Processing the facial image: a brief history

这是一篇科学史回顾，而非实验论文：作者 Charles Gross 以 APA 杰出科学贡献奖颁奖演讲的形式，亲历者视角地讲述了"面孔神经元"是如何被发现的。文章从 Klüver–Bucy 综合征讲起，经颞下皮层（inferior temporal cortex，IT 皮层）的损伤研究与单细胞记录，一直讲到人类 fMRI 发现梭状回面孔区（fusiform face area，FFA），可作为理解该研究史的入门综述（解读者评价）。，或删除“最佳之一”。

研究背景

今天，面孔知觉的神经基础是一个庞大而活跃的研究领域。Gross 指出它有两条根：一条是临床神经学——Charcot（1883）和 Wilbrand（1892）在 19 世纪就描述过脑损伤后的面孔知觉困难，但直到 1947 年 Bodamer 才为此命名"面孔失认症"（prosopagnosia）；另一条是猴皮层研究，即 IT 皮层中面孔选择性神经元的单细胞记录，这是本文的主线。文章要回答的第一个问题是：远离初级视皮层的 IT 皮层，是如何一步步被确认为一个视觉区域的。

故事的起点是 Klüver–Bucy 综合征。Klüver 原本研究仙人掌毒碱（mescaline），怀疑其致幻作用与颞叶有关，于是请神经外科医生 Bucy 切除几只猴的双侧颞叶——结果猴对仙人掌毒碱的反应依旧，切掉的颞叶却带来了一组意外的行为改变，即所谓 Klüver–Bucy 综合征。其四个突出特征是：（1）"精神盲"（psychic blindness）即视觉失认，失去对物体视觉意义的识别能力，视觉辨别学习与记忆受损而无明显感觉缺陷；（2）强迫性地触摸、啃咬物体并进食原本不可食的东西；（3）不再表现出恐惧与愤怒；（4）性活动显著增强且不加选择。Gross 还特别提到，Brown 和 Schäfer 早在 1888 年就发表过类似观察，只是因为当时学界正激烈争论初级感觉区的定位，这些结果被遗忘了。

当时的缺口在于：综合征的诸症状是单一原因还是可以分离？在佛罗里达 Yerkes 灵长类实验室，Lashley 的学生与合作者 Chow、Pribram、Mishkin 用较小的颞叶损伤把症状"分离"（fractionate）开来：视觉学习与记忆的缺损只跟随颞叶皮层损伤出现，另外三个症状只跟随杏仁核损伤出现（Blum, Chow & Pribram, 1950; Chow, 1951, 1952; Pribram & Bagshaw, 1953）；Mishkin 进一步定位于颞叶下凸面的皮层，即 IT 皮层（相当于细胞构筑区 TE）。随后的密集行为分析表明，IT 损伤后（a）术后视觉辨别任务的学习与保持有严重且永久的缺损；（b）视力等感觉阈值没有足以解释学习记忆缺损的变化；（c）视觉以外模态的学习记忆不受影响；（d）只要任务足够难（以对照动物成绩衡量），各种单一或多维度的视辨物都受损。这正好符合 Freud 对视觉失认的经典定义——在没有初级感觉障碍的情况下发生的识别缺损。

研究思路

1960 年代初，Gross 与同事开始在 IT 皮层做单细胞记录，希望理解它在视觉学习与记忆中的关键作用——此前无人尝试过，而且当时人们对 IT 与视觉系统的连接几乎一无所知：纹外视觉区尚未被发现，猴脑已知的视网膜拓扑组织视觉区只有纹状皮层（V1）和 V2。到 1966 年，Mishkin 证明了 IT 在视觉学习中的作用依赖于它从纹状皮层经皮层—皮层通路（包括胼胝体和"纹前区"prestriate 至少一级突触）获得的信息。

总体策略是两条腿走路。清醒行为猴的记录让他们困惑：IT 细胞只在猴子注视"显然极有趣"的东西（比如从小孔里看人眼、或一支烧着的 Q-tip）时才剧烈放电。他们推测这些神经元受注意调制、或具有中央凹感受野，或两者兼有——"两者兼有"最终被证明是对的。为了检验中央凹感受野的假设，他们转向在笑气麻醉加眼肌固定（或局部麻醉）的固定动物上系统刻画 IT 神经元的基本感觉性质，与 Rocha-Miranda 和 Bender 合作三年，发表了 1969 年的 Science 论文和 1972 年的详细报告。正是这套"先固定动物摸清基本性质、再回到清醒猴"的逻辑，让后来那些反常的发现（手细胞、面孔细胞）有了解释的底座。

方法

本文为历史综述，无统一被试样本；核心动物研究使用猕猴，同时回顾了人类病损、PET、fMRI和颅内记录研究。综述涉及固定动物以及清醒行为猴的单细胞记录；固定动物采用局部麻醉、笑气麻醉或眼动神经固定等处理。：早期与 Schiller、Gerstein 在固定麻醉猴上确立 IT 神经元对视觉而非听觉刺激反应（颞上回神经元相反）；随后在清醒行为猴记录（Gross, Bender & Gerstein, 1979）；再与 Rocha-Miranda、Bender 在笑气麻醉、眼肌固定的动物上做三年系统记录。参与面孔细胞定量研究的关键工作由 Desimone 等完成，Bruce 等则在上颞沟背岸的多感觉区做记录。

刺激与分析要点：先以常规光刺激（光点、弥漫光）筛查，再用包括纸剪影在内的复杂图形测试"触发特征"，并按反应强度对整个刺激集排序、寻找与排序相关的物理维度；面孔细胞的研究则系统变化面孔视角（正脸/侧脸/全视角）与面部完整性（改变部分特征）来刻画选择性。感受野分析关注视网膜拓扑组织、感受野大小与是否越过中线。文中未详述具体的统计分析方法。

主要结果

1. IT 神经元的基本感受野性质与传统视皮层区截然不同：感受野不按视网膜拓扑组织，全部包含中央凹（注视中心）；从 V1 到 V2、V4、再到直接或经 TEO 区进入 IT，视网膜拓扑组织系统性减弱直至消失。感受野很大，中位约 25 度见方，有的几乎覆盖整个视野；约 40% 的感受野是双侧的，伸入同侧视野，且这种双侧性依赖胼胝体与前连合——用作者的话说，"空间的两个半边第一次在 IT 皮层统一"。

2. IT 神经元对刺激的反应依赖形状或颜色，少数对两者都依赖；很少对弥漫光甚至光点反应，多数偏好复杂刺激。IT细胞的形状反应通常在刺激大小、对比度及感受野内位置改变时保持相对不变。（形状恒常性，shape constancy；Desimone et al., 1984; Schwartz et al., 1983），这是物体识别的关键要素。此外初步实验提示 IT 反应可被注意和既往经验（记忆）调制。

3. "手"细胞先于"面孔"细胞被发现（1969 年首次报告）：对一个用任何光刺激都驱不动的单元，向刺激屏幕挥手引出了剧烈反应；随后他们花了 12 个小时测试各种纸剪影寻找触发特征，最终发现当把全部刺激按反应强度排序时，找不到任何与之相关的简单物理维度，但排序确实与"（对他们而言）与猴子手影的相似性"相关。

4. 面孔选择性神经元在 1972、1980 年简报，1981 年详述（Bruce, Desimone & Gross）：具体而言，Bruce等人1981年研究中的面孔选择性细胞位于上颞沟背岸的STP，而非IT皮层本体；1984年Desimone等人才给出较定量的IT面孔细胞描述；STP 细胞除视觉外部分对听觉或躯体感觉也有反应，且存在对生物运动敏感的细胞。第一个较定量的 IT 面孔细胞刻画发表于 1984 年（Desimone et al.）：有的细胞只对或最强于侧脸，有的偏好正脸，有的对全视角反应；有的在面孔部分特征被改变后仍（较弱地）反应，有的则只对完整面孔反应。

5. 这些发现最初影响很小；作者称约12年间没有出现重复、扩展、否定或评论这些结果的研究。，之后才迎来爆发：Richmond 与 Wurtz（1982）证实了 IT 基本感受野性质，Rolls（1981）及 Perrett 等（1982）证实了面孔细胞。随后的重要进展包括：上颞沟两岸的面孔细胞浓度更高（约 20%；Baylis, Rolls & Leonard, 1987）；对注视方向和情绪表情选择性的细胞更多见于上颞沟两岸，而对面孔身份敏感的细胞倾向位于外侧表面（Hasselmo, Rolls & Baylis, 1989; Perrett et al., 1985）；IT 细胞活动中存在短时与长时记忆的关联（Fuster & Jervey, 1981; Miller, Li & Desimone, 1991; Miyashita, 1988）。

6. 研究向人类扩展并最终汇聚：先是 PET 证明面孔激活人类腹侧颞叶皮层（Haxby et al., 1991; Sergent & Signoret, 1992），继而是人腹侧颞叶的单细胞与电生理记录（Ojemann et al., 1992; Puce et al., 1995），随后 fMRI 发现高度定位的面孔加工模块——梭状回面孔区（Kanwisher, McDermott & Chun, 1997; McCarthy et al., 1997），之后又报告了加工场所或视觉环境的模块。和加工身体部位的模块（Downing, Liu & Kanwisher, 2001）。猴的 fMRI 研究（Logothetis et al., 1999; Tsao et al., 2003; Pinsk et al., 2005）与早期单细胞结果在两点上惊人一致：最大激活出现在上颞沟（STS），身体部位也激活特定区域。

讨论

作者的解释重心放在"智识环境"上：他列出四个让他们"预先准备好"注意到手细胞与面孔细胞的因素——波兰神经科学家 Konorski 早已提出"认知神经元"（gnostic neurons）假说并预言面孔、表情、身体部分等选择性细胞会出现在 IT 皮层（Gross 恰好刚写过该书的长篇书评）；在 MIT 的系主任 Teuber 不断讲颞叶损伤后面孔失认的故事；隔壁 Lettvin 正在做蛙的"虫检测器"（bug detectors）并发明了"祖母细胞"（grandmother cell）一词；河对岸的 Hubel 和 Wiesel 刚发表猫 V2 超复杂细胞的工作并预言 V2 之外会有更复杂性质的细胞。Gross 自嘲道："难怪我们会在这个环境里发现手细胞和面孔细胞！"（"No wonder we found face and hand cells in this environment!"）

文章同时坦承两点：其一，这些发现在约 12 年里几乎没有引起任何反响——虽发表在 Science 和 Journal of Neurophysiology 这样的高知名度期刊上，却无人重复、扩展、否认甚至评论；其二，作为颁奖演讲，篇幅只允许对 IT 研究近十年的诸多方向做简要列举，包括面孔与形状反应的细化、以 IT 性质为基础的物体识别模型、颜色知觉、柱状组织（Fujita, 2002; Tanaka, 1996）、注意调制、视觉记忆、功能亚区划分与分子生物学手段等。文章结尾把争论留给读者：面孔加工是像 FFA 这样的定位模块，还是广泛分布于 IT 皮层（Haxby et al., 2001 vs. Spiridon & Kanwisher, 2002）；"面孔模块"究竟对面孔专一还是对"专长"（expertise）专一（Gauthier et al., 2000）——这两场争论在 2005 年都尚未解决。

一句话总结

一篇由发现者亲笔写下的"面孔细胞"发现史：从误打误撞的颞叶切除，到被冷落十二年的手细胞与面孔细胞，再到人类 FFA——它提醒我们，重大发现既依赖智识环境的"预适应"，也常常要熬过共同体长时间的沉默；哪些早期线索会被重新捡起，是读科学史最耐人寻味的部分（这是我的理解，非原文论断）。