面孔认知过程中左右脑的动态交互作用

Our conscious visual experience is normally unitary despite that response functions to stimuli such as words and faces are well-known to be different in the two cerebral hemispheres. This phenomenon and previous research on split-brain patients suggest that the interhemispheric coordination of information processing plays a vital role for normal unified conscious experience. Although the hemispheric specialization of human brain functions has been demonstrated for centuries, there remain poorly understood mechanisms underlying how the two hemispheres dynamically interact to coordinate cognitive processes that are functionally-lateralized. By combining multivariate pattern analysis of functional magnetic resonance imaging (fMRI) and a recently developed time-resolved psychophysical approach, the proposed project aims to reveal these mechanisms through investigations focusing on how the left and right hemispheres dynamically coordinate to process faces. How activity in the two cerebral hemispheres can be synthesized for unified conscious experience and coherent cognitive mental functions has puzzled researchers and philosophers since René Descartes. Moreover, abnormal lateralization of brain functions is often found to be associated with neuropsychiatric conditions and developmental disorders. Normal face perception is also critical for normal human social interactions. Therefore, research outcomes of the proposed project will be aimed to be published in interdisciplinary high-profile journals, which may not only be of great interests to psychologists and neuroscientists but also be of benefits to broader research communities that relate to philosophy, mental health, and advanced technologies such as AI.

尽管左右脑对刺激（如单词和面孔）的反应常常不同，我们的视觉意识通常是整合统一的。这一现象以及以往对割裂脑病人的研究表明大脑协调左右半球信息加工的整合在统一意识经验中非常重要。虽然针对左右脑功能侧异性的研究已经存在了几个世纪，但是左右脑如何动态交互作用以协调侧异性认知功能的机制仍然很不清楚。本项目拟通过结合功能脑成像多变量模式分析技术及最新的时间分辨心理物理实验方法，研究左右脑如何动态协调加工面孔来揭示这一机制。自从笛卡尔以来，研究人员和哲学家们都困惑于左右脑的活动是如何协调以获得整体的意识和认知功能。此外，非正常的大脑功能侧异性经常被发现与神经精神疾病和发育障碍有关。正常的面孔认知也对人们正常社会交往至关重要。因此，本项目的研究成果拟争取发表在跨学科高影响力的期刊上，预期不仅会引起心理学家和神经学家的关注，也会引起对哲学、心理健康和未来技术(如人工智能)感兴趣的跨学科研究人员的关注。

左脑和右脑的功能关系是大脑如何组织的基础，半个多世纪以来，对胼胝体切除的病人的研究表明，左、右脑半球功能偏侧化及其分工协作对于许多日常行为和认知功能都是必要的。但是，以往大量研究通常仅仅关注了大脑功能的分工及偏侧化，而因此我们对左、右脑如何共同协调完成认知任务仍然知之甚少。本项目结合功能磁共振成像（fMRI），心理物理学和计算模型三种技术手段，完成了一系列创新性较高的实验研究：通过心理物理实验评价以模糊视觉或错觉刺激作为输入、被试反应作为输出的实证关系；用功能磁共振成像（fMRI）测量大脑特定区域和分布式网络的神经反应功能，并以单变量和多变量效应作为特征；基于和输入与输出的心理物理关系相对应的神经反应函数，建立了图形动态计算模型来评估大脑两个半球之间的交互作用。四年来，本项目按计划顺利执行，已根据实验部分研究结果公开发表SCI权威期刊学术论文6篇，计算建模结果也已完成撰稿，准备投稿接受同行评议。项目执行期间，培养出站博士后3名，博士毕业1名，硕士研究生毕业10名。鉴于我们的意识经验通常是单一的，自从笛卡尔(Rene Descartes)以来，研究人员和哲学家们都困惑于左脑和右脑的活动是如何统一的。此外，在研究中经常发现大脑异常单侧化与神经精神疾病和发育障碍有关。本项目阐明左右脑在面孔认知过程中的动态交互作用。由于面孔认知是一个对人类社会交往至关重要的领域，本项目完成所获得的研究成果，可能不仅会引起心理学家和神经科学家的关注，而且也会引起对哲学、心理健康和未来技术(如人工智能)等感兴趣的研究学者的广泛关注。受本项目研究启发，我们与合作者通过使用深度卷积神经网络（dCNN），首次发现只有经过面孔身份识别学习的人工神经网络才能自涌现出具有与人类相似表情知觉的表情选择性神经元的机制，结果发表于跨领域高影响期刊Science Advances。期望本项目成果将来进一步启发缓解与面孔加工失常有关的认知障碍、开发人工智能面孔识别算法等应用研究。