2 курс / Нормальная физиология / Вопросы сенсорного восприятия 1
.pdfМВ и ССО РСФСР УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А. М. ГОРЬКОГО
ВОПРОСЫ
СЕНСОРНОГО
ВОСПРИЯТИЯ
Межвузовский сборник научных трудов
СВЕРДЛОВСК 1982
612.821.8 В 748
Печатается по постановлению редакционно-издательского со вета Уральского ордена Трудового Красного Знамени государ ственного университета им. А. М. Горького
В межвузовском сборнике представлены теоретические и экспериментальные исследования сенсорного восприятия и рецепции. Анализируются информационны^ аспекты проявле ния психофизических зависимостей. Обсуждаются границы применимости законов Вебера — Фехнера и Стивенса. Приво дятся экспериментальные данные о влиянии различных факто ров на психофизические зависимости, об особенностях субъек тивного шкалирования, обусловленных модальностью стиму лов, порядком их предъявления. В сборник вошли также мате риалы прикладного характера: исследования кожной и мышеч ной чувствительности к действию сапропеля.
Редакционная коллегия:
доценты Уральского государствен ного университета И. А. Рыбин (отв., редактор) и А. Н. Сергеева; доктор мед. наук С. И. Серов (Институт ку рортологии и физиотерапии).
(6) Уральский государственный университет, 1982
УДК 612.821
И. А. РЫБИН
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ СЕНСОРНОГО ВОСПРИЯТИЯ
Проблема связи между внешним физическим миром и возни
кающим при его воздействии сенсорным ответом, то есть между объективным и субъективным, давно привлекает пристальное внимание исследователей. Первоначально она была сформулиро вана как отношение между физическим и психическим. Основа телем классической психофизики был Фехнер, который предло жил первое уравнение, получившее название основного психофи зического закона Вебера — Фехнера:
<p=klogl, |
(1) |
где I = i/i0 — сила раздражения в относительных единицах абсолютного порога восприятия, ср — величина ощущения, к — кон станта, зависящая от выбора основания логарифма. Фехнер опи рался на данные Вебера о постоянстве отношения при возник новении порогового ощущения Д1/1. Полагая, что А<р при этом также постоянно во всей области раздражений, и заменяя ко нечные приращения дифференциалами, он получил уравнение:
у-=Ы<р, |
(1А) |
интегрирование которого и дало логарифмическую зависи мость (1). Уравнение (1А) многократно подвергалось критиче скому анализу |[1]. В последние десятилетия это связано с ра ботами Стивенса [2—10]. В статье, полемически озаглавленной «Воздадим должное Фехнеру, но пересмотрим его закон» [6],
Стивенс прямо объявляет этот закон укоренившимся недоразу мением и указывает, что между объективной и субъективной шкалами существует не логарифмическая, а степенная зависи мость:
ф = k'In, |
(2) |
где I = i/io — величина раздражения |
в относительных единицах |
абсолютного порога, ф — интенсивность ощущения, п — констан та, определяемая экспериментально для разных модальностей, к' — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора масштаба шкалы ощущений.
Преимущество степенной зависимости в описании психофи зической функции заключается в том, что она охватывает прак
тически весь диапазон воспринимаемых раздражений, тогда как
3
логарифмическая зависимость реализуется лишь в ограничен ном интервале раздражений. В отсутствие теоретического пути решения вопроса о том, какой из форм связи следует отдать предпочтение, специалисты-психофизики склоняются к степенной зависимости как более пригодной для практического использо вания. Однако прагматический подход к проблеме оставляет в стороне, но не снимает необходимости объяснения, почему та или иная форма зависимости имеет место. Это становится еще более очевидным, если учесть, что современные исследования соотношения стимул — сенсорный ответ не исчерпываются психо физикой. К настоящему времени существует большое число ра бот, в которых репрезентативность уравнений (1) и (2) прове ряется в электрофизиологическом плане и на разных уровнях организации сенсорных систем. Как показывает обзор подобной
литературы, почти все исследователи сходятся во мнении, что связь между величинами раздражения и величиной первичных рецепторных (генераторных) потенциалов описывается логариф
мической функцией [11—20]. Такая же зависимость имеет место и для частоты импульсации в волокнах первого сенсорного ней рона [21—23]. Более противоречивы наблюдения на других уровнях сенсорных систем. Здесь одними авторами отмечается
логарифмическая зависимость [24, 25], другими — степенная
[26—28]. Хотя между электрофизиологическими и психофизиче
скими показателями нельзя ставить знак тождества, существо вание логарифмической зависимости, по крайней мере в отдель ных звеньях сенсорных систем, можно считать доказанным.
В свете сказанного заслуживает внимания обсуждение во проса о сосуществовании двух типов зависимости и выяснение причин подобного дуализма. Особенно важно, как нам кажется, провести сравнительный анализ посылок, приводящих к лога рифмической и степенной зависимости. Это, возможно, облегчи ло бы поиски ответа на основной вопрос проблемы: почему та или иная форма зависимости имеет место.
Обратимся вначале к закону Вебера — Фехнера. Современные
исследования показывают, что способность к различению двух близких стимулов не остается постоянной во всем диапазоне
раздражений. В средней части этого диапазона она достигает наибольшей величины и в некоторой области стимулов остается примерно на этом уровне, а при приближении к нижней и верх ней границам монотонно снижается [29]. Экспериментально уста новлено, что только в области наибольших и постоянных значе
ний чувствительности достаточно строго соблюдается логариф мическая зависимость. Одновершинная форма кривых чувстви тельности (характеризуемая величиной, обратной дифференци альному порогу различения) предопределяет совпадение области
константности дифференциального порога с областью наивысшей остроты различения в шкале стимулов [30, 31]. Нетрудно ви деть, что совместное выполнение логарифмической зависимо
4
сти (1) и постоянства дифференциального порога различения
водной и той же области раздражений является необходимым
идостаточным условием для реализации основного допущения
Фехнера — постоянства минимального |
прироста ощущения d<p. |
В Свою очередь, допущение Фехнера |
в свете сказанного — это |
не просто |
произвольный математический прием, а условие, отоб |
||
ражающее |
нахождение сенсорной |
системы |
в наиболее благо |
приятном |
для различения стимулов |
режиме. |
Заслуга Фехнера |
заключается в том, что он предугадал это условие, а ошибка —
вэкстраполяции этого условия на весь диапазон раздражений.
Вработах Стивенса и его последователей убедительно по
казано, что степенная зависимость лучше описывает психофизи ческие кривые в широком диапазоне силы раздражения. Урав нение (2)—эмпирическое, введенное без каких-либо теоретиче
ских допущений. Эффективные и разнообразные методы тести
рования ощущения позволили Стивенсу доказать объективный характер этих кривых. Аппроксимация этих кривых привлекает простотой аналитического выражения.
Преимущество степенной зависимости, как уже говорилось,
состоит в ее большей универсальности. Однако параллельная реализация степенной и логарифмической зависимости в обла сти раздражений, где последняя имеет место, не означает их
слияния. Согласование уравнений (1) и (2) в этой области
в принципе невозможно. Действительно, условие dl/l = const для степенной и логарифмической зависимости означает, что
—= const
Ф
d(p=const t
соответственно. Условия постоянства относительного и абсолют ного прироста ощущения совместимы лишь в тривиальном слу
чае |
ф = const, если, разумеется, величины <р и ф в уравнениях |
(1) |
и (2) имеют один и тот же смысл, что, как мы увидим ниже, |
не очевидно.
Итак, логарифмическая и степенная функции имеют различ ную степень приложимости к описанию психофизической зависи мости. Некоторые авторы, отмечая сходство в определенных пре делах логарифмической и степенной функции, считают, что это позволяет в ряде случаев описывать один и тот же набор дан ных как той, так и другой зависимостью [32]. Из принципиаль ной несовместимости уравнений (1) и (2) следует, что это до
пустимо лишь с формальной точки зрения.
Измеряемой величиной в исходном уравнении Фехнера (1) была едва различимая разница между стимулами, которая рас сматривалась как мера возникающего при этом прироста ощу щения dtp. В опытах Стивенса определение ф основывалось на оценке субъектом сравнительной интенсивности двух и более дистантных стимулов, то есть отстоящих по интенсивности на
5
расстояния, значительно превосходящие пороги различения. Например, один из подобных способов оценки в работах Стивен са состоял в подборе испытуемым стимула удвоенной или поло винной интенсивности по отношению к заданному [33]. Являет ся ли различный методический подход к оценке ощущения еще одним фактором, приводящим к разного вида уравнениям (1) и (2)? Вопрос можно поставить по-другому: насколько существен но зависит восприятие двух стимулов от дистанции между ними в шкале раздражений? При нахождении едва различимых раз ностей определяющую роль играет разрешающая способность
сенсорной системы. При нахождении степенной зависимости ре шающим фактором является способность к количественному сравнению дистантных стимулов. Для построения шкалы субъ
ективных ощущений в последнем случае испытуемый должен произвести операцию сравнения стимулов и, следовательно, иметь некоторую меру величины ощущения. Эта мера должна зависеть от предшествующего опыта субъекта и от памяти сен сорных систем.
Таким образом, в случае логарифмической зависимости опре деляющей является способность органов чувств к дифференци рованию стимулов, при нахождении степенной функции — способ ность к их интегративному восприятию. В основу определения психофизической связи, как видим, в том и другом случае по ложены различные операции анализаторных систем. Дифферен цирование может осуществляться уже на входе, и это подтверж дают электрофизиологические данные, упомянутые выше. Инте гративная оценка ощущений, по-видимому, реализуется в корко вых отделах мозга.
Мы обсудили некоторые стороны психофизических уравнений по Фехнеру и по Стивенсу. При этом отмечались: 1) реальность обеих зависимостей; 2) несводимость их друг к другу; 3) раз личная степень их представительства в тех или иных проявле ниях связи «стимул — ощущение». Все это привело нас к пред положению, что логарифмическая и степенная функции являются
равноправными закономерностями деятельности органов чувств, хотя сферы их проявления различны. Поэтому вопрос о функ циональной связи сенсорных ответов с величиной раздражения следует ставить не альтернативно, а в плане отыскания более
общей закономерности, включающей уравнения (1) и (2) как частные случаи, имеющие место при определенных условиях.
Каким требованиям должна удовлетворять подобная зависи мость? Во-первых, уравнения (1) и (2) эмпирические, выведен
ные на основе экспериментальных данных и предназначенные для удовлетворительного их описания. Отсутствие теоретической базы — самый существенный, на наш взгляд, недостаток этих уравнений. Поэтому основой для нахождения новой функции должны быть некоторые теоретические соображения, вытекаю щие из принципов функциональной организации сенсорных сис
6
тем. Во-вторых, из независимости показателей ф и ф следует, что новая функция должна содержать, по крайней мере, два неза висимых параметра ощущения, соответствующие ф и ф. Один из них должен быть ответствен за разрешающую способность восприятия, другой — за шкалирование значительно различаю щихся воздействий.
Ниже обсуждается один из возможных путей удовлетворе ния этих требований.
Благодаря сенсорным системам организм получает инфор
мацию о внешней среде. Этот информационный процесс начина ется с преобразования рецепторами внешнего физического воз действия в поток импульсации. Этот поток вызывает сложные
нервные процессы, о механизме которых мы знаем еще далеко не достаточно, но в результате которых, несомненно, происхо дит извлечение информации о внешней среде и ее анализ. Ины ми словами, сенсорные системы по роду своей деятельности яв ляются системами информационными. В этом отношении психи ческие и электрофизиологические связи представляют собой внешние, феноменологические проявления информационной сущ ности процессов, протекающих между входом и выходом орга
нов чувств. Информационные процессы должны осуществлять ся в соответствии с законами, управляющими «информодинамикой». Допустимо и обратное: как бы ни была сложна дея тельность сенсорных систем, существуют соотношения теории информации, хотя бы в самом грубом приближении отображаю щие организацию сенсорной деятельности. Заметим, что мысль
о причастности к обсуждаемым зависимостям информативной
деятельности сенсорных систем уже высказывалась в литерату
ре. Так, Раштон [34] предположил, что логарифмический вид зависимости «стимул — ответ» на входе органов чувств (рецеп торный аппарат) используется сенсорными системами ввиду его особых преимуществ. При помощи этого кода любая сенсор ная система обеспечивает максимальную величину информации при любом уровне интенсивности стимула и оптимальное соот
ношение «сигнал/шум». Аналогичную мысль высказывает Кейдель [29].
Среди попыток найти общую основу для объединения лога рифмической и степенной зависимостей следует назвать работу Забродина и Лебедева [41]. В ней предлагается ввести некото рый параметр z и записать психофизический закон в общем виде:
dR |
„ dS |
Rz |
S |
где R — величина ощущения, |
S — величина стимула, К — коэф |
фициент пропорциональности. |
При z = 0 это уравнение описы |
вает закон Вебера — Фехнера, |
а при z=l—закон Стивенса. |
Однако, как отмечают сами авторы, это обобщенное уравнение было предложено из формально-математических соображений,
7
и интерпретация параметра z сталкивается с рядом трудностей, связанных с обусловленностью его экспериментальными усло виями получения психофизической зависимости.
За исходный принцип отражения внешнего мира органами чувств следует принять адекватность этого отражения внешне му воздействию. Постулируем, что между некоторым показате лем сенсорной деятельности S и воздействием на вход сенсор ной системы i существует эквивалентное соотношение:
i = i0S,
где io — коэффициент пропорциональности. Или
I = S, |
(4) |
где I = i/io. I — некоторая физическая характеристика, по кото
рой сенсорная система способна различать внешние воздейст вия. Вообще говоря, это может быть любой физический параметр или их комбинация, но для простоты в дальнейшем будем опе рировать понятием количества раздражения. Особо следует ска зать о коэффициенте пропорциональности i0. Он был по анало гии с уравнениями (1) и (2) назван тем же индексом, что и
абсолютный порог ощущения, поскольку он и здесь является мерой величины воспринимаемого раздражения. Однако смысл
этой постоянной иной. Так как в правой части равенства (4) стоит величина, означающая некоторый объем информации, ко эффициент пропорциональности i0 представляет собой информа ционный эквивалент физического воздействия внешней среды на органы чувств. Биологическому смыслу и методам определения абсолютного порога ощущения уделяется большое внимание в психофизике [35]. Может быть, подобный взгляд на величину io позволит по-иному взглянуть на проблему абсолютного по рога?
Эффективная работа рецепторов состоит в полном и точном отображении раздражающего действия в некоторый объем аф ферентных сигналов. Возникающий и затем преобразуемый в со
вокупность нервных сигналов образ внешнего воздействия дол жен быть адекватен этому воздействию, следовательно, содер жать всю возможную информацию о нем в пределах разрешаю щей способности рецепторного аппарата в данных условиях. Объем всей возможной информации о внешнем воздействии I и будет определять величину S. Теория информации показывает, что количество сигналов гл, необходимое для передачи всех воз можных сообщений объемом S, связано с S следующим соотно шением [36] :
S=Am, |
(5) |
где А — число различных сигналов кода, в котором записывает ся информация. Принцип адекватного отражения сенсорными
8