面部表情藏神經(jīng)密碼！Science：大腦用“動(dòng)態(tài)+穩(wěn)定”雙模式編碼微笑與威脅，顛覆百年認(rèn)知

當(dāng)一個(gè)嬰兒對你微笑時(shí)，你幾乎不可能不回以微笑。這種對面部表情的自發(fā)反應(yīng)，是我們理解彼此情緒和心理狀態(tài)的核心社交互動(dòng)過程。

面部對于社交溝通的重要性不言而喻——洛克菲勒大學(xué)的Winrich Freiwald早已發(fā)現(xiàn)，人類進(jìn)化出了專門識別面部的腦細(xì)胞。

過去十年，他的團(tuán)隊(duì)在面部感知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)耀@突破，而現(xiàn)在，他們將目光轉(zhuǎn)向了其對應(yīng)面：面部表情的產(chǎn)生機(jī)制。

正如發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的研究所示，Freiwald團(tuán)隊(duì)首次揭示了面部運(yùn)動(dòng)的皮層網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)編碼規(guī)則，推翻了流傳百年的“情感與隨意運(yùn)動(dòng)分離編碼”假說，為社交溝通神經(jīng)機(jī)制及腦機(jī)接口研發(fā)提供了全新視角。

“我們對面部表情如何被接收已有深入理解，但現(xiàn)在終于摸清了它如何產(chǎn)生，”Freiwald表示，其研究得到洛克菲勒大學(xué)社會腦普萊斯家庭中心支持。共同第一作者、賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科住院醫(yī)師Geena Ianni補(bǔ)充道：“所有皮層區(qū)域都會參與所有類型的面部動(dòng)作，但各有獨(dú)特的時(shí)間運(yùn)作尺度，這讓每個(gè)區(qū)域都能精準(zhǔn)適配自身的功能角色。”

面部表情的神經(jīng)起源深深扎根于大腦深處。腦干中的面神經(jīng)核包含控制面部肌肉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，它們直接投射到多個(gè)皮層區(qū)域，包括參與運(yùn)動(dòng)控制和復(fù)雜思維的額葉皮層。

神經(jīng)解剖學(xué)早已證實(shí)，靈長類動(dòng)物的皮層存在多個(gè)可直接支配面部肌肉的區(qū)域，這是其獨(dú)特特征，但每個(gè)區(qū)域的具體作用長期不明。對腦損傷患者的研究曾暗示分離編碼：外側(cè)額葉皮層受損會導(dǎo)致說話、進(jìn)食等隨意運(yùn)動(dòng)能力喪失，內(nèi)側(cè)額葉皮層受損則無法自發(fā)表達(dá)微笑等情感，但這一假說從未被直接驗(yàn)證。

為破解謎題，研究團(tuán)隊(duì)采用創(chuàng)新方法：先通過功能磁共振成像（fMRI）定位獼猴產(chǎn)生面部表情時(shí)的激活皮層區(qū)域，精準(zhǔn)鎖定四個(gè)核心區(qū)域——外側(cè)的初級運(yùn)動(dòng)皮層（M1）、腹側(cè)運(yùn)動(dòng)前皮層（PMv）、內(nèi)側(cè)的扣帶運(yùn)動(dòng)皮層（M3），以及頂葉的初級體感皮層（S1）。

隨后，他們通過植入微電極陣列，在獼猴產(chǎn)生三種典型面部動(dòng)作時(shí)記錄神經(jīng)活動(dòng)：具有社交意義的威脅表情（直視、張嘴露齒）、咂嘴（噘嘴+貼耳，傳遞順從或合作意愿），以及非社交性的隨意運(yùn)動(dòng)——咀嚼。

為模擬自然社交場景，研究團(tuán)隊(duì)用動(dòng)態(tài)刺激引發(fā)這些表情，包括獼猴互動(dòng)、同類視頻、人工虛擬形象等，同時(shí)通過無標(biāo)記追蹤技術(shù)捕捉面部關(guān)鍵點(diǎn)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

核心發(fā)現(xiàn)徹底顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知：所有皮層區(qū)域都會參與情感性和隨意性面部動(dòng)作的編碼，不存在嚴(yán)格的功能分離。

但更關(guān)鍵的是，每個(gè)區(qū)域都有獨(dú)特的編碼策略，形成 “動(dòng)態(tài)-穩(wěn)定” 的層級結(jié)構(gòu)：外側(cè)的M1和S1采用快速動(dòng)態(tài)編碼，神經(jīng)活動(dòng)毫秒級變化，實(shí)時(shí)調(diào)控面部運(yùn)動(dòng)學(xué)細(xì)節(jié)（如嘴唇開合幅度、耳朵位置），通過偏好性子空間識別（PSID）分析證實(shí)，這兩個(gè)區(qū)域?qū)\(yùn)動(dòng)學(xué)特征的解碼準(zhǔn)確率最高；內(nèi)側(cè)的M3則是穩(wěn)定編碼，神經(jīng)狀態(tài)在運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)中保持一致，持續(xù)傳遞社交情境等抽象信息；PMv 處于中間狀態(tài)，編碼穩(wěn)定性介于兩者之間。

更令人意外的是，面部動(dòng)作的神經(jīng)編碼在運(yùn)動(dòng)發(fā)生前1秒就已啟動(dòng)。通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，不同手勢的神經(jīng)軌跡從共同基線出發(fā)，提前1秒便開始分離，且全程不重疊——威脅表情和咀嚼的軌跡呈線性，咂嘴則呈旋轉(zhuǎn)式，這表明大腦在動(dòng)作執(zhí)行前就已完成 “手勢規(guī)劃”。

此外，神經(jīng)元之間的相關(guān)性是手勢特異性的：同一對神經(jīng)元在咂嘴時(shí)高度相關(guān)，在威脅表情中可能完全無關(guān)甚至反向關(guān)聯(lián)，而非保守不變，這意味著大腦為不同面部動(dòng)作調(diào)配了專屬的神經(jīng)協(xié)同模式。

這些發(fā)現(xiàn)不僅刷新了對社交溝通神經(jīng)機(jī)制的理解，更具有重要的臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值。對于腦機(jī)接口研發(fā)，目前解碼肢體運(yùn)動(dòng)已取得進(jìn)展，但社交溝通相關(guān)的面部表情解碼仍是難題。

該研究揭示的神經(jīng)編碼規(guī)則，可為植入式電極提供精準(zhǔn)靶點(diǎn)，比如通過M1/S1的動(dòng)態(tài)信號解碼實(shí)時(shí)面部運(yùn)動(dòng)，通過M3的穩(wěn)定信號捕捉社交意圖，從而開發(fā)出能還原自然表情的溝通輔助設(shè)備。

“腦損傷患者不僅需要恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力，更需要重建社交溝通，”Ianni表示，“我們的研究為設(shè)計(jì)更豐富、更自然的人工溝通系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。”

未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步探索面部感知與表情產(chǎn)生的協(xié)同機(jī)制，破解情緒在 “接收-反應(yīng)” 回路中的編碼邏輯。同時(shí)，他們還將關(guān)注動(dòng)態(tài)社交線索（如眼神方向）、內(nèi)部狀態(tài)對該網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控，為理解情緒決策提供新視角。

從微笑、威脅到日常咀嚼，這些看似本能的面部動(dòng)作，實(shí)則是大腦通過精密神經(jīng)編碼完成的社交“語言”，而這一語言的破解，正讓我們離理解人類社交本質(zhì)、幫助溝通障礙者重獲表達(dá)能力更近一步。

參考資料：

[1]Geena R. Ianni et al, Facial gestures are enacted through a cortical hierarchy of dynamic and stable codes, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aea0890.

來源 | 生物谷

撰文 | 生物谷

編輯 | 木白

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