bởi cả sinh lý học và lý thuyết thông tin, cũng như các yêu cầu thực tiễn về hiệu suất gần như thời gian thực và độ chính xác. Cách tiếp cận của chúng tôi coi bài toán nhận diện khuôn mặt là một bài toán nhận diện hai chiều (2-D) vốn có, thay vì phải phục hồi hình học ba chiều, tận dụng thực tế rằng khuôn mặt thường ở tư thế thẳng đứng và do đó có thể được mô tả bằng một tập hợp nhỏ các góc nhìn 2-D đặc trưng. Hệ thống hoạt động bằng cách chiếu hình ảnh khuôn mặt vào một không gian đặc trưng phản ánh những biến đổi đáng kể giữa các hình ảnh khuôn mặt đã biết. Các đặc trưng quan trọng được gọi là "eigenfaces," vì chúng là các eigenvector (thành phần chính) của tập hợp các khuôn mặt; chúng không nhất thiết phải tương ứng với các đặc trưng như mắt, tai, và mũi. Phép chiếu đặc trưng hóa một khuôn mặt cá nhân thông qua tổng trọng số của các đặc trưng eigenface, và vì vậy để nhận diện một khuôn mặt cụ thể, chỉ cần so sánh các trọng số này với những người đã biết. Một số ưu điểm cụ thể của cách tiếp cận này là nó cung cấp khả năng học và sau đó nhận diện các khuôn mặt mới mà không cần giám sát, và nó rất dễ triển khai bằng cách sử dụng kiến trúc mạng nơ-ron.

Chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) và chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) đã được sử dụng rộng rãi để khám phá giải phẫu chức năng của các chức năng nhận thức. Ở đây, chúng tôi xem xét 275 nghiên cứu PET và fMRI về sự chú ý (bền vững, chọn lọc, Stroop, định hướng, chia sẻ), cảm nhận (đối tượng, khuôn mặt, không gian/chuyển động, mùi), hình ảnh (đối tượng, không gian/chuyển động), ngôn ngữ (nhận biết từ viết/nói, phản hồi nói/không nói), trí nhớ làm việc (văn bản/số, đối tượng, không gian, giải quyết vấn đề), truy hồi trí nhớ nghĩa (phân loại, tạo ra), mã hóa trí nhớ hồi ức (văn bản, đối tượng, không gian), truy hồi trí nhớ hồi ức (văn bản, phi ngôn ngữ, thành công, nỗ lực, chế độ, ngữ cảnh), khơi gợi (cảm nhận, khái niệm), và trí nhớ quy trình (huấn luyện, học kỹ năng động cơ và phi động cơ). Để xác định các mô hình kích hoạt đồng nhất liên quan đến các hoạt động nhận thức này, dữ liệu từ 412 sự tương phản đã được tóm tắt ở mức độ các vùng vỏ não Brodmann, vùng insula, vùng đồi, thùy thái dương giữa (bao gồm cả hồi hải mã), hạch nền và tiểu não. Đối với cảm nhận và hình ảnh, các mô hình kích hoạt bao gồm các vùng chính và phụ trong các con đường lưng và bụng. Đối với sự chú ý và trí nhớ làm việc, thường thấy kích hoạt ở vùng trán trước và vùng đỉnh. Đối với ngôn ngữ và truy hồi trí nhớ nghĩa, các vùng điển hình bao gồm vùng trán trái và vùng thái dương. Đối với mã hóa trí nhớ hồi ức, các vùng được kích hoạt nhất quán bao gồm vùng trán trái và vùng thái dương giữa. Đối với truy hồi trí nhớ hồi ức, các mô hình kích hoạt bao gồm vùng trán trước, vùng thái dương giữa và các vùng giữa sau. Đối với khơi gợi, việc giảm kích hoạt ở các vùng trán trước (khái niệm) hoặc vùng ngoại vi (cảm nhận) đã được quan sát thường xuyên. Đối với trí nhớ quy trình, các kích hoạt đã được tìm thấy ở các khu vực não động cơ cũng như phi động cơ. Phân tích các kích hoạt khu vực trong các lĩnh vực nhận thức gợi ý rằng một số vùng não, bao gồm cả tiểu não, tham gia vào nhiều thách thức nhận thức khác nhau. Những quan sát này được thảo luận liên quan đến sự chuyên biệt chức năng cũng như sự tích hợp chức năng.

Các tiềm năng liên quan đến sự kiện (ERPs) gắn liền với việc nhận diện khuôn mặt đã được ghi lại bằng cách sử dụng điện cực trên da đầu từ các tình nguyện viên bình thường. Các đối tượng thực hiện một nhiệm vụ phát hiện mục tiêu thị giác, trong đó họ tính toán số lần xuất hiện của các kích thích hình ảnh thuộc một danh mục nhất định như bướm. Trong các thí nghiệm riêng biệt, các kích thích mục tiêu được chèn vào giữa một loạt các kích thích khác bao gồm khuôn mặt người không quen thuộc và các thành phần khuôn mặt tách rời, khuôn mặt đảo ngược, khuôn mặt biến dạng, khuôn mặt động vật và các kích thích không phải khuôn mặt khác. Khuôn mặt người đã gây ra một tiềm năng âm ở 172 msec (N170), mà không thấy xuất hiện trong các ERPs được sinh ra bởi các kích thích không phải khuôn mặt sống và vô tri khác. N170 lớn nhất tập trung ở vùng da đầu thái dương sau và lớn hơn ở bán cầu phải so với bán cầu trái. N170 bị trì hoãn khi khuôn mặt được trình bày ngược chiều, nhưng độ lớn của nó không thay đổi. Khi được trình bày riêng lẻ, mắt tạo ra một N170 lớn hơn đáng kể so với N170 của toàn bộ khuôn mặt, trong khi mũi và môi tạo ra các ERPs âm nhỏ xảy ra khoảng 50 msec sau N170. Những khuôn mặt người bị biến dạng, trong đó vị trí các thành phần bên trong của khuôn mặt bị thay đổi, đã tạo ra một N170 tương đương về độ lớn với N170 được sinh ra bởi các khuôn mặt bình thường. Tuy nhiên, các khuôn mặt động vật, tay người, ô tô và đồ nội thất không tạo ra N170. N170 có thể phản ánh hoạt động của một cơ chế thần kinh được điều chỉnh để phát hiện (khác với xác định) các khuôn mặt người, tương tự như "bộ mã hóa cấu trúc" được đề xuất bởi Bruce và Young (1986). Một chức năng tương tự đã được đề xuất cho N200 ERP chọn lọc khuôn mặt ghi lại từ những nếp gấp fusiform giữa và hạ trước thái dương bằng cách sử dụng điện cực dưới màng não ở người (Allison, McCarthy, Nobre, Puce, & Belger, 1994c). Tuy nhiên, độ nhạy khác biệt của N170 đối với mắt khi riêng lẻ cho thấy rằng N170 có thể phản ánh sự kích hoạt của một vùng vỏ nhạy cảm với mắt. Phân bố điện áp của N170 trên da đầu tương thích với một nguồn phát thần kinh nằm ở rãnh chẩm-thái dương bên cạnh vùng fusiform/thái dương dưới, nơi tạo ra N200.

Có khả năng điều chỉnh nhận thức các phản ứng cảm xúc đối với các sự kiện khó chịu là điều quan trọng cho sức khỏe tâm thần và thể chất. Tuy nhiên, còn rất ít thông tin về cơ sở thần kinh của việc kiểm soát cảm xúc thông qua nhận thức. Nghiên cứu hiện tại đã sử dụng chức năng cộng hưởng từ để xem xét các hệ thống thần kinh được sử dụng để đánh giá lại các cảnh tiêu cực cao với những thuật ngữ không cảm xúc. Việc đánh giá lại các cảnh tiêu cực cao đã làm giảm trải nghiệm chủ quan về cảm xúc tiêu cực. Các tương quan thần kinh của việc đánh giá lại là sự gia tăng hoạt động của các vùng vỏ não trước bên và giữa và giảm hoạt động của hạch hạnh và vỏ não dưới trước giữa. Những phát hiện này hỗ trợ giả thuyết rằng vỏ não trước tham gia vào việc xây dựng các chiến lược đánh giá lại có thể điều chỉnh hoạt động trong nhiều hệ thống xử lý cảm xúc khác nhau.

Một mạng lưới não cơ bản đã được đề xuất là nền tảng cho một số quá trình khác nhau, bao gồm ghi nhớ, khả năng dự đoán, điều hướng và lý thuyết về tâm trí [Buckner, R. L., & Carroll, D. C. Tự chiếu và não bộ. Xu hướng trong Khoa học Nhận thức, 11, 49–57, 2007]. Mạng lưới này – vùng vỏ trước trán giữa, vùng thái dương giữa, và các vùng thái dương bên và đỉnh giữa – tương tự như mạng lưới quan sát trong quá trình chế độ mặc định và đã được cho là đại diện cho sự tự chiếu [Buckner, R. L., & Carroll, D. C. Tự chiếu và não bộ. Xu hướng trong Khoa học Nhận thức, 11, 49–57, 2007] hoặc xây dựng cảnh [Hassabis, D., & Maguire, E. A. Giải cấu trúc trí nhớ theo từng sự kiện bằng cách xây dựng. Xu hướng trong Khoa học Nhận thức, 11, 299–306, 2007]. Đến nay, không có bằng chứng hệ thống và định lượng nào được đưa ra cho mạng lưới chung này. Sử dụng phương pháp đánh giá khả năng kích hoạt (ALE), chúng tôi đã tiến hành bốn phân tích tổng hợp định lượng riêng biệt về các nghiên cứu hình ảnh thần kinh về: (a) trí nhớ tự truyện, (b) điều hướng, (c) lý thuyết về tâm trí, và (d) chế độ mặc định. Phân tích kết hợp giữa các lĩnh vực này cho thấy mức độ tương ứng cao. Chúng tôi đã so sánh những phát hiện này với một phân tích ALE riêng biệt của các nghiên cứu về khả năng dự đoán và phát hiện thêm sự tương ứng. Trên tất cả các lĩnh vực, và nhất quán với mạng lưới được đề xuất, sự tương ứng được tìm thấy trong thùy thái dương giữa, vùng tiền thùy, hồi cingulate sau, vỏ não hồi sau và giao điểm thùy thái dương. Thêm vào đó, nghiên cứu này đã chỉ ra rằng mạng lưới cốt lõi mở rộng đến các vỏ não trán bên và vỏ não thị giác. Trí nhớ tự truyện, khả năng dự đoán, lý thuyết về tâm trí và chế độ mặc định đều cho thấy sự tham gia đáng tin cậy hơn của vỏ não trán giữa và các vỏ não thái dương bên. Trí nhớ tự truyện và lý thuyết về tâm trí, trước đây được nghiên cứu như các lĩnh vực riêng biệt, đã thể hiện sự chồng chéo chức năng rộng rãi. Những phát hiện này đại diện cho bằng chứng định lượng cho một mạng lưới cốt lõi nằm dưới nhiều lĩnh vực nhận thức khác nhau.

Kinh nghiệm có ảnh hưởng sâu sắc đến não bộ và do đó, đến hành vi. Khi tác động của kinh nghiệm lên não bộ đặc biệt mạnh mẽ trong một khoảng thời gian hạn chế trong sự phát triển, khoảng thời gian này được gọi là giai đoạn nhạy cảm. Những giai đoạn như vậy cho phép kinh nghiệm hướng dẫn các mạch thần kinh để xử lý hoặc đại diện thông tin theo cách mà có lợi cho cá nhân. Khi kinh nghiệm cung cấp thông tin cần thiết cho sự phát triển bình thường và thay đổi hiệu suất một cách vĩnh viễn, những giai đoạn nhạy cảm này được gọi là các giai đoạn quan trọng.

Mặc dù các giai đoạn nhạy cảm được phản ánh trong hành vi, nhưng chúng thực sự là một thuộc tính của các mạch thần kinh. Các cơ chế tính dẻo ở mức độ mạch được bàn luận mà đã được chứng minh là hoạt động trong suốt các giai đoạn nhạy cảm. Một giả thuyết được đề xuất rằng kinh nghiệm trong một giai đoạn nhạy cảm làm thay đổi cấu trúc của một mạch theo những cách cơ bản, khiến cho một số kiểu kết nối trở nên cực kỳ ổn định và do đó, được ưa chuộng về mặt năng lượng. Tính dẻo xảy ra sau khi kết thúc giai đoạn nhạy cảm, mà là rất lớn trong nhiều mạch, làm thay đổi các mô hình kết nối trong các giới hạn kiến trúc được thiết lập trong suốt giai đoạn nhạy cảm. Những sở thích trong một mạch mà phát sinh từ kinh nghiệm trong các giai đoạn nhạy cảm được minh họa một cách đồ họa như là những thay đổi trong một “cảnh quan ổn định,” một phép ẩn dụ đại diện cho những đóng góp tương đối của các ảnh hưởng di truyền và kinh nghiệm trong việc hình thành các khả năng xử lý thông tin của một mạch thần kinh. Bằng cách hiểu các giai đoạn nhạy cảm ở mức độ mạch, cũng như hiểu mối quan hệ giữa các thuộc tính của mạch và hành vi, chúng ta có được cái nhìn sâu sắc hơn vào vai trò quan trọng mà kinh nghiệm đóng trong việc hình thành sự phát triển của não bộ và hành vi.

Các nhà nghiên cứu đã lâu nay tranh luận về việc tri thức về bản thân có đặc thù về mặt cấu trúc chức năng trong não người hay không. Trong bối cảnh chức năng ghi nhớ, tri thức về bản thân thường được ghi nhớ tốt hơn so với các loại thông tin ngữ nghĩa khác. Nhưng tại sao hiệu ứng ghi nhớ này lại xuất hiện? Mở rộng nghiên cứu trước đây về chủ đề này (xem Craik et al., 1999), nghiên cứu hiện tại đã sử dụng hình ảnh cộng hưởng từ chức năng liên quan đến sự kiện để điều tra các cơ sở thần kinh tiềm ẩn của quá trình xử lý tự tham chiếu. Những người tham gia đã được chụp hình trong khi đưa ra đánh giá về các hình thái tính từ dưới ba điều kiện thực nghiệm (sự liên quan đến bản thân, sự liên quan đến người khác hoặc đánh giá hình thức). Các đánh giá về sự liên quan, khi so sánh với các đánh giá hình thức, đã kèm theo sự kích hoạt của vỏ não trán dưới bên trái và hồi củ. Một vùng riêng biệt của vỏ não trước trán giữa đã được tham gia chọn lọc trong quá trình xử lý tự tham chiếu. Tập hợp lại, các phát hiện này gợi ý rằng quá trình xử lý tự tham chiếu có thể tách bạch về mặt chức năng so với các hình thức xử lý ngữ nghĩa khác trong não người.

"Lý thuyết tâm trí," khả năng suy diễn về trạng thái tâm lý của người khác, dường như là một năng lực nhận thức mô-đun nằm cơ sở cho khả năng của con người trong việc tham gia vào các tương tác xã hội phức tạp. Năng lực này phát triển qua nhiều giai đoạn khác nhau, có thể được đo lường bằng các bài kiểm tra lý luận xã hội với độ khó tăng dần. Những cá nhân mắc hội chứng Asperger, một dạng tự kỷ nhẹ, thực hiện tốt trên các bài kiểm tra lý thuyết tâm trí đơn giản nhưng lại cho thấy những thiếu sót trên các bài kiểm tra lý thuyết tâm trí phát triển hơn. Chúng tôi đã thử nghiệm các bệnh nhân có tổn thương hai bên vùng vỏ trước trán (n = 5) và tổn thương một bên ở vùng vỏ trán ngoài bên trái (n = 5) trên một loạt các nhiệm vụ lý thuyết tâm trí khác nhau về độ khó. Các bệnh nhân tổn thương hai bên vùng vỏ trước trán thực hiện tương tự như những cá nhân mắc hội chứng Asperger, thể hiện tốt trên các bài kiểm tra đơn giản và cho thấy sự thiếu hụt trong các nhiệm vụ đòi hỏi lý luận xã hội tinh tế hơn, chẳng hạn như khả năng nhận diện những sai lầm xã hội. Ngược lại, không có thiếu hụt cụ thể nào về lý thuyết tâm trí ở các bệnh nhân tổn thương một bên vùng vỏ trán ngoài bên. Các bệnh nhân tổn thương vùng trán ngoài chỉ gặp khó khăn trên các phiên bản của nhiệm vụ yêu cầu bộ nhớ làm việc.