Сенсорный уровень отражения целого
Любое ощущение характеризуется модальными, пространственно-временными и энергетическими характеристиками. Модальность определяется типом рецептора. Положение действующего агента определяется в субъективной системе координат, связанной с телом человека, время действия агента оценивается в субъективной шкале времени. Ощущение возникает, если энергия агента достигает пороговой величины. Эта величина определяется не только интенсивностью и пространственно-временными характеристиками агента, но также состоянием рецептора в данный и предшествующие моменты, а также состоянием связанных с ним в данный момент рецепторов. Кроме того, результат ощущения в данный момент влияет на реакции рецептора в последующие моменты и на состояния окружающих рецепторов. Таким образом, уже в ощущении обнаруживается связь настоящего с прошлым и будущим, связь данного локуса (места) с окружающим пространством, т. е. проявляется одно из фундаментальных свойств психики — выход за пределы области пространственно-временного континуума непосредственного взаимодействия. Соотношение между объективными характеристиками стимула (агента) и субъективной величиной ощущения составляет сущность основного психофизического закона. Преобразования на сенсорном уровне неосознаваемы, автоматизированы и происходят без участия долговременной памяти.
Рецепторные элементы всех модальностей дискретны, множественны и объединены в рецепторные поля. Дискретность рецепторов обеспечивает пространственное микроквантование стимулов, а также и первичное микрообъединение стимулов, если их размеры оказываются меньшими размеров одного рецептора. Макрообъединение квазисвязных стимулов происходит уже на уровне рецептивных полей разных уровней.
Сенсорный процесс (так же как перцептивный и операторный) происходит при участии всех компонентов отражающей системы человека. Но роль различных подсистем в каждом из них неодинакова. Естественно, что в сенсорном процессе непосредственного контакта организма со средой роль периферических подсистем особенно велика. Рассмотрим в этой связи работу периферийной части зрительной системы — глаза.
Наличие нервных и моторных компонентов в структуре воспринимающих систем показано для всех модальностей. Кольцевая структура всех таких систем является общим психофизиологическим принципом. Механизмы глаза также имеют двойственную природу: содержат нейронный и мышечный компоненты, образующие единую функциональную систему, работа которой может быть адекватно описана только при рассмотрении нейромоторной системы глаза как единого целого. Характер преобразований, выролняемых периферическими отделами зрительной системы, определяется главным образом генетически заданной структурой Морфологические исследования на животных и моделирование преобразований информации многослойными нервными сетями позволили получить представление о характере и возможностях таких преобразований.
Сетчатка глаза позвоночных имеет сложную слоистую структуру. Световая энергия воспринимается палочками и колбочками — фоторецепторами. Отростки рецепторов образуют связи с биполярными клетками. Биполярные клетки в свою очередь связаны через внутренний синоптический слой с ганглиозными клетками. Аксоны ганглиозных клеток образуют зрительный нерв, по которому сигналы из сетчатки поступают в мозг. Связи между слоями носят конвергирующий характер: несколько рецепторов связаны с одним биполяром, а несколько биполяров — с одной ганглиозной клеткой. Число конвергирующих элементов увеличивается от центра к периферии. Таким образом, морфологически квантование изображения определяется не только наличием фоторецепторов, но и наличием рецептивных полей. Фоторецепторы, биполяры и ганглиозные клетки образуют прямой проводящий путь.
Кроме того, многие морфологи указывают на возможность суммации возбуждений в сетчатке с помощью интегративной системы. С помощью клеток различных типов может осущестляться широкое переключение (ассоциативные горизонтальные клетки, центрифугальные биполяры, волокна обратной связи из вышележащих отделов мозга) возбуждений центральной ямки, в частности, возможна широкая пространственная суммация возбуждений группы фовеальных колбочек. Интегративная система гораздо более развита в колбочковом аппарате, чем в палочковом.
Наличие в сетчатке конвергирующих соединений, а также большого числа горизонтальных связей на разных уровнях приводит к тому, что реакция каждой ганглиозной клетки зависит от освещенности не только топографически соответствующих ей фоторецепторов, но и от освещения соседних рецепторов, включая достаточно отдаленные. При этом сигналы с соседних участков могут как суммироваться, так и тормозить друг друга. В результате образуется сложная функциональная структура рецептивных полей ганглиозных клеток. Участок сетчатки, в пределах которого площадь взаимозаменяема с интенсивностью света, называют зоной полной суммации. Величина этой зоны зависит от места на сетчатке, яркости фона, длительности предъявления стимула. Суммационная способность увеличивается от центра к периферии. Так, в условиях темновой адаптации площадь полной суммации для палочек на два порядка превосходит таковую для колбочек. Зону полной суммации можно сопоставить с эффективной величиной рецептивного поля, т. е. с той его частью, где происходит суммация.
Наличие порогов контрастной чувствительности, пространственной и временной разрешающей способности приводит к квантованию изображения. Изображение разлагается на конечное число дискретных элементов. Наименьшие размеры этих элементов характеризуются параметром остроты зрения. Острота зрения есть функция многих переменных, главными из которых являются освещенность и расстояние от fovea. Своего максимума острота зрения достигает при оптимальной освещенности объекта и приходится на fovea.
В сетчатках позвоночных обнаружены рецептивные поля и даже отдельные их участки, по-разному реагирующие на стимул: on- и off-реакции. Благодаря этому животные и люди обладают повышенной чувствительностью к движущимся и изменяющимся объектам. Кроме того, обнаружены ганглиозные клетки с более узкой специализацией, избирательно реагирующие на отдельные свойства стимула: на направление движения, на кривизну границы и т. д.
Выше уже была описана структура сетчатки. Сетчатка — в основном параллельный преобразователь информации. Рассмотрим параллельные преобразования неподвижных двумерных изображений. Преобразования считаются параллельными, если отсутствует какое-либо сканирование в плоскости изображения. Параллельные преобразователи позволяют осуществить следующие преобразования изображений: а) усреднение (сглаживание), б) декорреляцию (дифференцирование), в) выделение контуров, г) выделение прямолинейных и криволинейных участков, а также особых точек контура. Благодаря этому они могут выполнять функции обнаружения общих и локальных минимумов и максимумов освещенности объекта, преобразований Фурье и Лапласа, вычисления взаимно-корреляционных функций и т. д.
Параллельная обработка информации уменьшает объем необходимой памяти, устраняет необходимость поэлементного считывания, вследствие чего резко сужается полоса частот в канале обработки. Параллельные преобразователи могут устранять некоторые помехи. Параллельные преобратели могут существенно изменять форму фигуры. С увеличением полей суммации первоначальная форма фигуры изменяется все значительнее: сглаживаются выступающие части, заполняются вогнутости, исчезают мелкие детали, в целом происходит сглаживание линии контура. Увеличение порога нейронных элементов преобразователя также приводит к изменению формы фигуры. В частности, если фигура имеет узкие перемычки, то они могут выпасть и фигура разделится на несколько отдельных частей. Наоборот, при увеличении полей суммации может произойти объединение близко расположенных частей в одну фигуру. При этом происходит уменьшение длины границы по сравнению с суммарной границей объединяемых частей.
Особым случаем параллельных преобразований является двухканальная переработка информации, когда в отличие от предыдущего случая однородных преобразователей каналы неодинаковы. Можно привести много примеров таких преобразователей (периферия и центр сетчатки, сетчаточный и моторный вход зрительной системы, каналы передачи специфической и неспецифической информации в ЦНС). Таковы в самых общих чертах структурные особенности и функциональные возможности параллельных преобразователей.
Движения глаз имеют сложный характер. Различают микро- и макродвижения. При восприятии неподвижных предметов макродвижения имеют дискретный, скачкообразный характер. Остановки (точки фиксации) чередуются со скачками. В точках фиксации глаз совершает микродвижения. При свободном рассматривании наиболее вероятна продолжительность фиксации от 0,2 до 0,8 секунды. Во время фиксации происходит выбор направлений и величины скачка. При скачке скорость движения глаз плавно нарастает, достигает максимума, а затем плавно уменьшается. Величина скачка обычно не превосходит 20°. Микродвижения выполняют деадаптирующую функцию. Макродвижения выполняют функцию слежения, транспортную функцию. Показана необходимость макродвижений при решении таких метрических задач, как определение величины отрезка, измерение расстояний, углов, определение пропорций, счет, что говорит об информационной функции макродвижений. Однако в целом вопрос о роли макродвижений глаз в приеме информации человеком остается дискуссионным.
Нейронные и моторные структуры зрительной системы функционируют в тесной взаимосвязи. В каждой точке фиксации на сетчатку проектируется оптический рельеф внешней среды. Каждому такому рельефу соответствует распределение напряжений в мышечных структурах глазодвигательной системы. В разных точках фиксации (при одном и том же объекте) эта мышечная реакция будет различной. Каждому объекту будет соответствовать свой моторный «рельеф». На модели, подтвержденной экспериментом [87], были получены моторные рельефы некоторых простых двумерных объектов. Оказалось, что моторный рельеф соответствует оптическому изображению, но не совпадает с ним. Это своего рода моторное отображение объекта влияет на маршрут его осмотра и распределение точек фиксации, а также на оценку уравновешенности объекта в зрительном поле.
Воспринимающая система любой модальности является сложной многопараметрической саморегулирующейся, самонастраивающейся системой. Ее параметры изменяются под действием установки и характеристик объектов в поле рецепции. Внутренними установками могут быть установки на концентрированное внимание, селективный отбор и другие. Внешними установками являются (для зрительной системы) освещенность, расстояние до объекта, его контрастность, сложность. Регулируемыми параметрами зрительной системы являются: диаметр зрачка (зрачковый рефлекс), кривизна хрусталика глаза (аккомодация), угол между оптическими осями глаз (конвергенция) — моторные параметры; светочувствительность (адаптация), величина рецептивных полей (разрешающая способность), размеры оперативного поля — сетчаточные параметры. Изменение параметров зрительной системы происходит рефлекторно благодаря действию многочисленных механизмов обратной связи. Существование таких связей на различных уровнях зрительной системы доказано морфологическими исследованиями.
Благодаря механизмам самонастройки при восприятии происходит согласование состояний отражающей системы с энергетическими и информационными характеристиками объекта. Как правило, механизмы самонастройки многоступенчаты и работают по различным принципам. Например, существует несколько механизмов адаптации глаза к освещенности: зрачковый рефлекс, ретиномоторный эффект, адаптационные процессы в фоторецепторах. Эти механизмы имеют различные пределы регулирования и временные характеристики.
Саморегуляция может быть произвольной, произвольно-непроизвольной и непроизвольной. В первом случае регулируемый параметр находится непрерывно под контролем сознания, во втором — контроль сознания может отключаться и регулирование происходит в такие моменты времени автоматически, в третьем случае контроль со стороны сознания вообще невозможен. Механизмы этих трех видов регулирования различны.
Значения регулируемых параметров, установившиеся при восприятии конкретного объекта, несут тем самым информацию об этом объекте. Так как эти состояния являются функциями интегральных характеристик визуального поля, то они тем самым отражают именно интегральные характеристики объекта восприятия. При изменении этих характеристик изменяются и значения регулируемых величин. Последовательность этих значений также несет информацию об объекте. Вместе с тем изменение регулируемых величин приводит к изменению состояния соответствующих частей зрительной системы, а через них в определенной степени — и к изменению состояния организма в целом.
Процессы настройки по отношению к информационным процессам консервативны, они имеют значительно большие постоянные времени, чем механизмы приема информации. Частое изменение установок настройки приводит к локальному и общему утомлению, снижает скорость и надежность переработки информации. Некоторые интегральные параметры объекта (например, такие, как освещенность и контрастность) должны быть не только стабильными, но и иметь оптимальные величины. Наличие отчетливых максимумов на гистограммах, приведенных на рис. 7, позволяет предполагать, что существуют оптимальные величины соотношения черного и белого в двуградационных изображениях и средней длины линии контура, приходящейся на единицу площади изображения.
Существуют оптимальные величины контраста, цветового тона и других параметров визуально воспринимаемых объектов. Существуют также оптимальные значения параметров и для стимулов других модальностей. Отклонение от оптимальных значении параметров объекта восприятия приводит к избытку или дефициту возбуждения в реагирующей системе и к функциональным сдвигам некоторых параметров вегетативной регуляции организма [88].
Описанные структуры и механизмы зрительной системы делают ее многофункциональной, позволяют субъекту осуществлять анализ и синтез оптического компонента окружающей среды. Хотя зрительная система всегда функционирует как единое целое, для различных уровней психического отражения отдельные ее свойства имеют доминирующее значение. Сенсорный уровень отражения — это уровень глобальной оценки свойств отражаемого пространства. Поэтому на этом уровне «работают» главным образом механизмы суммации, позволяющие проинтегрировать и усреднить внешние воздействия. На этом уровне, безусловно, проявляет себя и второе основное свойство нервной системы — ее способность реагировать на изменения Оно позволяет обнаруживать неоднородности оптических характеристик и производить еще грубое предварительное выделение границ объектов (сенсорный образ — расплывчатое, неоформленное пятно). К этому же уровню, по нашему мнению, относятся также настройки зрительной системы, которые могут быть осуществлены на основе тех интегральных характеристик поля рецепции, которые можно фиксировать без предварительного анализа этого поля. К сенсорным процессам мы относим и моторные реакции, обусловленные неоднородностью распределения оптических масс в перцептивном поле.
Помимо настройки на сенсорном уровне имеют место и феномены обучения. Обучение на этом уровне сводится к формированию первичных алфавитов и в значительной степени основано на фиксации статистики элементов стимула. Различные среды могут иметь отличающиеся статистики, поэтому при изменении среды может возникнуть необходимость в перестройке сенсорного алфавита.
При визуальном отображении ведущими являются пространственные характеристики. Пространственное строение сетчатки и моторики глаза во многом определяют структуру сенсорного зрительного поля. Сетчатка, имеющая радиально-кольцевую структуру (в первом приближении), определяет полярную систему координат глаза, две взаимно ортогональные пары мышц моторной системы определяют его прямоугольную систему координат. Экспериментальными исследованиями показано, что сенсорное поле неоднородно, варьирует в зависимости от возраста и индивидуальных характеристик [89], но общая пространственная его структура при этом сохраняется. По-видимому, именно этой двойственностью координатной системы глаза можно объяснить существование двух основных архитектурных канонов — прямоугольного и лучистого.
На сенсорном уровне происходит обнаружение объекта, выделяется граница между объектом и средой. В основе этой операции лежат объективные различия пространства объекта и фона, наличие изменений свойств сенсорного пространства на границе объект — среда. Повышенная чувствительность к изменениям обеспечивает выделение границы, наличие суммации обеспечивает пространственно-временное накопление энергии. На сенсорном уровне процессы анализа и синтеза в пространстве рецепторного поля еще не развиты: анализ сводится к выделению границы, синтез — к суммации.
На сенсорном уровне отражения обнаруживаются топологические свойства целостного стимула: связность, ограниченность, в известной степени компактность. Преобразования на сенсорном уровне непрерывны. Связность стимула на этом уровне отражения суть его непрерывность в пространстве или времени, отсутствие больших градиентов, фиксируемых разрывов непрерывности.
Таким образом, на сенсорном уровне отображения целостного объекта происходит его обнаружение и выделение из среды в системе координат субъекта, фиксация его топологических характеристик. Наряду с первичной переработкой информации об объекте осуществляется оценка некоторых интегральных характеристик по отношению к оптимальным значениям параметров настройки отражающей системы.