מדעני מכון ויצמן גילו התאמה בין דפוסי קידוד פנים במוח האדם ובמערכות בינה מלאכותית

כאשר אנחנו רואים פנים, תאי עצב ייעודיים בקליפת המוח הראייתית המגיבים לפנים אך לא לאובייקטים אחרים, מופעלים ו"יורים" את אותותיהם. אך כיצד הפעלה של תאי עצב בודדים מיתרגמת בסופו של דבר לכדי זיהוי פנים? פרופ' מלאך ותלמידת המחקר שני גרוסמן הציעו לבחון שאלה זו באמצעות השוואה בין פעילות מוח האדם לבין פעילותן של רשתות עצביות עמוקות

אנחנו רגילים לזהות פנים מבלי להקדיש לכך מחשבה שנייה, אך המנגנון המוחי שמאפשר זאת נותר בגדר תעלומה. במחקר חדש המתפרסם היום בכתב-העת המדעי Nature Communications, שופכים מדעני מכון ויצמן למדע אור חדש על יכולת אנושית זו. החוקרים, ממעבדתו של פרופ' רפי מלאך במחלקה לנוירוביולוגיה, מצאו דמיון מובהק בין הדרך שבה מקודדות פנים במוח האדם לבין האופן שבו הן מקודדות במערכות בינה מלאכותית הקרויות "רשתות עצביות עמוקות" (deep neural networks).

כאשר אנחנו רואים פנים, תאי עצב ייעודיים בקליפת המוח הראייתית המגיבים לפנים אך לא לאובייקטים אחרים, מופעלים ו"יורים" את אותותיהם. אך כיצד הפעלה של תאי עצב בודדים מיתרגמת בסופו של דבר לכדי זיהוי פנים? פרופ' מלאך ותלמידת המחקר שני גרוסמן הציעו לבחון שאלה זו באמצעות השוואה בין פעילות מוח האדם לבין פעילותן של רשתות עצביות עמוקות. מערכות ממוחשבות אלה, שחוללו מהפכה בתחום הבינה המלאכותית, מאומנות לבצע מטלות שונות על סמך מאגרי נתונים גדולים. בשנים האחרונות מערכות אלה השתפרו באופן כה דרמטי עד שהן מסוגלות כיום לבצע מטלות זיהוי במידת הצלחה דומה לבני-אדם ואף טוב מהם, בפרט בזיהוי פנים.

גרוסמן וגיא גזיב, תלמיד מחקר במחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית, ניתחו נתונים שנאספו מקבוצת נבדקים ייחודית המורכבת מחולי אפילפסיה שלמוחם הוחדרו אלקטרודות לצורך אבחון רפואי במעבדתו של ד"ר אשֵש מהטה במכון פיינשטיין למחקר רפואי בניו יורק. בזמן אשפוזם למטרה זו, התנדבו החולים לבצע משימות מחקר שונות. לנבדקים אלה הוצגו פרצופים ממאגרי תמונות שונים, כולל דיוקנאות של ידוענים, ונמדדה הפעילות המוחית שלהם מאזור במוח שאחראי על תפיסה חזותית של פרצופים. המדענים גילו כי כל אחד מהדימויים שהוצגו לנבדקים הוביל לדפוס ייחודי של הפעלת תאי עצב, כלומר הפעלת קבוצות שונות של תאי עצב בעוצמות שונות. המעניין הוא כי היו זוגות פנים שהובילו לדפוסי פעילות מוחית דומים – כלומר, היו להם "חתימות" דומות מבחינת הפעילות המוחית – והיו כאלה שהובילו לדפוסי פעילות שונים מאוד.

 תמונות פנים אשר הובילו לדפוסי פעילות דומים (שמאל) ושונים (ימין) של קבוצות תאי עצב. כל עמודה מציגה את התגובה לפנים שבתמונה כפי שנרשמה באלקטרודה במיקום מסוים בקליפת המוח הראייתית. ככל שהעמודה גבוהה ובהירה יותר, כך התגובה הייתה חזקה יותר

המדענים רצו לדעת אם דפוסי החתימות שגילו משחקים תפקיד חשוב ביכולת שלנו לזהות פנים. לשם כך השוו את האופן שבו בני-אדם מזהים פנים לאופן שבו רשת עצבית עמוקה בעלת יכולת זיהוי דומה לזו של בני-אדם, עושה זאת. רשת זו נוצרה בהשראת מערכת הראייה האנושית, והיא מכילה רכיבים מלאכותיים המקבילים לתאי עצב. על מנת לבצע זיהוי פנים, תאי העצב המלאכותיים המאורגנים באופן היררכי ביותר מ-20 "שכבות", מעבדים מאפייני פנים שונים – מפשוטים ביותר, כגון קווים וצורות בסיסיות, דרך מורכבים יותר כגון חלקי עין או חלקי פנים אחרים, ועד המדויקים ביותר כגון זהותו של אדם מסוים. המדענים שיערו כי במידה שדפוסי הקידוד שמצאו במוח אכן חיוניים ליכולת לזהות פנים, עשויות להימצא "חתימות" דומות גם במערכת המלאכותית. כדי לבחון זאת, הם הציגו למערכת את אותם הדימויים שהראו למתנדבים. לאחר מכן בדקו אם הדימויים הובילו לדפוסי הפעלה ייחודיים בעלי מבנה דומה לאלה שהתגלו במתנדבים.

המדענים גילו שאכן קיים דמיון מובהק בין מערכות הזיהוי של בני-אדם ושל הרשת המלאכותית. הדמיון היה מוגבל רק לשכבות האמצעיות של הרשת – אלה המקודדות את מראה הפנים עצמן ולא את הזהות המופשטת יותר של בעל הפנים. "אפשר ללמוד הרבה מכך ששתי מערכות שונות כל כך – זו הביולוגית וזו המלאכותית – פיתחו מאפיינים דומים", אומר פרופ' מלאך. "הייתי קורא לזה אבולוציה מתכנסת – ממש כשם שכנפיים של מטוסים שהן מעשה ידי אדם דומות לכנפיים של חרקים, ציפורים ואפילו יונקים. התכנסות זו מצביעה על החשיבות של דפוסי קידוד ייחודיים בזיהוי פנים".

"הממצאים שלנו תומכים בתיאוריה על-פיה דפוסי הפעלה ייחודיים של תאי עצב בתגובה לפנים שונות, והיחס בין דפוסים אלה, משחקים תפקיד מפתח בדרך שבה המוח מזהה פנים", אומרת גרוסמן. "ממצאים אלה עשויים, מצד אחד, לקדם את ההבנה כיצד תפיסה של פנים וזיהוים מקודדים במוח האדם, ומצד שני, לעזור לשפר את הביצועים של רשתות מלאכותיות באמצעות התאמתן לדפוסי התגובה של המוח".

במחקר השתתפו גם מיכל הראל מהמחלקה לנוירוביולוגיה, פרופ' מיכל אירני מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית וחברי קבוצתו של ד"ר מהטה במכון פיינשטיין למחקר רפואי בארצות הברית.

צמדים של תמונות פנים הממוקמים בתרשים לפי מידת הדמיון בין התמונות. הציר האנכי מציג נתונים ממחקר בבני-אדם; הציר האופקי – מהרשת העצבית העמוקה. רוב הזוגות מסודרים בקו אלכסוני, עובדה המצביעה על דמיון בין קידוד הפנים במוח וברשת המלאכותית. למשל, וודי אלן ומרילין מונרו מקודדים באופן מאוד שונה זה מזה גם במוח וגם ברשת – ובתרשים הדבר בא לידי ביטוי בכך שהם נמצאים גבוה בשני הצירים