Nature子刊：未經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以進(jìn)行人臉檢測(cè)
最近發(fā)表在《自然 · 通訊》上的一項(xiàng)新研究表明，高級(jí)的視覺(jué)認(rèn)知功能可以在未經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中自發(fā)產(chǎn)生，面部圖像的視覺(jué)選擇性甚至可以在完全未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生。
對(duì)于動(dòng)物的社會(huì)行為（群體中不同成員分工合作，共同維持群體生活的行為）來(lái)說(shuō)，檢測(cè)和識(shí)別面孔的能力至關(guān)重要。這種能力被認(rèn)為起源于單神經(jīng)元或多神經(jīng)元水平的神經(jīng)元調(diào)諧（神經(jīng)元有選擇地表示一種感覺(jué)、協(xié)同、運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知等信息的特性）。
科學(xué)家已經(jīng)在不同物種的幼小動(dòng)物身上觀察到對(duì)面孔有選擇性反應(yīng)的神經(jīng)元，這引起了激烈的爭(zhēng)論：面孔選擇性神經(jīng)元是大腦天生的，還是需要依賴視覺(jué)體驗(yàn)？
近日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）生物腦工程系教授 Se-Bum Paik 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組為這個(gè)問(wèn)題貢獻(xiàn)了一份頗具參考價(jià)值的結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)，即使是完全沒(méi)有經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也可以產(chǎn)生對(duì)面孔圖像的視覺(jué)選擇性。具體來(lái)說(shuō)，在完全沒(méi)有學(xué)習(xí)的情況下，他們?cè)陔S機(jī)初始化的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中觀察到對(duì)面孔圖像有選擇性的神經(jīng)元活動(dòng)，這些活動(dòng)顯示出在生物大腦中觀察到的那些特征。
這項(xiàng)新研究發(fā)表在 12 月份的《自然 · 通訊》雜志上。它為生物和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知功能發(fā)展的潛在機(jī)制提供了具有啟發(fā)性的見(jiàn)解，也對(duì)我們理解早期大腦功能（感官體驗(yàn)之前）的起源產(chǎn)生了重大影響。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27606-9.pdf
利用捕捉視覺(jué)皮層腹側(cè)流（ventral stream）特性的模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——AlexNet45，研究小組發(fā)現(xiàn)，面孔選擇性可以在隨機(jī)初始化的 DNN 的不同條件下穩(wěn)健地出現(xiàn)。而且，它們的面孔選擇性指數(shù)（FSI）與那些在大腦中觀察到的面孔選擇性神經(jīng)元相當(dāng)。
借助反向相關(guān)（RC）方法和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)獲得的優(yōu)選特征圖像（preferred feature image）表明，面孔選擇單元對(duì)類面孔配置是有選擇性的，與沒(méi)有選擇性的單元不同。此外，面孔選擇單元使網(wǎng)絡(luò)能夠執(zhí)行面孔檢測(cè)。
有趣的是，研究者還發(fā)現(xiàn)，在未經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)各種非面孔對(duì)象的單元選擇性也可以天生地產(chǎn)生，這意味著面孔選擇性可能不是一種特殊類型的視覺(jué)調(diào)諧，而對(duì)各種對(duì)象類別的選擇性也可以天生地在未經(jīng)訓(xùn)練的 DNN 中產(chǎn)生，自發(fā)地由隨機(jī)前饋連接產(chǎn)生。
這些結(jié)果暗示了一種可能的情況，即在早期未經(jīng)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展的隨機(jī)前饋連接可能足以初始化原始的視覺(jué)認(rèn)知功能。
Paik 教授說(shuō)：「我們的研究結(jié)果表明，即使在完全沒(méi)有學(xué)習(xí)的情況下，先天認(rèn)知功能也可以自發(fā)地從分層前饋投影電路中嵌入的統(tǒng)計(jì)復(fù)雜性中產(chǎn)生。研究結(jié)果提供了廣泛的概念上的進(jìn)步，以及對(duì)生物和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先天功能發(fā)展背后機(jī)制的深入了解，后者有助于解開(kāi)智能產(chǎn)生和進(jìn)化的謎題。」
