Từ những con chim đến trí tuệ nhân tạo: Hành trình tìm kiếm vùng não nhận diện khuôn mặt

Từ những con chim đến trí tuệ nhân tạo: Hành trình tìm kiếm vùng não nhận diện khuôn mặt

Câu chuyện của tôi không phải là một trong những câu chuyện truyền cảm hứng kiểu mẫu về việc vươn lên từ khó khăn để đến với khoa học. Tôi lớn lên ở Woods Hole, Massachusetts, nơi khoa học được đặt ngay trên bàn ăn, từ Trường Khoa học Trẻ em đến các khóa học mùa hè mà ta có thể bước vào bất cứ lúc nào. Nghiên cứu đầu tiên của tôi về sinh lý học của các loài chim lặn được thực hiện cùng với cha tôi, một nhà sinh vật học thực địa.

Tuy nhiên, hành trình dẫn tôi đến công việc nghiên cứu não bộ hiện nay lại bắt đầu một cách ngẫu nhiên.

Chuyển hướng từ sinh học đến tâm lý học nhận thức

Trong những năm đại học tại MIT, tôi đã gặp khó khăn. Dù tiếp cận khoa học sớm, nhưng tôi chưa thực sự sẵn sàng cho môi trường tại MIT. Tôi làm việc trong một phòng thí nghiệm nghiên cứu sự biệt hóa của các tế bào máu, nhưng tôi không thích việc phải giết một con chuột cho mỗi thí nghiệm. Vì vậy, tôi tìm đến Khoa Tâm lý học (thời đó) của MIT, nơi họ không "giết" đối tượng nghiên cứu của mình.

Dưới sự hướng dẫn của Molly Potter, một trí tuệ vĩ đại của tâm lý học nhận thức, tôi đã học được cách đưa ra các suy luận mạnh mẽ về hoạt động bên trong của tâm trí từ dữ liệu hành vi khiêm tốn. Đó giống như việc cố gắng tìm ra cách hoạt động của một chiếc ô tô chỉ bằng cách lái nó quanh quẩn.

Tuy nhiên, trong khoa học nhận thức cũng như trong cơ khí ô tô, không có gì thay thế được việc nhìn "bên nắp capo". Vào năm đầu tiên học tiến sĩ, nghiên cứu chụp ảnh não bộ xâm lấn đầu tiên ở vỏ não thị giác của con người được đăng tải lên bìa tạp chí Science.

Cuộc đua để tiếp cận công nghệ chụp ảnh não

Tôi đã bị choáng ngợp. Tôi ngay lập tức viết một đề xuất sử dụng thiết bị này để trả lời một loạt câu hỏi về tâm trí và gửi đến tất cả các phòng thí nghiệm chụp ảnh não trên thế giới (lúc đó chỉ có bốn).

Trong nhiều năm, tôi đã thất bại. Các thí nghiệm hành vi của tôi liên tục gặp bế tắc. Tôi đã ba lần bỏ học tiến sĩ để theo đuổi báo chí, thậm chí còn dành một tháng ở Nicaragua trong thời chiến để phỏng vấn các quan chức Sandinista. Molly vẫn kiên nhẫn, khẳng định các ý tưởng thí nghiệm của tôi tốt, chỉ là tôi xui xẻo với dữ liệu mà thôi.

Cuối cùng, vận may cũng mỉm cười. Tôi nhận được một vị trí giảng dạy tại UCLA và ngay trong học kỳ đầu tiên, tôi nhận được cuộc gọi từ John Mazziotta, nhà khoa học đã xuất bản bài báo trên Science mà tôi ngưỡng mộ. Ông ấy điều hành phòng thí nghiệm chụp PET tại UCLA và cần một nhà tâm lý học tư vấn cho một khoản tài trợ. Tôi đã đồng ý và nhắc ông ấy về những thí nghiệm mà tôi đã đề xuất từ lâu vẫn chưa được thực hiện. Đó là cách tôi thực hiện thí nghiệm chụp ảnh não bộ đầu tiên của mình, một thập kỷ sau khi tôi bắt đầu tìm kiếm cơ hội này.

Sự trỗi dậy của fMRI và phát hiện FFA

Khoảng thời gian đó, một phương pháp mới bắt đầu thịnh hành với nhiều lợi ích hơn so với chụp PET: Chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI). Chi phí rẻ hơn, không sử dụng bức xạ ion hóa, nghĩa là bạn có thể quét cùng một đối tượng bao nhiêu lần tùy thích.

Tôi đã từ chối quyền hạn nhiệm chắc chắn tại UCLA để nhận một vị trí không hạn nhiệm tại Harvard nhằm cố gắng tiếp cận thiết bị fMRI. Thậm chí, người yêu lúc bấy giờ đã ra tối hậu thư: "Hoặc là anh, hoặc là cái máy quét". Và tôi đã chọn cái máy quét. May mắn là anh ấy đã nhượng bộ.

Cùng với các sinh viên và cộng sự, chúng tôi bắt đầu chạy các thí nghiệm vào sáng thứ Bảy từ 6 đến 9 giờ sáng. Chúng tôi hoàn toàn không biết mình đang làm gì, nhưng dần dần đã tìm ra cách.

Chúng tôi cần một kết quả, và nhanh chóng, nếu không sẽ mất quyền truy cập vào máy quét. Nếu có một phản ứng chức năng gần như chắc chắn phải có trong não bộ nhưng chưa được mô tả rõ ràng bằng hình ảnh não bộ, đó là mạch điện chuyên biệt cho nhận diện khuôn mặt.

Chúng tôi quét não người khi họ nhìn vào khuôn mặt và các vật thể khác. Hầu hết mọi đối tượng đều cho thấy một vùng hoạt động mạnh hơn khi nhìn khuôn mặt so với vật thể. Đó là cách chúng tôi phát hiện ra Vùng Khuất Cầu Nhận Diện Khuôn Mặt (Fusiform Face Area - FFA).

"Chúng tôi dán tranh của mô hình hoạt động của mỗi người lên một bức tường dài và dành nhiều ngày đi lại để nhìn chăm chú vào các mô hình, để hệ thống thị giác của chính chúng tôi trích xuất những điểm chung giữa các đối tượng."

Mạng nơ-ron nhân tạo và tương lai

Trong vài năm tiếp theo, chúng tôi sử dụng phương pháp fROI để chạy hàng chục thí nghiệm đối chứng, thiết lập rằng FFA thực sự phản ứng có chọn lọc rất cao với khuôn mặt. Nhưng điều thú vị hơn cả là khi công nghệ và trí tuệ nhân tạo (AI) phát triển.

Gần đây, chúng tôi và những người khác đã chỉ ra rằng các mạng nơ-ron nhân tạo đang mang lại những thông tin đáng ngạc nhiên. Ratan Murty và tôi đã chỉ ra rằng chúng có thể dự đoán chính xác phản ứng của FFA đối với các kích thích mới, và Katharina Dobs đã chỉ ra rằng các vùng chọn lọc khuôn mặt xuất hiện tự phát trong các mạng được huấn luyện trên cả khuôn mặt và vật thể. Điều này cung cấp manh mối mạnh mẽ về lý do tại sao não bộ con người lại có vùng FFA.

Đối với tôi, khía cạnh thú vị nhất của công việc này là nó tiết lộ kiến trúc cơ bản của tâm trí con người. Sự phát hiện ra FFA không chỉ là một bước tiến trong sinh học thần kinh, mà còn là một chiếc cầu nối quan trọng giữa não bộ con người và trí tuệ nhân tạo. Việc hiểu được cách não bộ xử lý thông tin phức tạp như khuôn mặt đang giúp chúng tôi thiết kế các hệ thống AI thông minh hơn trong tương lai.