Лекция № 2. Работа нервной системы. Характеристики и особенности анализаторов
Прием и обработка информации человеком-оператором осуществляется с помощью нервной системы. Нервная система имеет сложную структуру. Различают центральную нервную систему (головной и спинной мозг), формирующую и регулирующую мышление и поведение человека, периферическую нервную систему — нервы, по которым сигналы-импульсы распространяются от периферических органов к нервным центрам и от нервных центров к периферическим органам, вегетативную нервную систему, регулирующую деятельность внутренних органов человека, функции жизнеобеспечения — т. е. растительную, «вегетативную» жизнь организма.
Решающую роль в осуществлении всех процессов жизнедеятельности человека, в том числе трудовой деятельности, играет центральная нервная система.
Прежде всего, благодаря ей организм функционирует как единое целое, взаимодействуют его органы и системы, осуществляется основной обмен, без которого невозможна сама жизнь.
Основные элементы нервной системы — рецептор, нейрон (нервная клетка) и синапс.
Рецептор — это устройство, преобразующее энергию внешнего или внутреннего раздражителя (светового, звукового, теплового, химического и т. п.) в специфический нервный процесс — возбуждение. Возбуждение, подобно сигналу, передается с одной нервной клетки на другую.
Нейрон (нервная клетка) — структурная единица мозга. Кора больших полушарий головного мозга, определяющая индивидуальное поведение человека, состоит из более чем 10 млрд нейронов.
Синапс — тончайшее межклеточное образование, с помощью которого осуществляется переход возбуждения с одного нейрона на другой, с нейрона на мышцу или другие периферические исполнительные органы.
Помимо нервных клеток серое вещество мозга на 60—90% состоит из так называемых глиальных клеток (или «глии»), выполняющих функцию опорного каркаса для нейронов, а также функцию питания нервных клеток — в глии находятся «энергетические депо» накопления энергетических веществ, периодически поступающих в нервные клетки.
Мозг можно представить как совокупность взаимосвязанных групп нервных клеток, или анализаторов — зрительного, слухового, обонятельного, осязательного, двигательного, речедвигательного и т. п. Корковые центры соответствующей области коры головного мозга называют корковым концом (представительством) анализатора, а органы чувств или другие рецепторные зоны, где расположены соответствующие рецепторы, — периферическим концом анализатора.
Основными процессами нервной деятельности являются возбуждение и торможение.
Информация из внешней среды и внутренней среды организма поступает в виде самых разнообразных раздражителей, однако на нейрофизиологическом уровне она проявляется в виде одного и того же физиологического процесса — возбуждения. Это сложный биоэлектрический процесс, состоящий из множества сигналов-импульсов, приводящий в действие клетки и органы. Процесс возбуждения обладает свойством распространяться, переходить из одного участка ткани на другой, находящийся в покое, и за счет этого связывает между собой и приводит в действие различные элементы организма.
Процесс торможения — сложный биоэлектрический процесс, ослабляющий или прекращающий деятельность клетки, органа. В отличие от возбуждения торможение носит местный характер, не распространяется.
Физиологическая основа формирования концептуальной модели – это работа анализаторов, т.е. первых органов, с помощью которых человек осуществляет анализ раздражителей.
Анализатор — термин, введенный И.П. Павловым для обозначения функциональной единицы, ответственной за прием и анализ сенсорной информации какой–либо одной модальности. Различают зрительный, слуховой, тактильный, вкусовой, обонятельный, кинестетический (внутримышечный), температурный и вестибулярный анализаторы.
Важнейшими для оператора является следующие анализаторы:
зрительные (90%)
слуховые (7%)
тактильные (3-2,5%)
В анализаторе выделяют три отдела:
1. Воспринимающий орган или рецептор, предназначенный для преобразования энергии раздражения в процесс нервного возбуждения. Вход рецептора приспособлен к приему сигналов определенного вида (световых, звуковых, тепловых и так далее), что и является основой квалификации анализаторов;
2. Проводник, состоящий из афферентных нервов и проводящих путей, по которому импульсы передаются к вышележащим отделам центральной нервной системы;
3. Центральный отдел, состоящий из релейных подкорковых ядер и проекционных отделов коры больших полушарий. (центр в коре больших полушарий головного мозга (мозговой конец))
Кроме восходящих (афферентных) путей существуют нисходящие волокна (эфферентные), по которым осуществляется регуляция деятельности нижних уровней анализатора со стороны его высших, в особенности корковых, отделов.
Анализаторы человека являются единой, взаимосвязанной системой. Действия раздражителя на один из анализаторов вызывает не только его прямую реакцию, но и изменяет функционирование других.
Мозговой конец (МК) состоит из ядра и рассеянных по коре головного мозга отдельных элементов. Между МК и рецептором существует обратная связь – осуществляется через волокна. За счет ОС в рецепторах производится декодирование, т.е. воспроизведение того исходного состояния, которое возникает при взаимодействии рецептора с раздражителем.
В частности, возможностями и особенностями анализаторов человека определяются психофизиологические требования к орудиям труда. Рассмотрим подробнее некоторые важнейшие характеристики анализаторов, а также свойства зрительного, слухового и тактильного анализаторов. (Ведь именно от особенностей работы анализаторов зависит быстродействие и точность работы человека-оператора).
Как уже отмечалось выше, восприятие информации в основном осуществляется зрительным, слуховым и тактильным анализаторами. Остальные анализаторы в технических системах используются крайне редко, в особых условиях деятельности (например вестибулярный — в системе «летчик-самолет»). Основными характеристиками анализаторов является чувствительность, избирательность и адаптивность.
Диапазон чувствительности анализатора определяется интервалом от минимальной до максимальной адекватно ощущаемой величины сигнала. Величина раздражителя, вызывающая едва заметное ощущение, называется нижним абсолютным порогом чувствительности, а максимальная величина раздражителя — верхним абсолютным порогом. Нижний абсолютный порог определяет чувствительность анализатора, поскольку сигналы, интенсивность которых меньше нижнего абсолютного порога, человеком не ощущаются, а увеличение интенсивности сигналов выше верхнего абсолютного порога вызывает у человека болевое ощущение.
Избирательность анализатора заключается в его способности из множества раздражителей, одновременно действующих на человека, в зависимости от условий воспринимать и анализировать только существенные раздражители, чем обеспечивается высокая помехоустойчивость, и быстродействие по анализу информации. Благодаря избирательности анализаторов анализ большого количества информации человеком проводится в несколько раз быстрее, чем автоматическим устройством, поскольку компьютерная система предусматривает последовательный анализ всей информации без учета ее значимости.
В зависимости от условий окружающей среды анализатор может изменять диапазон чувствительности, например, перемещением хрусталика глаза. Это свойство называется адаптацией. Адаптация характеризуется величиной изменения чувствительности и временем, в течение которого она происходит.
В реальных условиях должны соблюдаться следующие требования к сигналам-раздражителям:
интенсивность сигналов должна соответствовать средним значениям диапазона чувствительности анализаторов;
различие между сигналами должно быть больше оперативного порога различения, но не должно значительно превышать оперативный порог, т. е. составлять оптимальную величину, обеспечивающую хорошую работоспособность и не вызывать утомления;
наиболее значительные и ответственные раздражители следует располагать в тех зонах сенсорного поля, которые соответствуют участкам рецепторной поверхности с наибольшей чувствительностью.
Характеристики зрительного анализатора. Зрительным анализатором воспринимается форма, цвет, яркость и движение предметов. Возможность различения предмета на фоне других предметов определяется его контрастностью.
Контрастность — это соотношение яркости предмета и фона. Различают прямой (яркость фона больше яркости предметов) и обратный (яркость предмета больше яркости фона) контрасты. Оптимальным считается контраст, находящийся в пределах 0.6...0.9. Необходимо, чтобы различие в яркости предмета и фона было в 10...15 раз больше порогового значения. Форма предмета воспринимается с учетом контраста и угловых или линейных размеров.
Эргономические требования к средствам отображения визуальной информации устанавливают размеры и конфигурацию знаков, сигналов, углы их обзора и расстояния наблюдения, вид контраста изображения и окружающего фона, цвет свечений световых изображений, уровень яркости, частоту мельканий, скорость перемещений, условия внешней освещенности изображения. Рациональное соответствие орудий труда зрительному, анализатору соблюдаются при следующих условиях:
освещенность на рабочем месте оператора — 410 лк;
яркость свечения индикатора на черно-белой электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) — не менее 0,5 кд/м2;
яркость свечения индикатора на цветной ЭЛТ не менее 10 кд/м2;
оптимальная яркость индикатора на цветной ЭЛТ —170 кд/м2;
контраст прямой оптимальный — 0,8...0,9;
контраст прямой допустимый — 0,6...0,9;
контраст обратный для самосветящихся индикаторов — не менее 0,2;
время представления (индикации) сигнала — не менее 2 с;
скорость движения сигнала при наличии опорного ориентира — 1...2 угловых минуты в секунду;
скорость движения сигнала без опорного ориентира — 15...30 угловых минут в секунду;
размеры знаков на экране 15...40 угловых минут;
частота мельканий — не менее 50 Гц;
ширина линии на экране — 1,15... 1,5 мм при расстоянии наблюдения соответственно 0,25... 1,5м.
Традиционно освещение рабочего места при работе с бумажными носителями информации имеет высокий уровень обшей освещенности (700 лк и более). При считывании информации с ЭЛТ имеются следующие особенности:
1. Поверхность ЭЛТ расположена вертикально, что приводит к расположению линий зрения оператора на 20° выше, чем при работе с бумажными носителями. Поэтому увеличивается вероятность появления прямой блесткости от светильников и окон.
2. Любой уровень освещенности экрана ЭЛТ уменьшает контраст между изображением и фоном, так как яркость темных участков (фона) увеличивается сильнее, или яркость светлых участков.
3. Экран ЭЛТ искривлен и часто имеет высокий коэффициент отражения. Он играет роль зеркала, вызывая блесткость, так как свет ярких объектов, расположенных за оператором, и над ним отражается от экрана и попадает в глаза оператору. Эти отражения уменьшают контраст и могут частично или полностью искажать часть информации.
Исходя из этого, освещенность рабочего места с ЭЛТ и информацией, записанной на бумажном носителе, должна составлять 400...500 лк, что существенно снижает контраст экрана, по сравнению с неосвещенным рабочим местом и затрудняет выполнения задания, но позволяет читать информацию с бумаги и переносить ее на магнитный носитель. При использовании информации только с экрана ЭЛТ освещенность рабочего места может находиться в пределах 150...400 лк.
Характеристики слухового анализатора. Слуховой анализатор состоит из уха, слухового нерва и сложной системы нервных связей и центров мозга. Ухо воспринимает определенные частоты звука благодаря резонансу волокон мембраны и усилению сигналов средним и наружным ухом. Слуховой анализатор воспринимает колебания частотой 16...20 000 Гц. Колебания частотой ниже 16 Гц называют инфразвуком, а выше 20 000 Гц — ультразвуком. Ультра- и инфразвук оказывают влияние на организм человека, но оно не сопровождается слуховым ощущением. Звук характеризуется интенсивностью, частотой и формой звуковых колебаний, которые отражаются в слуховых ощущениях как громкость, высота и тембр.
Интенсивность звука оценивается по звуковому давлению, которое измеряется в Паскалях (давление, вызываемое силой 1 Н. Равномерно распределенной по площади 1 м2 и нормальной к ней) или в динах на квадратный сантиметр (1 Па=10 дин/см ).
Громкость — это характеристика звукового ощущения, которая наиболее тесно связана с интенсивностью звука. Уровень громкости выражается в фонах, фон численно равен уровню звукового давления в децибелах для чистого тона частотой 1000Гц. Основными количественными характеристиками слухового анализатора являются абсолютный и дифференциальный пороги. Нижний абсолютный порог соответствует интенсивности звука (в децибелах), обнаруживаемого человеком с вероятностью 0,5; верхний порог — интенсивность, при которой возникают болевые ощущения. Между ними расположена область восприятия речи. Абсолютные пороги зависят от частоты и интенсивности звукового сигнала. Верхний абсолютный порог составляет 120...130 дБ, область восприятия речи — 60... 120 дБ.
Слуховой анализатор часто используется при проектировании средств сигнализации об аварийной ситуации. Слуховая информация воспринимается человеком на 20...30 мс быстрее визуальной.
В соответствии со свойствами слухового анализатора в оборудовании для передачи уведомляющих сигналов необходимо использовать частоту 200...400 Гц с интенсивностью до 110 дБ, для аварийных сообщений — частоту 800...5000 Гц с интенсивностью 120 дБ. Длительность отдельных сигналов и интервалов между ними должна быть более 0,2 с, длительность интенсивных (предельно допустимых) сигналов не должна превышать 10 с.
Характеристики тактильного анализатора. Тактильный анализатор используется для получения информации о положении предмета в пространстве, о его форме, размерах, качестве поверхности и материалов. Функционирование тактильного анализатора основано на свойстве кожи воспринимать температурные, химические, механические и электрические воздействия предмета или орудия труда. Наиболее часто тактильный анализатор используется для получения информации о состоянии оборудования путем анализа его вибраций. Абсолютная чувствительность тактильных анализаторов на механическое воздействие определяется величиной минимального давления, вызывающего ощущение.
Наибольшая чувствительность при восприятии вибраций наблюдается при частоте 100... 300 Гц. Пространственная чувствительность определяется минимальным расстоянием между двумя точками кожи, при раздражении которых возникает ощущение двух прикосновений. На основе пространственной чувствительности пальцев, составляющей 1...2.5 мм, происходит опознание органов управления. При помощи тактильного анализатора можно передавать до десяти уровней (градаций) сигнала. Тактильный анализатор обладает быстрой адаптацией, приводящей к снижению абсолютного порога ощущения. В настоящее время тактильные анализаторы используются для контроля за работой оборудования (путем восприятия его вибраций), опознания органов управления и получения информации о вводе управляющих воздействий в систему управления (благодаря обратной связи в штурвалах, выключателях и переключателях).
Распределение информации между воспринимающими каналами человека
Таким образом, информация между воспринимающими каналами человека должна распределятся на основе психологических восприятия информации различными анализаторами. Необходимо также учитывать взаимодействие и взаимное влияние анализаторов, их устойчивость к воздействию различных факторов среды: гипервесомости и невесомости, вибрации, гипоксемии, изменение способности к восприятию информации в процессе длительной работы и др. Весьма существенное значение имеет вид информации, условия ее приема, а также характер деятельности оператора.
Выбор канала восприятия в зависимости от вида информации.
Передача количественной информации. Для передачи количественной информации используются зрительный, слуховой и кожный каналы восприятия. Выбор канала обусловливается числом градаций признака.
1. Зрительный канал обеспечивает наибольшую точность определение величины признака, особенно при использовании цифровых кодов, шкал, изменений положений указателей приборов. Он позволяет сравнивать и измерять информацию одновременно по нескольким признакам. Наименьшая точность наблюдается при кодировании величины яркостью.
2. Слуховой канал по точности восприятия количественной информации может конкурировать со зрительным только при передаче количественной информации в виде речевых сообщений. Точность приема количественной информации, закодированной с помощью частоты или интенсивности звукового сигнала, повышается при использовании эталона сравнения. Человек способен воспринять до 16 - 25 градации тональных сигналов, различающихся по высоте или громкости.
3. Кожный канал при передаче количественной информации значительно уступает зрительному и слуховому каналу. С его помощью можно передать более 10 градаций величины за счет использования частоты вибротактильных или электрокожных сигналов (после соответствующей тренировке).