Ряс. 2. Сигнальное устройство. Каждый из обозначенных буквами сигналов требует нажатня соответствующей кнопки

На его примере покажем, какими методами могут быть экспериментально установлены характеристики человека-оператора, как формулируются задачи экспериментов и расшифровываются их результаты.

Почему тот из двух сигналов, который появляется чаще, вызывает более быструю реакцию? Может быть, как считают некоторые ученые, различные сигналы возбуждают различные нервные элементы, и те элементы, которые чаще возбуждаются, изменяют свое состояние — становятся более быстро реагирующими? Чтобы получить ответ на этот вопрос, мы поставили эксперимент (рис. 3), проведенный нашей сотрудницей М. А. Цискаридзе. Перед оператором появляется один из двух световых сигналов, чередующихся в случайной последовательности. На каждый из них оператор должен реагировать нажатием одной из двух кнопок. Прибор точно регистрирует время от появления сигнала до нажатия кнопки. Сигналы А и Б появляются в случайном порядке, но сигнал А возникает вдвое чаще, чем сигнал Б. Изобразим в виде букв небольшой отрезок такой последовательности сигналов:

...БААБАААААБАББАААААБАБ...

В этом случае оператор реагирует на сигнал А быстрее. Когда время реакции установилось (иа рис. 3 момент Т), экспериментатор незаметно для испытуемого (оператора) меняет тактику подачи сигналов. Он выбирает небольшой отрезок их случайной последовательности (отрезок этот подчеркнут в приведенном выше ряду) и начинает многократно повторять его:

...АААБАБАААБАБАААБАБАААБАБ... В этом новом ряду сигнал А, как и раньше, встречается вдвое чаще, чем Б. Между тем время реакции оператора при переходе к новому ряду существенно изменяется: время реакции на А и Б начинает сокращаться,

Рис. 3. Уменьшение я выравнивание временя реанцни на сигналы при повторения отрезка случайной последовательностя

о — частый сигнал, б — редкий, Г — момент изменения последовательности сигналов

ц постепенно исчезает разница между временем реакции на частый и редкий сигналы. Время реакции на любой из них становится примерно равным времени простой двигательной реакции, т. е. реакции на повторяющийся один и тот же световой сигнал, в ответ на который надо нажимать кнопку.

Отсюда следует, что различное время реакции на сигналы зависит не от частоты их проявления: в новых условиях сигнал А остался более частым, а время реакции на оба сигнала сравнялось.

Может быть, дело не в частоте сигналов, а в том, какого сигнала ожидает оператор? В очерке «Способность заглядывать в будущее» мы уже говорили о вероятностном прогнозировании — способности на основании накопленного опыта прогнозировать предстоящие события с определенной вероятностью.

Действительно, хотя в новом ряду сигнал А встречается вдвое чаще, чем сигнал В, оператор, уловивший структуру ряда, с уверенностью может предсказать следующий сигнал. Возможность точно предсказать следующий сигнал здесь так же велика, как при повторении одного сигнала. Время реакции в этом случае такое же, как при простой двигательной реакции. Это позволяет предположить, что время реакции зависит от вероятностного прогноза появления того или иного сигнала.

Правильно ли это? Для проверки мы решили «развести» частоту появления сигнала и прогноз оператора — поставили эксперимент так, чтобы в его ходе один из сигналов становился более частым, но при этом оператор бы все более уверенно прогнозировал появление другого

Рис. 4. Когда случайная последовательность сигналов А в Б сменяется повторением одного сигнала Б, время реакции на него сначала растет, а затем снижается

а — частый сигнал (А), б — редкий (Б), Г — момент изменения последовательности сигналов

сигнала. На первой стадии эксперимента оператору предлагали случайную последовательность сигналов А и Б, в которой частота А больше, чем Б. Затем, когда время реакции на сигналы А и Б становилось устойчивым (момент Т на рис. 4), экспериментатор начинал включать (без предупреждения, конечно) только один сигнал Б. Однако в ответ на него время реакции не только не уменьшилось (хотя сигнал Б стал более частым), а начало расти. Если же, прервав опыт (т. е. нарушив установленную последовательность и включив сигнал А), измеряли время реакции на сигнал А, то оказывалось, что оно уменьшается.

Такой результат эксперимента хорошо согласуется с предположением, что время реакции зависит от вероятностного прогноза. По мере того как сигналы Б следовали подряд, оператор (испытуемый) со все большей вероятностью прогнозирует появление сигнала А. В соответствии с таким прогнозом время его реакции на сигнал Б растет, а на А уменьшается. Но когда число идущих подряд сигналов Б становилось достаточно большим, соотношение времени реакции на сигналы А и Б вновь изменялось: время реакции на Б снижалось, а на Л росло. Этс значит, что оператор уже перестал ждать сигнал А и прогнозирует новое появление сигнала Б — он изменил гипотезу о вероятностной структуре последовательности сигналов.

Однако описанных экспериментов еще недостаточно для утверждения, что скорость реакции при случайной последовательности сигналов является функцией вероятностного прогнозирования. Ведь в обеих сериях опытов экспериментатор переходил от случайной последовательности к жестко установленной. В одной серии (рис. 3) повторялась группа сигналов, в другой (рис. 4) — один сигнал. Для строгости доказательства необходимо было не только «развести» в эксперименте частоту сигналов и вероятностный прогноз их появления, но и до конца сохранить при этом случайную последовательность сигналов.

Отвечающий этим условиям эксперимент был задуман в следующей форме. Перед испытуемым четыре сигнала (назовем их А, Б, Б, Г), каждому из них соответствует кнопка, нажать которую надо при появлении сигнала. Существенной особенностью эксперимента была последовательность, в которой зажигались сигналы на пульте.

Б в Г А Г А Б В

1 1 1 1 1 1 I I I I I I I I 1 1 1 I-----------

А Г б В

Рис. 5. Последовательность сигналов, группируемых в четверки

Первый сигнал выбирался случайным образом из четырех равновозможных. В случае, приведенном на рис. 5, это оказался сигнал Б. (Вероятность выбора для первого сигнала Pi=^lU)- Следующий сигнал (на рис. 5 — В) выбирался из трех оставшихся с вероятностью Рп = Vs. Затем выбирался сигнал из двух оставшихся (на рисунке — Г) с вероятностью Риг = 'А. Наконец, следовал единственный оставшийся сигнал (в нашем примере — А), вероятность которого Р\у = 1. Таким образом, в пределах четверки сигналов вероятность появления каждого следующего сигнала увеличивалась.

Последовательность сигналов в следующей четверке строилась по тому же принципу. Иначе говоря, в ряду сигналов (их было 120) число сигналов А, Б, В и Г

Рис. в. Среднее время реакции в эксперименте с четверками сигналов одинаково, но в пределах каждой четверки их последовательность случайна

А В В Г I Ж Ш Ш

После нескольких четверок испытуемый улавливает структуру ряда сигналов. С этого момента вероятность, с которой он прогнозирует появление того или иного сигнала в каждый момент времени, зависит от порядкового места сигнала в четверке. Таким образом, в описанном^эксперименте последовательность сигналов представляет собою частный случай марковской последовательности.

Среднее время реакции за весь эксперимент на каждый из сигналов (А, Б, В и Г) оказалось статистически неразличимым (рис. 6), иначе говоря — одинаковым. Вместе с тем среднее время реакции на сигналы, занимавшие различные порядковые места в четверках, оказалось He^j одинаковым. На первые сигналы время было наибольшим, на вторые — несколько меньшим, на третьи — еще меньшим, на четвертые — самым малым. Кроме того, выявлена еще одна закономерность: время реакции на первые сигналы равно времени, установленному в эксперименте с бернуллиевской последовательностью четырех сигналов; на третьи сигналы — времени в экспериментах с бернуллиевской последовательностью двух сигналов; врем.я реакции на последние в четверках сигналы совпало со временем простой двигательной реакции (т. е. реакции при наличии лишь одного сигнала и одного ответа). Таким образом, время реакции зависело от того, с какой вероятностью прогнозировался возникший сигнал, а не от того, какой именно сигнал появлялся.

¹ Случайную последовательность, в которой вероятность появления сигнала зависит от того, какие сигналы ему предшествовали, в математике называют марковской последовательностью. В случайной последовательности другого типа, так называемой бернуллиевской, веронтность появления сигнала не зависит от предшествовавших сигналов (так, прибросании монеты вероятность выпадения «орла» равна 0,5 независимо от того, что выпадало в предыдущих случаях).

Итак, время реакции на сигнал зависит от вероятностного прогноза, от степени ожидания сигнала. Частота сигналов влияет на время реакции лишь постольку, поскольку от нее зависит вероятностный прогноз.

Какие же психофизиологические явления в организме вызывает ожидание? Опишем один из опытов (он проведен В. А. Иванниковым в нашей лаборатории), поставленных для ответа на зтот вопрос. Перед оператором появляется один из двух сигналов — А или Б. На сигнал А оператор должен реагировать левой рукой, на сигнал Б — правой. С помощью специальных электродов, усилителей и осциллографов записываются биотоки мышц правой и левой руки. Экспериментатор по своему усмотрению устанавливает последовательность сигналов. Он делает это таким образом, что может создавать у оператора различные прогнозы поступления следующего сигнала — А или Б. Опыты показали, что при прогнозировании сигнала А с большей вероятностью у оператора повышалась амплитуда биотоков мышц левой руки, а при большей вероятности сигнала Б — амплитуда злектрических колебаний на правой руке. При этом и время двигательной реакции правой и левой рук было неодинаковым: та рука, в мышцах которой отмечались большие электрические колебания, реагировала на сигнал быстрее. Таким образом, вероятностное прогнозирование сигналов вызывает (заранее, еще до появления сигнала) подготовку к действию, или преднастройку, именно тех двигательных органов, которые должны реагировать на ожидаемый сигнал. Благодаря преднастройке и достигается большая быстрота реакции.

Как экспериментально проверить этот вывод? Если он правилен, то время реакции правой и левой рук должно быть неодинаковым в любом случае различной их пред-настройки — даже тогда, когда ожидаемая вероятность появления любого И8 нескольких сигналов равновелика (лишь бы при этом преднастройка мышц правой и левой

рук была различна). Именно такие условия были созданы в следующем эксперименте.

Перед оператором находится пульт, на котором может появиться один из восьми сигналов: А\, Аг, Аз, At, Б\, Бг, Вз и Z>4. Вероятность появления этих сигналов соответственно равна ри Р2, Рз, Ph Qi, (72, <7з, <?4. Если появится один из сигналов группы А, то оператор должен нажать рычаг левой рукой; если же появится сигнал из группы Б, то он должен нажать другой рычаг правой рукой. Прогнозируемая оператором вероятность Р нажима левого рычага равна сумме вероятностей появления сигналов А\, А₂, Аз и A_t (Р = р\ + р₂ + рз + Pi), а прогнозируемая вероятность Q нажима правого рычага равна сумме вероятностей появления остальных четырех сигналов (Q = q\ + q<i + q% + q*). Если поставить опыт так, что оператор с большей вероятностью ожидает, что сейчас нужно будет нажимать левой рукой (P>Q), то обнаруживается асимметрия биотоков мышц (они выше на левой руке) и асимметрия времени реакции (реакция левой руки быстрее). Однако весьма примечательно следующее. Если в таком опыте р\ = q\ (но при этом нажим левой рукой остается более вероятным, чем нажим правой), то время реакции на сигнал А\ все же короче, чем время реакции на сигнал Б\.

Эксперимент доказывает, что время реакции может быть различным и на сигналы, появление которых прогнозируется с одинаковой вероятностью, если только при этом прогнозируемые ответные реакции (для правой и левой рук) равновероятны. Следовательно, надо различать прогнозирование сигнала и прогнозирование ответной реакции. Однако в частном случае, когда каждой ответной реакции соответствует один определенный сигнал, ожидание ответа и ожидание реакции совпадают.

Не вытекает ли из результатов последнего опыта, что для времени реакции существенно только вероятностное прогнозирование ответной реакции, а вероятностное прогнозирование сигналов имеет значение лишь постольку, поскольку от него зависит нрогнозирование реакции? Чтобы ответить на этот вопрос, пришлось несколько видоизменить опыт с восемью сигналами и двумя ответными движениями. Если верно предположение, что для времени реакции существенно только прогнозирование соответствующего движения, то время реакции на сигнал Л1 и на

сигнал Л 2 должно быть одинаковым даже при различной их вероятности (р\Фр2) —ведь оба эти сигнала требуют одного п того же движения с вероятностью Р. Однако в опыте оказалось, что при движениях, прогнозируемых оператором с одинаковой вероятностью, время реакции зависит от вероятностного прогноза сигнала: время меньше, если оператор с большей вероятностью ожидал появившийся сигнал. Таким образом, высказанное выше предположение не подтвердилось.

Итак, время реакции на сигнал зависит как от вероятностного прогноза сигнала, так и от вероятностного прогноза ответного движения. Это говорит о том, что пред-настройка осуществляется и в двигательных и в чувствительных системах организма.

С помощью целой цепочки экспериментов мы, казалось бы, до конца разобрались в вопросе о времени реакции. Но в действительности этот вопрос сложнее. Ведь во всех описанных экспериментах выяснялась зависимость времени реакции от прогнозируемой оператором вероятности появления сигналов и вероятности ответов. При этом молчаливо предполагалось, что все сигналы и все ответы равноценны, т. е. что промедление или ошибка в ответе на один сигнал «стоят» столько же, сколвко промедление или ошибка в ответе на другой. Однако одинаковая «значимость» сигналов возможна лишь в частном случае. Обычно же оператор оценивает не только вероятность появления сигнала или необходимого ответа, но также и величину и вероятность «выигрыша» или «проигрыша», который наступит в случае того или иного его ответа на сигнал. Именно поэтому аварийный сигнал на пульте вызывает очень быструю реакцию оператора, если даже появление этого сигнала прогнозируется им с очень малой вероятностью. Как же происходит оценка оператором «выигрышей» и «проигрышей»? На основании чего эта оценка складывается? По каким показателям можно судить о ней?

Введение различного вознаграждения за правильные и быстрые ответы на разные сигналы (или, что то же, введение различных «штрафов» за промедление или ошибочный ответ) ведет к изменению времени реакции. Время реакции различно для двух одинаково вероятных сигналов, если реакции на них вознаграждаются по-разному (рис. 7). Варьируя плату за хорошие реакции на два сигнала, можно не только уравнять время реакции на сигналы разной вероятности, но даже добиться большей быстроты реакции на менее вероятный сигнал.

Таким образом, время реакции зависит не только от вероятностного прогноза возникновения события (сигнала), но и от его значимости. Можно принять, что время реакции зависит от математического ожидания поощрения, т. е. от среднего значения ожидаемого «выигрыша». Но если вероятность возникновения имеет количественное выражение (об этом подробнее мы расскажем в очерке «Память и вероятностное прогнозирование»), то как сравнить значимость двух событий?

Рис. 7. Время реакции на два равновероятных сигнала, из которых один (Н) поощряется выше, чем другой (М)

Ведь значимость события — понятие субъективное, да и для одного и того же лица она меняется в зависимости от ряда обстоятельств.

Прежде всего будем различать плату и значимость. Назовем платой то реальное вознаграждение, которое субъект получает за правильный и быстрый ответ. Плата не зависит от субъекта и может быть объективно измерена. Если хорошие реакции на один сигнал оплачиваются 1 копейкой, а на другой 10 копейками, то платы относятся, как 1:10. Но далеко не всегда можно аналогичным образом решать вопрос о соотношении значимо-стей. Если, к примеру, принять, что значимости плат в 1 рубль и 10 рублей так же относятся, как 1: 10, то значимости плат в 0,0001 и 0,001 копейки различаются очень мало (в обоих случаях они оцениваются как «очень малые»). Точно так же для человека, далекого от астрономии, расстояния в миллиард световых лет и в 10 миллиардов световых лет оцениваются примерно одинаково (как «очень большие»). Таким образом, прямо пропорциональная зависимость между платой и значимостью сохраняется лишь в некотором актуальном диапазоне — при тех порядках величины платы, с которыми данному субъекту часто приходится иметь дело (рис. 8). Еще сложнее, если платы не могут быть сравнены по единой шкале. Так, если реакции на один сигнал (.4) вознаграждать пирожным, а на другой (Б) — билетом в кино, то сравнить эти платы трудно даже с точностью «больше— меньше». Значимость же этих вознаграждений совсем индивидуальна: лакомка предпочтет пирожное, а любитель фильмов — билет. О значимости А и Б можно судить только по реакции субъекта — что он предпочтет, на что реагирует быстрее (или сильнее). Итак, если вероятность сигнала или плату можно установить заранее, до опыта, то о значимости можно судить только поел» опыта, по его результатам.

Рис. 8. Зависимость значимости сигнала от платы

Как же количественно сравнить значимость двух сигналов? Показателем при таком сравнении может служить степень искажения зависимости какого-либо доступпого измерению параметра реакции (например, времени реакции) от вероятности появления сигнала.

При сравнении значимости сигналов будем исходить из следующих трех положений.

1. Если сигналы А и Б возникают в случайной последовательности с равной вероятностью (Ра — Рв) и при этом среднее время реакции на них одинаково (Т_А = Тв), то будем считать, что значимость А и Б одинакова (Va = = F_B).

2. Если при тех же условиях (Ра = Рб) время реакции на сигнал А меньше, чем на сигнал Б (Т_А < Тб), то будем считать, что значимость А больше, чем значимость Б (V_A > V_B).

3. Время реакции на сигналы разной значимости мож но (как мы уже говорили) уравнять, сделав более значимый сигнал более редким. Если время реакции на сигналы уравнивается (Т_А — Т_в) при условии, что А встречается в N раз реже, чем Б (7V-P_a = Pe), будем считать сигнал А в N раз более значимым, чем Б (Va — N-Vb).

Таким образом, можно ввести количественную меру для сравнения значимости различных сигналов. Однако, повторяем, значимость сигналов субъективна, и судить о ней можно только на основании реакции данного субъекта на них.

Вопрос о роли значимости сигналов для реакции на них очень важен. Но исследование его только начинается.

Лишь теперь, когда инженерной психологией изучена зависимость реакции человека от вероятностного прогноза как сигнала, так и ответа, появляется возможность при помощи эксперимента решить и этот вопрос.