2 курс / Нормальная физиология / Вопросы сенсорного восприятия

ВОПРОСЫ

СЕНСОРНОГО

ВОСПРИЯТИЯ

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ

Выпуск 2

СВЕРДЛОВСК ИЗДАТЕЛЬСТВО УРАЛЬСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

1987

УДК 612.821

РЫБИН И. А.

К ТЕОРИИ СЕНСОРНОГО восприятия

Раздумывая о себе самом, чело­ веческий мозг открыл некоторые по­ разительные факты. Чтобы понять, как он работает, очевидно, нужны новые методики его исследования и новая система понятий.

Ф. КРИК. Мысли о мозге

Одной из проблем современной психофизики является выяс­ нение сущности того, что принято называть основными психофи­ зическими законами. Один из них был введен Г. Фехнером более ста лет назад, другой в середине нашего века был уста­

новлен С. Стивенсом. Первый из них представляет логарифми­ ческую зависимость, второй — степенную. В правую часть этих соотношений входит величина внешнего воздействия на сенсор­ ные системы, обычно измеряемые в физических единицах, в ле­ вую — некоторые показатели субъективной реакции на это воздействие, выражаемые в безразмерных единицах. Смысл

этих показателей, которые для удобства различения мы обозна­ чим F и S, до сих пор неясен. С. Стивенс, призывая: «Отдадим должное Фехнеру, но отменим его закон» [1],— по-видимому, считал, что открыл более общий, более универсальный вид пси­ хофизической связи. Однако закон Фехнера устоял, поддержан­

ный многочисленными экспериментальными данными, в том числе прямыми электрофизиологическими наблюдениями. По­ этому методологически более правильным представляется рас­ смотрение F и S в плане их сосуществования. С такой точки зрения мы и попытаемся проанализировать соотношение этих переменных далее.

Являются ли психофизические законы психофизическими?

Многим современным исследователям название «психофизи­ ка», введенное Г. Фехнером, представляется неадекватным тому

з

содержанию, которое приобрела к настоящему времени эта наука. Все чаще употребляют выражение «психофизиология».

Такая тенденция обусловлена двумя причинами.

Во-первых, становится все более очевидной внутренняя на­ правленность информации, получаемой в психофизических опы­ тах. Изучение соотношений между стимулом и сенсорным отве­ том рассматривается как метод, позволяющий обнаружить зако­ номерности того, что мы в дальнейшем будем называть функцио­ нальной организацией сенсорного пространства или континуума.

В этом смысле в психофизических исследованиях «физическое» выступает как способ тестирования черного ящика — мозга путем воздействия на его вход — рецепторные органы, а «психи­ ческое», сенсорный ответ, представляет собой некоторую функ­ цию на выходе. Сопоставляя параметры физического воздей­ ствия на вход и соответствующие характеристики ответа на

выходе, можно судить о структуре сенсорного пространства или, по крайней мере, высказывать предположения о его свойствах

с тем, чтобы найти подходящие экспериментальные решения для их проверки. Другими словами, в психофизике происходит сме­ щение акцента от поисков ответа на вопрос, как воспринимается данный стимул, данная модальность, к поискам того общего, что обнаруживается при восприятии различных стимулов и мо­ дальностей, т. е. к поискам некоторых инвариантов, присущих самой сенсорной деятельности.

Во-вторых, за последние десятилетия возросло число работ, посвященных электрофизиологическим исследованиям процес­ сов, протекающих на разных уровнях организации сенсорных

систем при том или ином воздействии на их рецепторные окон­ чания. Такие опыты преследуют цель объективного анализа

передачи и обработки афферентной информации, в частности,

выяснения того, как проявляются законы Фехнера и Стивенса на различных участках сенсорных путей. Начало подобным ис­ следованиям было положено работами, показавшими логариф­ мическую связь между интенсивностью стимула и возбуждением на рецепторном уровне [2—4].

Оба указанных нами направления придают все больше зна­ чения психофизиологическому аспекту психофизических иссле­

и степенной зависимости имеет целью показать, что из сосущест­ вования этих психофизических закономерностей вытекает еще одна, которая с полным основанием может быть названа психо­

физиологической. Изучение свойств этой психофизиологической

связи приводит к ряду интересных заключений, частично под­

4

тверждаемых уже известными фактами или же допускающих экспериментальную проверку.

Здесь мы избавились от всех констант, которые могут быть при­ ведены к единице путем выбора соответствующего масштаба физической переменной I или сенсорных переменных F и S. Па­ раметры а и b являются существенными постоянными. Величина

а могла бы быть принята за единицу только в том случае, если логарифмирование происходит по известному основанию. Но мы

не знаем, каким основанием пользуются сенсорные системы. По­ этому мы не в состоянии оценить абсолютное значение величи­ ны а. Аналогичное суждение можно сделать и в отношении показателя степени Ь.

Будем считать, что обе зависимости (1) объективно сущест­ вуют и одновременно имеют место в некоторой области физи­ ческого континуума I. Исключим из уравнений (1) величину I и получим выражение

где А = еь/а. Этим преобразованием мы установили связь меж­

ду двумя психическими переменными, которые по отдельности являются психофизическими функциями от I. В дальнейшем F и S мы будем называть переменными сенсорного пространства или сенсорными переменными. Уравнение (2) будем называть психофизиологической связью или закономерностью. Попытаем­ ся выяснить, что выражает эта зависимость и какими свойства­

ми она обладает.

Прежде всего обратим внимание, что переменная S обладает свойством, которое мы назовем мультипликативностью:

S(I1-I3) = (I1-I2)b = S(I1).S(I2),

а переменная F в этих же условиях является аддитивной:

F(I1.I2) = a-ln(Il-I2) = F(I1) + F(I2).

Таким образом, соотношение (2) выражает связь между двумя характеристиками сенсорного пространства, одна из кото­ рых аддитивна, другая мультипликативна. Кстати, прямыми экспериментами было показано, что испытуемые оценивают отношения между стимулами, а не их разности, что и следует из мультипликативных свойств сенсорной переменной S. Адди­ тивно-мультипликативный характер связи (2) является принци­ пиальной основой для дальнейшего анализа и построения теоре­

5

тической модели сенсорного пространства в координатах F и S. Свойство аддитивности сенсорной переменной F очень суще­ ственно для понимания ее психофизиологического смысла. Как уже говорилось, справедливость логарифмического вида функ­ ции F (I) была показана для рецепторных входов сенсорных

систем. На входе происходит преобразование физического воз­ действия в поток афферентной информации. Это происходит сле­ дующим образом. Раздражение рецепторов приводит к возник­

новению возбужденных состояний рецепторных клеток, коли­ чественно и конфигурационно изоморфных стимулу. Этот рецепторный образ кодируется и передается по нервным кана­

лам. Таким образом, физическое воздействие (стимул) транс­ формируется в эквивалентную последовательность нервных импульсов (сигналов). Так как физическое воздействие всегда можно выразить в энергетических единицах, то можно сказать, что на рецепторном уровне происходит преобразование энергии, затраченной на создание рецепторного образа физического воздействия, в эквивалентное количество афферентной информа­ ции. Известно, что явный вид функции, определяющий количе­ ственную меру информации, был выведен из условия ее адди­

тивности [5]. Эта функция логарифмическая, причем выбор

основания логарифма является конвенционалистским, т. е. зави­ сящим от того, что принимается за единицу информации.

Свойство аддитивности логарифмической функции F (I) не­ обходимо и достаточно, чтобы интерпретировать ее как коли­

чество сенсорной информации, возникающее при воздействии

на рецепторы. Вместе с тем, по Фехнеру, F характеризует ин­ тенсивность ощущения. Логика рассуждений приводит нас к вы­ воду, что F не психофизическая функция, а сенсорная перемен­ ная, имеющая смысл потока информации, эквивалентного соответствующему физическому воздействию.

Заключение об информационном смысле F позволяет нам объяснить логарифмический вид функции F (I). Что же выра­ жает другая сенсорная переменная S? Существуют ли какиелибо аналоги соотношения (2) в теории информации? Да, суще­ ствуют. Это экспоненциальная зависимость между числом всевоз­ можных сообщений R, которые можно передать последователь­ ностью из К сигналов кода, содержащего L различных символов:

6

отнести величину субъективной оценки с тем, что выражает число R?

Мы уже пришли к выводу, что F выражает количество ин­ формации, эквивалентное вызывающему ее стимулу. Но на уров­ не формирования S, т. е. на уровне оценки ощущения, опреде­ ляющим становится содержание или структура («паттерн»)

этого объема информации. Содержание это может быть столь же разнообразным, как и внешнее воздействие, отражением которого это содержание является. Поэтому анализирующим

и оценивающим это содержание системам необходим набор со­

стояний, в которых не только бы записывалось соответствующее количество единиц информации, но и осуществлялось бы его «прочтение» и адекватная психофизиологическая оценка. Таких состояний должно быть не меньше, чем всевозможных сообще­

ний, которые можно передать одним и тем же количеством

афферентной информации, но различной конфигурации. Каза­ лось бы, что число всевозможных состояний должно быстро возрастать с увеличением длины сообщения. Но это не так. Для

значительного числа модальностей имеются данные, позволяю­ щие вычислить величину А = еь/а. Эта величина такова, что даже для самого протяженного сенсорного континуума (оценок яркости) переменная S, соответствующая R в формуле (2'), не

превышает 230 единиц (см. разд. 2). Это ничтожно мало по сравнению с техническими возможностями ЭВМ, но в этой свя­

зи уместно вспомнить высказывание известного специалиста Дж. фон Неймана: «...каким бы ни был язык, используемый центральной нервной системой, он характеризуется меньшей логической и арифметической глубиной по сравнению с той, к которой мы привыкли... Таким образом, логика и математика

центральной нервной системы, рассматриваемые как язык, дол­

жны в структурном отношении существенно отличаться от тех языков, к которым относится наш повседневный опыт...» [6].

Итак, мы полагаем, что ответ на вынесенный в заголовок этого раздела вопрос состоит в том, что психофизические зави­ симости Фехнера и Стивенса суть эмпирические проявления закономерности, выражаемой связью двух сенсорных перемен­

ных F и S, являющейся собственно психофизиологической зави­ симостью. Эта зависимость есть некоторое выражение того, что фон Нейман называет «логикой и математикой центральной нервной системы».

Соотношение непрерывности и дискретности в сенсорном восприятии

Как уже говорилось, мы исходим из презумпции сосущество­ вания обоих психофизических законов, полагая, что эти зави­

7

симости являются эмпирическими выражениями информационной

природы сенсорных процессов и одна из них выражает аддитив­ ный характер афферентной информации, другая — мультипли­

кативные свойства анализирующих эту информацию механизмов.

В этом разделе мы рассмотрим функции F и S на основании требования непрерывности восприятия. Это требование, или даже принцип, заключается в том, что диапазон адекватно воспринимаемых физических воздействий не содержит внутри

себя участки, которые бы не воспринимали наши органы чувств. Сенсорный континуум не имеет разрывов и так же непрерывен, как и соответствующий ему физический континуум. Каждому стимулу должен находиться соответствующий сенсорный образ.

Корректность законов Фехнера и Стивенса многократно под­ вергалась критике с различных точек зрения, в том числе и в связи с тем, что аналитический вид степенной зависимости с показателем степени менее единицы весьма сходен с кривой логарифма по соответственно выбранному основанию. При обычном разбросе отдельных измерений одну функцию легко можно принять за другую. Действительно, электрофизиологиче­ ские изменения на разных уровнях сенсорных систем не дают

однозначных ответов в пользу той или другой зависимости, за исключением, пожалуй, рецепторного, где логарифмическая за­ висимость частоты разряда афферентных волокон от силы им-

пульсации показана достаточно определенно [2—4].

Однако опровергнуть или подтвердить законы Фехнера и Стивенса с помощью объективных электрофизиологических

регистраций столь же трудно, как и понять логику компью­ тера, измеряя внутри него электрические процессы. Возможно, что логарифмическая и степенная зависимости отражают прин­ ципы организации сенсорной деятельности в целом, хотя и мо­ гут быть подсмотрены с той или иной степенью выраженности и в отдельных звеньях сенсорных путей.

Другая критическая атака законов Фехнера и Стивенса; на­

правлена на способы, которыми эти зависимости получаются. Логарифмический закон был выведен из наблюдений Э.; Ве­ бера путем известных допущений, позволивших Фехнеру полу­

чить дифференциальное уравнение, интегрирование которого приводило к логарифмической зависимости.

Степенная зависимость получается с помощью субъективных оценок дискретных стимулов, и конечное число эксперименталь­ ных точек (обычно не превышающее 10) аппроксимируется непрерывной прямой, выражаемой уравнением регрессии. Пере­ ход от дискретных точек к непрерывной функции — столь же произвольная операция, как и переход Фехнера к бесконечно малым.

8