Организация систем восприятия
Восприятие — это процесс познания явлений окружающего мира при помощи органов чувств. Человек, как и другие высшие животные, получает информацию извне и о том, что происходит в его организме, исключительно через рецепторы. Ощущения не отражают свойства предметов и явлений окружающего мира, поскольку рецепторы лишь сигнализируют в мозг о наличии раздражителей, способных активировать данный тип рецепторов. Нервная система человека воссоздает внешнюю реальность, основываясь на ограниченных данных рецепторов. Это возможно только благодаря раннему обучению в критический период формирования систем восприятия (см. гл. 20). Активно осваивая внешний мир, ребенок постоянно получает обратную связь от рецепторов в ответ на собственное действие, что и позволяет мозгу конструировать внешнюю реальность на основе субъективных ощущений.
Иллюстрацией к сказанному может быть следующий эксперимент. Взрослым испытуемым надевали очки, переворачивающие изображение. Оказалось, что люди, которые могли двигаться в пространстве, уже через неделю научились видеть неперевернутое изображение в этих очках. Те же испытуемые, которые находились в кресле и rie могли перемещаться, не сумели приспособиться к восприятию неперевернутых объектов в линзах, переворачивающих изображение. Таким образом, восприятие чрезвычайно чувствительно к возможности человека проверять собственные ощущения в деятельности.
Восприятие внешних объектов не является простым их копированием, т. е. внутренний образ предмета не идентичен самому предмету, потому что состояние организма в этот момент, предыдущий опыт взаимодействия с этим объектом, субъективное отношение к нему меняют результат восприятия (рис. 5.1).
Восприятие включает внутреннюю обработку сенсорной информации и внутренний код, необходимый для этой цели. Носителями кода являются нейроны. Код складывается как из порядка следования импульсов нейронов, так и из пространственной организации этих нейронов. Код, таким об-
Рис. 5.3. Параллелизм обработки информации (Хелд, Ричарде, 1972) |
разом, является внутренним пространственно-временным выражением приходящих извне сигналов, которые и представляют собой сенсорную информацию.
Сенсорная информация об объекте может меняться, но мозг продолжает, несмотря на это, воспринимать все тот же объект. Этот феномен называется константностью. Например, длина волны света, отраженного от поверхности стола, зависит от освещения, однако для мозга его цвет остается одним и тем же в разное время суток. Проекция лица говорящего собеседника на сетчатку Рис. 5.1. Наполеон на острове Святой Елены глаза в любое мгновение отличается (Klebe, Klebe, 1989) от той же проекции в предыдущий момент, но центральная нервная система продолжает воспринимать именно лицо и именно этого человека. Изображение предмета зависит от расстояния, на котором он расположен отно-
Рис. 5.2. С. Дали. Невольничий рынок с исчезающим бюстом Вольтера. В центре картины изображены две маленькие монахини, стоящие плечом к плечу. Но при другой перцептивной организации картины лица монахинь превращаются в глаза Вольтера, их фигуры — в его нос, а белые части одежды у талии — в его подбородок (Линдсли, Норман, 1974).
сительно глаза, но мозг оценивает его истинный размер, хотя расстояние может постоянно меняться, например, при восприятии качающихся качелей.
Можно заключить, что задача мозга состоит в том, чтобы вычленять постоянные (инвариантные) признаки объектов из непрерывно меняющегося потока поступающей
от них информации. Интерпретация сенсорной информации основана на ощущениях, но для осознания увиденного нервной системе недостаточно просто анализировать стимуляцию от рецепторов, она активно конструирует видимый мир (рис. 5.2).
Организм не в состоянии обработать абсолютно все приходящие извне сигналы. Только в зрительной системе более 1 млн. каналов. Если предположить, что каждые десять из них работают независимо, то при максимальной частоте импульсации, равной 100 импульсам в секунду, нейронные каналы смогут пропустить до 106(102/Ю)=107 импульсов в секунду. Предположив, что каждый импульс несет один бит информации о предмете восприятия, получаем, что мозг ежесекундно должен перерабатывать 107 битов. Однако реальные возможности мозга ограничиваются примерно 25 битами двоичной информации в секунду. Таким образом, количество сигналов, поступающих в мозг, определенным образом сокращается для восприятия наиболее значимых событий. По-видимому, в этом и заключается главная функция начальных стадий обработки информации нейронами. Успешность этой деятельности обеспечивается как параллелизмом, при котором в анализе одновременно задействованы многие каналы, так и функцией внимания, включающего отбор наиболее значимых сигналов (Хелд, Ричарде, 1974) (рис. 5.3).
Сенсорные системы
Мозг получает информацию исключительно через посредство органов чувств, и, воспринимая события окружающего мира, человек реагирует только на узкий диапазон воздействий. Органы чувств являются неким ситом, которое ограничивает поток доступной информации уже на входе. Это связано с тем, что наше представление о мире заключено в рамки, определяемые диапазоном энергии, на которую настроены рецепторы. Человек может ощущать лишь те виды энергии, которые органы чувств способны обнаружить и превратить в нервные импульсы. Этот диапазон, по-видимому, сформировался в процессе эволюции и ограничен восприятиями, без которых выживание конкретного вида становится сомнительным.
Рецепторы представляют собой преобразователи, превращающие один вид энергии в другой. Каждый тип рецепторов воспринимает определенную энергию, к которой он максимально приспособлен, и затем превращает ее
Рис. 5.4. Спектр электромагнитных излучений (Carlson, 1992).
в электрическую энергию нервного импульса. Например, глаза реагируют на электромагнитное излучение в крайне узкой части его спектра — от 350 до 750 нм (нанометр — 1/10 000 000 м) (рис. 5.4). Это малая толика всего диапазона электромагнитных волн, но она обусловливает ощущение всего видимого человеком света, используемого растениями при фотосинтезе. Только у отдельных видов животных рецепторы выходят за пределы этого диапазона. Некоторые змеи, охотящиеся ночью, воспринимают инфракрасное
Рис. 5.5. Спектр солнечного света у земной поверхности имеет меньшую ширину из-за поглощения в атмосфере; диапазон длин волн лежит между 320 и 11000 нм; этот диапазон эффективен для фотобиологических процессов. Спектр солнечного света, достигающий обитателей моря, имеет еще меньшую ширину из-за поглощения морской водой. Сплошная линия указывает длины волн максимальной интенсивности; пунктирные линии обозначают границы длин волн, в которых сконцентрировано 90% солнечной энергии на каждом уровне в атмосфере и океане. Буквы над спектром длин волн обозначают ультрафиолетовые (УФ), фиолетовые (Ф), синие (С), зеленые (3), желтые (Ж), оранжевые (О), красные (К) и инфракрасные (ИК) лучи (Хелд, Ричарде, 1972).
излучение своих жертв, а пчелы реагируют на ультрафиолетовые лучи, отражающиеся от лепестков цветов.
То, что человек и животные воспринимают именно этот тип электромагнитного излучения, не является случайным. При прохождении через атмосферу земли диапазон электромагнитной энергии солнца вследствие поглощения ее воздухом сужается и лежит между 320 и 11000 нм; именно он и оказывает физиологическое воздействие (рис. 5.5).
Подобные ограничения существуют и в других органах чувств. Так, оптимальный диапазон частот воспринимаемых человеком звуковых волн определяется особенностями источника звука (голосовых связок), приемника звука (уха), спектром шумов (посторонними источниками звуков, маскирующих сигнал), желаемой разрешающей способностью и дальностью связи.
Для передачи большого количества информации, тесно связанного с разрешающей способностью передающего канала, лучше подходят высокие частоты. Летучая мышь, например, использует ультразвуковое излучение в диапазоне 20-100 кГц. В случаях, когда особая важность придается не качеству, а дальности передачи информации, более приемлемы низкие частоты, поскольку затухание звуковых волн усиливается примерно пропорционально квадрату их частоты. Факторами, устанавливающими нижнюю границу чз -стоты воспринимаемых звуковых волн, являются звуки, возникающие при движении мышц тела человека. Заткнув уши, каждый может услышать звуки, издаваемые мышцами в процессе еды или произнесения слов. Эти низкочастотные шумы близки к пороговым значениям слуха в диапазоне низких частот. Следовательно, слух человека невосприимчив ровно настолько, чтобы не слышать звуки своего тела (Бекеши, 1974).
Оптимальным для человеческого восприятия являются частоты от 200 до 4000 Гц. В этом диапазоне уши и голосовые связки человека максимально приспособлены для речевого общения, причем полоса частот достаточно широка, чтобы их модуляцию можно было использовать в качестве носителя информации.
Механорецепторы (реагирующие на механическое воздействие), по-видимому, возникли в процессе эволюции одними из первых. Они позволяли примитивным морским животным сохранять ориентацию по отношению к силе тяжести, обнаруживать препятствия и ощущать вибрацию, вызванную другими животными. Приспособление к жизни на суше привело к развитию механорецепторов, чувствительных к колебаниям воздуха. Формирование специализированных органов и появление потребности в быстрых регуля-торных механизмах привело к возникновению рецепторов, чувствительных к внутренним механическим раздражениям. Механорецепторы у человека есть во всех органах, где происходят пассивные или активные движения, например, в пищеварительном тракте, легких, сердце, кровеносных сосудах, коже и скелетной мускулатуре. Эти рецепторы передают в нервную систему информацию сдвижении, напряжении, давлении (Левенстайн, 1974).
Наиболее примитивные органы чувств человека — обоняние и вкус, поскольку обучение на их основе протекает труд нее всего. Если для слуха и зрения внешнее воздействие на рецептор можно охарактеризовать с помощью определен-
ной физической шкалы (длина электромагнитных волн), то относительно запаха и вкуса это пока невозможно осуществить. Субъективно человек различает четыре вкуса — сладкий, соленый, горький, кислый и около семи основных запахов — камфарный, мускусный, цветочный, мятный, эфирный, едкий и гнилостный. Однако не обнаружено единого свойства, которое можно было бы положить в основу классификации веществ, вызывающих ощущения вкуса и запаха.
В 1949 г. Р. Монкрифф (Эймур и др., 1974) сформулировал предположение о том, что молекулы пахучих веществ воздействуют на рецептор благодаря точному совпадению с формой воспринимающего участка. Таким образом, форма и величина молекулы являются ее свойствами, предопределяющими ощущения.
Для человека химическая информация не является ведущей, в отличие от некоторых животных. У большинства насекомых химический способ взаимодействия имеет преимущество перед другими, и феромоны (химические вещества, с помощью которых передаются сигналы) воспринимаются ими даже на расстоянии километров (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Мирмикофильные гусеницы эксплуатируют социальное и симбиотическое поведение муравьев в собственных интересах. Специализированные “муравьиные” органы гусениц способствуют симбиозу с муравьями, либо имитируя их коммуникационные сигналы, либо выделяя, подобно симбиотическим растениям, съедобные жидкости (Врис, 1992). |
Человек не ощущает отсутствия каких-то видов восприятия (кроме тех, утрата которых препятствует эффективной адаптации), если не имел их от рождения, пока какие-то обстоятельства не укажут ему на это. Люди не страдают от цветовой слепоты, глухоты на некоторые тоны и отсутствия вкусовой чувствительности, пока не узнают от других об этом дефекте. То, что человек не воспринимает, не является объектом его желания (Хелд, Ричарде, 1974).
Рецепторы только воспринимают информацию с той или иной степенью точности, ограниченной разрешающей способностью сенсорного датчика. Далее эта информация передается в центральную нервную систему для обработки. Вместе взятые, рецепторы, воспринимающие информацию, не-
рвные пути, передающие ее в мозг, и области мозга, обрабатывающие и анализирующие эту информацию, составляют анализатор. Восприятие требует целостности всех частей анализатора. Задачей анализатора является не только принять поступивший на рецептор сигнал, но и соединить отдельные ощущения в образ, уже известный или никогда доныне не воспринимаемый человеком. В течение своей жизни человек накапливает эти образы, что позволяет все более быстро решать задачу по идентификации того или иного объекта (Соколов, 2000).
Информация, прошедшая процесс переработки и анализа, далее либо осознается, либо остается на неосознанном уровне, но, тем не менее, может в той или иной степени влиять на поведение человека.
Одной из нерешенных проблем в современной психофизиологии является кодирование информации, получаемой рецепторами, и ее интерпретация в головном мозге.
Предполагается, что сенсорная информация может кодироваться частотой ПД. Все рецепторы преобразуют свойственный им тип энергии в энергию электрического импульса. Он генерируется нейронами однотипно — по принципу “все или ничего”. Нервы, идущие от рецепторов, также не обладают специфичностью. Специфичность свойственна областям коры, в которые, в конечном счете, и поступает информация. Предполагается, что кодирование сигналов возможно частотой разрядов нейронов, плотностью импульсного потока, особенностью организации импульсов в группе (пачке), интервалами между отдельными импульсами, периодичностью пачек, их длительностью, числом импульсов в пачке.
В коре головного мозга, в свою очередь, находятся высокоспециализированные клетки — детекторы, избирательно реагирующие не просто на возбуждение в точке, а на отдельное свойство стимула — контраст, движение, кривизну линии. Д. Хьюбел и Т. Визел обнаружили в зрительной коре кошки самые разнообразные детекторы, анализирующие любые наклоны линий. Позднее аналогичные детекторы были обнаружены во всех других анализаторах. Эти нейроны организованы в иерархические структуры в соответствии со сложностью анализа, который они производят. Ю.М.Конорски (1970) ввел понятие “гностическая единица” для нейрона, селективно настроенного не на элементарный признак, а на сложную конфигурацию признаков. Он предсказал возможность существования таких нейронов, а позднее они были найдены в нижневисочной коре и избирательно реагировали на такие сложные стимулы, как лицо человека. По-видимому, элементарные детекторы выявляют отдельные признаки. Затем следует синтез таких элементарных детекторов в сложную комбинацию, и эта информация вновь анализируется, но уже на более высоком уровне во всех анализаторах. Выделение отдельных частотных составляющих нейронами-детекторами сменяется их синтезом, за которым следует анализ на уровне нейронов-гностических единиц, выделяющих отдельные образы (зрительные, слуховые, тактильные и т.д.). Окончательный образ складывается, по-видимому, не на основе активности одной клетки, располагающейся на самой вершине такой иерархической структуры, а благодаря функционированию групп нейронов — нейронных ансамблей.
Зрительное восприятие
Рис. 5.7. Двигательный аппарат глаза ( Carlson, 1992). |
Зрительные рецепторы находятся в глазных яблоках, расположенных в орбитальных отверстиях черепной коробки. Они приводятся в движение шестью экстраокулярными мышцами, прикрепленными к внешней оболочке глаза - склере (рис. 5.7). Склера прозрачна в передней части, называемой роговицей. Количество света, поступающего в глаз, регулируется радужной оболочкой (круговой окрашенной мышцей) путем увеличения или уменьшения размеров зрачка (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Схематическое строение глаза и механизм преломления световых лучей (Бекеши, 1974).
Рис. 5.10. Сходство оптических свойств глаза и фотоаппарата. В обоих используется линза для фокусировки перевернутого изображения на светочувствительную поверхность. Оба обладают диафрагмой (радужкой) для приспособления к разной интенсивности света. 1 — конъюнктива, 2 — связка хрусталика, 3 — радужка, 4 — зрачок, 5 — хрусталик, 6 — роговица, 7 — цилиарная мышца, 8 — склера, 9 —сосудистая оболочка, 10 — сетчатка, 11 — зрительный нерв, 12 — центральная ямка (Уолд, 1974). |
Рис. 5.11. Фоторецепторы ( Carlson, 1992). |
Рис.5.9. Строение сетчатой оболочки глаза (Carlson, 1992).
За радужной оболочкой расположен хрусталик, имеющий вид прозрачной двояковыпуклой линзы. Его кривизна регулируется с помощью цили-арныхмышц. Процесс изменения кривизны хрусталика, способствующий установлению фокусного расстояния глаза для эффективного расположения изображения на сетчатке, называется аккомодацией. После преломления в хрусталике свет проникает через прозрачную желеобразную массу — стекловидное тело — и попадает на сетчатую оболочку глаза (ретину). Она прилегает к сосудистой оболочке глаза и, в отличие от остальных оболочек, происходит из эктодермы, т. е. в большей мере относится к мозгу.
Сетчатая оболочка состоит из нескольких слоев нейронов, их аксонов, ден-дритов и фоторецепторов. Первый слой составляют рецепторы, следующий слой — биполярные клетки и, наконец, слой ганглиозных клеток. Рецепторный слой находится на внутренней поверхности сетчатой оболочки глаз (рис. 5.9). Фоторецепторы связаны синапсами с биполярными клетками, аксоны которых в свою очередь передают информацию ганглиозным клеткам, а их отро- . стки составляют зрительный нерв. Сетчатая оболочка содержит также амак-риновые клетки, лежащие горизонтально и параллельно сетчатке, что позволяет им комбинировать информацию от разных рецепторов.
Свет, проходя через несколько прозрачных сред — роговицу, хрусталик, стекловидное тело, — преломляется таким образом, что на сетчатке полу-
чается уменьшенное и перевернутое (слева направо и сверху вниз) изображение объекта. Подобное изображение возникает и на фотопластинке (рис. 5.10). Преломляющую силу любой линзы выражают в диоптриях. Одна диоптрия представляет собой преломляющую силу линзы с фокусным расстоянием 100 см. Преломляющая сила глаза человека при рассматривании далеких предметов составляет 59 диоптрий, близких — 70,5 диоптрий.
Сетчатка и ее функции
На сетчатой оболочке глаза имеется два типа рецепторов — палочки (около 120 млн) и колбочки (6 млн). Каждый из них состоит из внутреннего членика, напоминающего обычную нервную клетку, и палочко- или кол-бочкообразного наружного членика, чувствительного к свету (рис. 5.11).
Внутренний членик необходим для поддержания жизнедеятельности клетки, наружный реагирует на свет благодаря находящемуся в нем пигменту. Наружный членик состоит из множества дисков, лежащих стопками, один на другом. Одна палочка содержит до миллиона таких дисков. Свет сначала проходит сквозь внутренний членик, а затем попадает в наружный, где он захватывается фоточувствительными молекулами, расположенными на дисках.
Колбочки являются рецепторами цветового зрения и возбуждаются при ярком свете. Палочки активируются в сумерках и способствуют возникновению ощущения серого цве-
та, именно поэтому ночью все предметы воспринимаются как серые.
Каждая колбочка связана с мозгом отдельным волокном, и они функционируют по отдельности. Палочки работают группами, от каждой из которых
Рис. 5.12. Тест на слепое пятно. Закройте левый глаз и смотрите на знак “+” правым глазом. Приближайте страницу к глазу до тех пор, пока круг не исчезнет, поскольку его изображе* ние попадает в слепое пятно (Carlson, 1992).
только одно волокно входит в состав зрительного нерва. Палочки активируются светом умеренной интенсивности, что сопровождается появлением слабого ощущения цвета.
Рецепторы распределены по сетчатке неравномерно. В области центральной ямки находятся в основном колбочки (до 140 тыс. на 1 мм2 поверхности). По направлению к периферии число колбочек уменьшается, а число палочек растет. Место входа зрительного нерва — сосок зрительного нерва — совсем не содержит рецепторов и нечувствительно к свету, поэтому называется слепым пятном. Обычно человек не замечает слепого пятна, но его наличие можно продемонстрировать экспериментом (рис. 5.12).
Фотопигменты — опсины, — найденные в органах зрения человека и животных, имеют в своей основе витамин А, связанный с белками. В палочках выявлен пигмент родопсин, состоящий из опсина и альдегида витамина А — ретинена. Он обеспечивает максимум поглощения световых лучей с длиной волны 500 мкм, что относится к зеленой части спектра. Именно зеленые предметы кажутся наиболее яркими в темноте.
Существуют три типа колбочек, содержащих различные пигменты, чувствительные к синему, зеленому и красному свету. Например, пигмент, реагирующий на красный цвет, называется йодопсином. В пользу того, что нормальное трихроматическое цветовое зрение основано на трех независимых друг от друга рецепторных механизмах, говорит существование трех видов цветовой слепоты, проявляющихся при отсутствии одного из рецепторов.
Если обработать сетчатку раствором квасцов, родопсин не будет более распадаться, и на сетчатке можно увидеть изображение предмета, на который смотрел глаз. Полученные таким образом снимки В. Кюне называл оптографией. Он впервые в 1880 г. исследовал оптограмму казненного преступника (рис. 5.13). В. Кюне приложил много труда, чтобы определить, что изображает эта опто-грамма, но его усилия не увенчались успехом (Уолд, 1974). Однако до сих пор идея опознания преступника по изображению на сетчатке жертвы в момент совершения преступления мелькает на страницах детективных историй.
При поглощении кванта света зрительным пигментом его боковая цепь выл-
рямляется, и он превращается в свои изомер, в результате чего нарушается его связь с белком. Мембраны фоторецепторов отличаются от мембран других нейронов, поскольку их натрий-калиевые каналы постоянно открыты. Это приводит к тому, что некоторое количество медиатора постоянно выходит в синаптическую щель. Следовательно, эта мембрана менее поляризована, чем окружающие. При расщеплении пигмента каналы закрываются, мембрана гиперполяризуется и выход медиатора прекращается (рис. 5.14) (Carlson, 1992).
Рис. 5.13. Оптограмма человека на рисунке Кюне; так и не удалось определить, что она изображает (Уолд, 1974). |
Рецепторная клетка соединена с биполярной. Фоторецепторы и биполярные клетки сами не создают потенциала действия. Их обмен медиатором регулируется мембранным потенциалом. Деполяризация увеличивает его количество, гиперполяризация— уменьшает (рис. 5.15). Поскольку в норме медиатор гиперпо-ляризует мембрану дендритов биполярных клеток, уменьшение медиатора ведет к ее деполяризации. Таким образом, свет гиперполяризует рецепторную мембрану и вызывает деполяризацию мембраны биполярных клеток. Эта деполяризация ведет к выбросу медиатора в синапсе между биполярной и ганглиозной клетками, вызывая изменение ее импуль-сации и, следовательно, изменение сигнала, поступающего в мозг.
Рис. 5.14. Процесс превращения света в электрический сигнал в фоторецепторах (Carlson, 1992). |
Все эти последовательно действующие группы клеток и синапсов не являются простыми передатчиками импульсов: рецептор может соединяться с несколькими биполярными клетками или несколько рецепторов могут сходиться на одной биполярной клетке. Это относится и к синапсам между биполярными и ганглиозными клетками сетчатки. Как следствие, раздражение светом одного рецептора оказывает влияние на многие биполярные или ганглиозные клетки, и наоборот, одна биполярная или ганглиозная клетка получает сигналы от многих рецепторов, т. е. с большой площади сетчатки. Мозаичное рецепторное поле
Рис. 515 Особенности электрической активности клеток сетчатой оболочки глаза (Carlson, 1992)
сетчатки, с которого информация поступает в одну ганглиозную клетку, называется рецептивным полем этой клетки (Хьюбель, 1974).
Рис. 5 16. Концентрические рецептивные поля характерны для ганглиозных клеток сетчатки и клеток коленчатого тела На верхней осциллограмме показана сильная импульсация клетки с “оп”-центром при освещении центра поля, если свет падает на “off”-зону, то импульсация прекращается до тех пор, пока свет не выключат Внизу показана реакция клетки с “оп~”-центром (Хьюбель, 1974). |
Ганглиозные клетки сетчатки разряжаются в постоянном ритме даже при отсутствии всякого раздражения. Если частота импульсации ганглиозной клетки под воздействием света нарастает, то реакция называется “оп”-ответом, если импульса-ция падает, то говорят об “оп"”-отве-те. Отделы сетчатки, с которых вызываются эти реакции, соответственно называются “on”- и “off”-участками. В свою очередь, гангли-озные клетки, получающие информацию от этих клеток, делятся на клетки с “on”- и “off”-центрами (рис. 5.16). Клетки с “оп”-центрами имеют небольшой “on”-участок и окружающий его “offV-участок. Напротив, клетки с “offr-центрами
имеют центральный “offV-участок и “оп”-периферию (Kuffler, 1953).
Рецептивные поля ганглиозных клеток производят поточечное описание изображения на сетчатке. Если несколько рядом расположенных ганглиозных клеток активируются вместе, это приводит к их взаимному торможению, которое называется латеральным (боковым).