Психофизиология и социальные науки

На протяжении всей книги мы подчеркивали важность зна­ния биологической основы человеческого поведения. В заклю­чение справедливо будет посмотреть на другую сторону медали. Ведь эта книга — отнюдь не попытка включить в биологию то, что относится к области социальных наук. Это скорее призыв к тому, чтобы психологи были внимательны к биологическим факторам, а исследователи биологии человека в большей мере учитывали психологические переменные.

Глава 11

В классической статье под заглавием «Биолог исследует психику и,поведение» Сеймур Кити (Kety, 1960) подчеркивает, как это говорится в подзаголовке статьи, что «пониманию человеческого поведения способствуют многие дисциплины, каждая со своими особыми преимуществами и ограничениями». Все зависит от того, какой ставится вопрос. Предположим, мы хотим узнать, кто победит на следующих президентских выборах. Как психофизиологи мы знаем, что решение в пользу того, а не иного кандидата основано на специфических молекулярных конфигурациях в мозгу. Возможно, что в буду­щем психофизиология сможет выявлять эти конфигурации, так что один из путей прогнозирования исхода выборов будет состоять в том, чтобы помещать каждого гражданина в соот­ветствующий дорогостоящий анализатор. Другим путем может быть просто опрос граждан. Когда речь идет о больших группах населения, такой опрос, вероятно, останется самым практичным подходом.

Бихевиористы любят цитировать пословицу относительно того, что можно привести лошадь к водопою, но нельзя заста­вить ее пить. Какой вздор, говорят они,— все, что вам надо сделать, это вызвать у лошади достаточную жажду. Теперь мы знаем, что сегодня это можно осуществить, вскрыв лошади череп и произведя электрическое раздражение центров жажды в гипоталамусе. Но проще ли это?

Таким образом, психофизиолог не претендует на то, что он имеет наилучший ответ на все вопросы, возникающие в соци­альных науках, хотя все эти науки связаны с объектом его исследований.

Психофизиология изучает биологию человека, чтобы спо­собствовать пониманию поведения человека и его переживаний. Ее сила в том же, в чем и ее слабость, а именно в том, что это попытка исследовать поведение человека во всей его сложности. Эта наука находится в младенческом возрасте и еще только начинает разрабатывать нужные ей методы. Ее будущее тес­нейшим образом связано с методическим и техническим про­грессом, как, например, в случае лицевой термографии (гл. 5) и магнитоэнцефалографии (гл. 9). Если завтра будет создан метод, позволяющий измерять содержание нейромедиаторов в определенных участках мозга здорового человека, то пси­хофизиология завтрашнего дня будет мало -походить на то, что мы обрисовали здесь; но она по-прежнему должна будет изучать психобиологию функций человека, как можно меньше вмешиваясь в них.

Приложение А. Методические замечания к главе 3

Регистрация физиологических реакций человека

Введение в теорию электричества

Всякое вещество состоит из атомов — основных кирпичиков природы. Раньше думали, что атомы неделимы, однако теперь мы знаем, что они в свою очередь состоят из протонов, электронов и нейтронов. Электрический заряд — фундамен­тальное свойство протонов (положительно заряженных частиц) и электронов (отрицательно заряженных частиц). Под дей­ствием различных сил электроны могут отрываться от атомов. Трение, давление, свет, теплота, химические агенты, магне­тизм — все эти факторы вызывают перемещение «свободных» электронов.

Мы все знакомы с многочисленными примерами таких процессов. При хождении по ковру (трение) происходит накоп­ление электрического заряда, который с вашего тела может перейти на ручку двери или другой хороший проводник. Давле­ние на некоторые кристаллические вещества тоже создает электрический заряд; этот принцип используется в одной из систем микрофонов. В химических батареях используется тот факт, что некоторые вещества легко отдают электроны, а другие — легко их присоединяют.

Электрический ток — это просто поток электронов в каком-то материале. Некоторые материалы пропускают этот поток гораздо легче, чем другие, что зависит от их структуры и от того, насколько прочно связаны электроны с их атомами. Если электроны легко отрываются и свободно проходят через данное вещество, говорят, что это вещество — хороший про­водник. Большинство металлов — хорошие проводники электри­чества. Электрические провода обычно делают из меди, так как она относительно дешева и хорошо пропускает поток электронов. Изоляторы — это вещества, не пропускающие пото­ка электронов. Такова, например, резина — сложное вещество с очень прочно связанными электронами. Большая часть электрических проводов изолирована резиной; если вы. их ка­саетесь, электроны не проходят через вас и не взаимодействуют с вашими собственными электрохимическими цепями.

Пожалуй, полезно будет представить себе простейшую электрическую цепь как нечто аналогичное току воды через трубу. У нас должен быть насос, т. е. источник мощности,

Приложение А. Регистрация физиологических реакций

Приложение А. Регистрация физиологических реакций

чтобы поддерживать течение воды в такой закрытой системе. В зависимости от мощности насоса он будет оказывать на проходящую через него воду определенное давление. Если мы захотим, мы можем измерить также и ток воды, т. е. количество воды, протекающей через какое-то сечение трубы в каждую секунду

Очевидно, что ток воды будет частично зависеть от давле­ния, которое создает насос. Оно будет также зависеть от ширины нашей трубы. Предположим, что вся труба всегда заполнена водой; тогда при повышении давления количество воды, проте­кающей через какой-то участок трубы, будет увеличиваться. На скорость тока воды влияет и всякое сопротивление, которое она встречает на своем пути. Предположим, например, что мы хотим очистить протекающую по трубе воду. Первое, что мы должны для этого сделать,— это поставить на пути воды фильтр, чтобы задерживать мелкие камешки и другие примеси Теперь вода встречает некоторое сопротивление, и скорость ее тока уменьшится. Таким образом, в этом более сложном примере ток зависит и от давления, создаваемого насосом, и от сопротивления, которое встречается на пути. Теперь вернемся к электричеству. Вспомним, что электри ческий ток — это просто поток электронов. Если мы заменим насос батареей, а трубу — куском провода, у нас будет замкнутая электрическая цепь. Какой-то участок провода мы можем заменить куском вещества, относительно плохо прово дящим электрический ток,— обычно каким-нибудь соединением углерода; тогда наша электрическая цепь будет разомкнута. «Давление», которое оказывает батарея, называется ее электродвижущей силой или напряжением. Электроны идут от отрицательного полюса батареи к положительному. Сила тока, т. е. величина потока электронов, опять-таки опреде­ляется напряжением («давлением») и сопротивлением току. Связь между этими величинами выражает закон Ома, который в простой форме можно записать так:

Напряжение = Ток X Сопротивление,

Единицы этих величин определяются так, что 1 вольт = 1 ампер X 1 ом.

или

Таким образом, если мы знаем силу тока и напряжение в цепи, мы можем легко, используя закон Ома, вычислить сопротивление. Или же, если мы знаем напряжение в вольтах и сопротивление в омах, мы можем вычислить ток в амперах. Электрическое сопротивление выражается в условных единицах, называемых омами.

Мы можем говорить также о проводимости материала. Материал, который сопротивляется потоку электронов,— это относительно плохой проводник. По определению, проводи­мость — величина, обратная сопротивлению, т. е.

Таким образом, сопротивление 10 Ом — это проводимость 0,1 мо; а сопротивление 200 Ом —это проводимость 0,005 мо. С ростом сопротивления проводимость падает, а при снижении сопротивления проводимость возрастает. Любое сопротивле­ние может быть выражено как проводимость.

За 1 ампер принимают такую силу тока, при которой через данную точку проходит 6,24 • 10¹⁸ электронов в секунду. В психо­физиологических лабораториях редко производят прямое изме­рение тока. Обычно непосредственно измеряют напряжение т. е. разность потенциалов между двумя полюсами источника электрической энергии. Обычно психофизиологические перемен­ные измеряются милливольтами (1 мВ — одна тысячная доля вольта) или микровольтами (1 мкВ—одна миллионная доля вольта).

Все сказанное выше можно резюмировать следующим об­разом. Электричество — это поток электронов; для того чтобы электроны перемещались, необходим источник мощности в виде разности потенциалов в замкнутой цепи. Основные электрические переменные связаны между собой законом Ома: Напряжение = Сила тока X Сопротивление.

Электронные фильтры

Основной принцип работы электронных фильтров — это изменение частотных характеристик электрических сигналов. Источники питания могут давать ток двух типов: постоянный, при котором электроны идут в одном направлении, и перемен­ный, при котором направление потока электронов периоди­чески меняется на обратное. Если мы представим графически, что происходит, когда мы включаем лампу-вспышку (постоян­ный ток), то это будет примерно следующее:

202 Приложение А. Регистрация физиологических реакций ЗВ

Приложение А. Регистрация физиологических реакций

Когда лампа включена, в электрической цепи создается разность потенциалов в 3 вольта. Однако бытовой электри­ческий ток (переменный) выглядит следующим образом:

Направление потока электронов периодически меняется на обратное. В США в бытовой электросети используется обычно ток частотой 60 Гц (за 1 секунду напряжение 60 раз изменяется от +110 до —110 и снова до +110, т. е. направление тока электронов меняется на обратное 120 раз в секунду). В других странах нередко используется частота 50 Гц.

. При регистрации некоторых физиологических сигналов используются сходные принципы усиления постоянного и пе­ременного тока. Это может быть источником путаницы для тех, кто не знаком с особенностями работы на полиграфе. При записи ЭЭГ нас значительно больше интересует частота изменения направления тока, чем сама величина разности потенциалов. В полиграфах некоторых типов имеются предуси-лители типа «DC» (постоянный ток), позволяющие измерять истинную разность потенциалов между двумя точками, и другие предусилители — типа «АС» (переменный ток, но не такой, как в сети), которые устроены так, что в них теряется инфор­мация о разности потенциалов, но точно передается частота, с которой изменяется направление тока. Эти предусилители позволяют нам далее отфильтровывать (т. е. исключать) неко­торые частоты.

Применение фильтров трудно объяснить абстрактно, но его легко понять из рис. АЛ. Здесь представлена полученная с помощью полиграфа запись ЭКГ, отражающей сокращение сердечной мыщцы. Чтобы проиллюстрировать влияние фильт­ров, этот электрический сигнал усиливали одновременно на трех разных предусилителях. Психофизиологу часто нужно знать только частоту сердечных сокращений (которым на записи соответствуют пики). В первой записи фильтры подобраны таким образом, чтобы подчеркнуть некоторые другие особенности формы ЭКГ. Это может представлять особый интерес для психофизиолога, которого интересует не только насосная функция сердца.

Рис. АЛ.ЭКГ, записанная с применением фильтров трех типов. Один и тот же электрический сигнал зарегистрирован одновременно с помощью разных усилителей полиграфа Grass Model 7. Верхняя Запись: усиление 1/2, низкая частота, 1Гц; усиление 1/2, высокая частота, 15 Гц. С£едляя_за-т«:ь: усиление 1/2, низкая частота, 10 Гц;.усиле­ние 1/2, высокая частота, 75 Гц. Нижняя запись: усиление 1/2, низкая частота, 1 Гц; усиление 1/2, высокая частота, 75 Гц. Обычно ЭКГ записывают так, как она представлена внизу.

Таким образом, .используя электронные фильтры, исследо­ватель может сосредоточить внимание на специфических чер­тах сложного электрического сигнала, подобно тому как на групповой фотографии человек может рассмотреть какое-то одно знакомое лицо. Влияние тех или иных фильтров на сложную форму физиологических колебаний предсказать трудно, поэтому фильтры часто подбирают методом проб и ошибок.

Скорость движения бумаги

Один и тот же электрический сигнал может выглядеть совсем по-разному, если его записывать при разной скорости движения бумажной ленты полиграфа. Большая скорость поз­воляет видеть характерные для данной волны особенности более подробно, однако при этом есть риск утратить восприятие целостной картины. На рис. А.2 показаны записи ЭКГ одного и того же человека, сделанные с разными ско­ростями. Выбор скорости движения бумаги зависит от цели экспериментов. Верхняя запись сделана со скоростью 5 мм/с, обычно применяемой в психофизиологических исследованиях. Экспериментатор, интересующийся тонкими изменениями ЭКГ, должен использовать большие скорости. Для тех же, кто изучает только медленные изменения потенциала потовых же­лез, достаточны меньшие скорости.

204 Приложение А. Регистрация физиологических реакций

I

Рис. А.2. ЭКГ одного и того же испытуемого, зарегистрированная при четырех скоростях движения ленты.

Сверху вниз: скорости движения ленты 5, 10, 25 и 50 мм/с. Видно, что при больших скоростях движения бумаги можно получить дополнительную информацию о форме волн.

Приложение А. Регистрация физиологических реакций

Таблица АЛ. Влияние удара переменного тока частотой 60 Гц на организм среднего человека (Bruner, 1967)

Сила тока, А

Действие (при контакте в течение 1 с)

0,001 0,003 0,050 0,100-0,300

Порог чувствительности Максимальный безвредный уровень. Человек мо­жет просто прекратить контакт с проводником. Выше этого уровня происходит сокращение мышц Боль. Возможны обморок, механические повреж­дения. Функции сердца и дыхания продолжаются Начинается фибрилляция желудочков. Дыхатель­ные центры остаются неповрежденными Продолжительное сокращение миокарда, за ко­торым следует нормальный сердечный ритм Временный паралич дыхания. При большой плотности тока возникают ожоги

Безопасность

Современные продажные полиграфы сконструированы так, чтобы испытуемый не мог получить электрического удара. Одна­ко исследователи-психофизиологи должны всегда быть начеку в отношении возникновения такого риска. Это особенно важно, когда используются дополнительные самодельные приспо­собления.

В табл. АЛ указано действие на организм тока различной силы, приложенного к поверхности кожи. В соответствии с законом Ома сила тока, возникающая при данном напряже­нии, зависит от импеданса (сопротивления переменному току) тела испытуемого, а это в свою очередь определяется такими факторами, как, например, влажность кожи. Отметим, что если ток подается через электроды, введенные через кожу в глубже лежащие ткани, риск значительно возрастает.

Хотя пороги чувствительности у разных людей варьируют, при силе тока порядка 1 мА у всех появляется первое ощущение покалывания. Примерно при 5 мА это ощущение делается столь болезненным, что испытуемый может вскочить и уйти. При близком уровне силы тока начинают возбуждаться и дви­гательные нервы, что вызывает сокращение мышц. Где-то между 10 и 20 мА мышечные спазмы становятся столь сильными, что человек уже не может сам отключиться от источника тока. В» диапазоне до 100 мА болезненность все усиливается. Непроизвольные сокращения скелетных мышц могут даже приводить к повреждениям.

При силе тока около 100 мА начинают возникать явления, угрожающие жизни, наиболее важное из которых — фибрил­ляция желудочков. Сердце осуществляет перекачивание крови благодаря координированному электрическому разряду в ткани миокарда. При достаточно сильном токе, приложенном извне, некоторые из волокон сердечной мышцы возбуждаются и на­чинают неупорядоченно сокращаться, что ведет к нарушению насосной функции. Если такое беспорядочное сокращение не прекратится в ближайшие минуты, оно может привести

к смерти.

Ток силой 6 А держит сердце в состоянии длительного сокращения, т. е. действует так же, как ток силой около 20 мА на скелетную мускулатуру. Однако если длительность тока составляет лишь несколько тысячных секунды, то после этого восстанавливаются нормальные координированные сокращения сердца, обеспечивающие перекачивание крови. Этот принцип используется для устранения фибрилляции: чтобы восстановить нормальный ритм сердца, в области грудной клетки наносят сильный электрический удар.

1.11

й\

Приложение Б. Методические замечания к главе 4 Потовая железа

Сопротивление и проводимость

Проводимость можно вычислить из величины сопротивления следующим образом:

Проводимость (мо) = _{Сопротивл}'_{ение (омы)}

Однако это преобразование нелинейно, в связи с чем использо­вание этих двух показателей может привести к разным выводам. Предположим, например, что мы хотим сравнить два ответа, возникающих у одного и того же испытуемого при различных исходных уровнях электрической активности кожи (ЭАК). Рассмотрим следующий воображаемый случай *:

На этом примере видно, что две величины реакций сопротив­ления кожи (РСК) оказываются равными, тогда как РПрК, вычисленные на основании тех же данных, различаются при­мерно в 26 раз. Из этого ясно, что очень важно выбрать, какими единицами пользоваться для анализа, особенно в случаях, когда применяются линейные статистические методы, например определение коэффициентов корреляции.

Более детальный пример в книге Woodworth, Schlosberg, 1954, p. 141.

Приложение Б. Потовая железа

Как отмечено в этой книге, по соображениям как биологи­ческого, так и статистического порядка в качестве зависимой переменной лучше брать проводимость. В то же время приборы для непосредственного измерения проводимости кожи только сейчас становятся в достаточной мере доступными. Некоторые экспериментаторы регистрируют СК, а затем переводят величи­ны в ПрК, после чего переходят к анализу. Поскольку преобра­зование нелинейно, форма ответов при прямой регистрации проводимости будет' иной.

Типичные величины

Все электрокожные показатели варьируют в зависимости от таких факторов, как применяемые электролиты, место регистрации на теле, температура воздуха в комнате, а также индивидуальные особенности испытуемых. Приводим данные о диапазоне различий для «стандартных условий»:

У ПрК 2—100 мкмо/см² УСК 10—500 кОм/см² УПК от +10 до —70 мВ

(кожа по отношению к электрически ней­тральной точке тела)

УПрКи УСК варьируют в зависимости от размера электро­дов (УКП не варьирует), так что величины даны в пересчете на 1 см² поверхности электрода.

Реакции могут быть различными при разном исходном уровне данного показателя. Очень сильный раздражитель, например удар электрического тока, может привести к 50%-но-му снижению УСК, тогда как при обычных экспериментальных стимулах умеренной силы можно ожидать снижения УСК примерно на 5%. В типичных случаях латентн й период ответа составляет 1—2 секунды примерно с таким же временем 50%-ного восстановления исходного уровня. Все это прибли­женные величины.

Определение спонтанной активности

В настоящее время нет стандарта в определении мини­мальной амплитуды сдвига, который следует считать «спонтан­ной электрокожной реакцией». Экспериментаторы часто выби­рают достаточно произвольную, точку («порог»), обычно где-то между 100 и 1000 Ом. Эдельберг (Edelberg, 1972) предложил при измерении сопротивления считать минимальной амплиту­дой СРСК отклонение на 0,1% исходной величины сопротивле­ния. Эту величину определяют на основе величины УСК покоя и считают постоянной до того момента, когда УСК изменится

Приложение Б. Потовая железа

Приложение Б. Потовая железа

на 10%. После этого, исходя из новой величины УСК, вы­числяют новые величины минимальной амплитуды реакции Если непосредственно измеряется проводимость, тот же автор предлагает считать «порогом» сдвиг на 0,1%.

Эти две процедуры нельзя непосредственно сопоставлять друг с другом, и их используют не так часто. Одна из трудностей при обсуждении психофизиологических коррелятов спонтанной активности связана с отсутствием стандартизации. У двух экспериментаторов результаты могут быть различными из-за неодинакового определения терминов. Хотя стандартизация исключительно важна для попыток воспроизведения результа­тов, существующее ныне разнообразие систем может быть полезно тем, что позволит осмысленно выбирать «пороговую» точку. Исходя из нашего представления о специфичности электрических свойств кожи, мы должны считать, что для разных экспериментальных задач следует выбирать разные «пороговые» точки.

Процедура регистрации

Электродами для регистрации ЭАК могут служить просто две серебряные пластинки, прикрепляемые к кисти с помощью резиновых лент. Однако такого рода примитивные электроды легко становятся электрически нестабильными, особенно при длительной регистрации сопротивления кожи. Поляризация, т. е. появление на поверхности электрода противоположно направленной электродвижущей силы,— одна из наиболее частых помех при записи ЭАК- (Поляризацию пары электродов легко обнаружить, если поверхности электродов привести в контакт с электролитом и измерить разность потенциалов.) Эту трудность можно в значительной степени преодолеть, используя высококачественные электроды, из которых наиболее распространены хлорсеребряные (серебро покрыто тонкой пленкой хлорида серебра).

Между поверхностью кожи и электродом обычно помещают электролит. Существует много коммерческих паст, по составу приближающихся к поту, которым и следует отдавать пред­почтение при регистрации ЭАК- Некоторые пасты для электро­дов содержат абразивный материал (например, Sanborn's Redux), стирающий с кожи наружный роговой слой. Такие пасты не должны применяться при измерении ЭАК, так как они изменяют электрические свойства кожи.

Размещение электродов для измерения ПК и ПрК должно »быть совершенно различным. Для ПК и СК обычно предпо­читают использовать два «эмоционально реактивных» участка (таких, как ладони, кончики пальцев или подошвы ног), так

как это позволяет суммировать активность двух точек. Поскольку главный путь для тока — это высокопроводящий дермальный слой, расстояние между электродами на эпидермисе для практических целей значения не имеет.

Если, однако, пропускают электрический ток через тело, то в целях безопасности лучше располагать оба электрода с одной стороны от сердца. (Сила тока, пропускаемого при определении ЭАК, чрезвычайно мала, так что эта предосто­рожность служит лишь для добавочной страховки.) Эдельберг (Edelberg, 1972) предложил записывать ПрК со средних фаланг второго и третьего пальцев одной руки, так как мелкие поверхностные ссадины могут искажать запись, открывая току прямой путь через дерму, а в этих местах кисти кожа повреждается очень редко. При записи ПрК часто используют также выпуклые участки ладони — eminentia thenar и eminentia hypothenar (рис. Б.1).

Очевидно, что для регистрации сопротивления кожи нужно пропускать очень слабый электрический ток. Сила этого тока будет скорее всего определяться конструкцией прибора, кото­рый вы используете; в идеале она должна быть порядка 8 мА/см² или еще меньше.

При регистрации ПК измеряется разность потенциалов между потовыми железами и внутренними тканями организма. Поэтому в идеальном случае один электрод помещают в одной из «эмоционально-реактивных» точек, а для второго в коже нужно сделать небольшое отверстие. При обычных записях достаточно бывает расположить второй электрод в неактивной точке (обычно на предплечье, около локтя, на расстоянии 4/5 всей длины предплечья). Если для регистрации разности потенциалов использовать две активные точки, то у потовых

Рис. Б.1

'/г 8 Зак. 699

Приложение Б. Потовая железа

Приложение Б. Потовая железа

I

желез, одновременно реагирующих сходным образом, сдвиги потенциала будут взаимно погашаться и разность может оказаться очень малой.