Сенсорные системы

1.2.Восприятие, ощущение, законы психофизики

Функционирование сенсорных систем является физиологической основой  ощущений и восприятия. Восприятие  или перцепция (от лат. perceptio – получение, понимание, познание) - одна из форм психической деятельности,  лежит в основе практически всех форм психики – памяти, эмоций, мотивов и др. Восприятие представляет собой совокупность процессов, посредством которых формируется субъективных образ объективно существующей реальности. Восприятие есть непосредственное отражение предмета (явления) в совокупности его свойств, в его целостности. Это отличает восприятие от  ощущения, которое также является непосредственным чувственным отражением, но лишь отдельных свойств предметов (явлений). Многообразие ощущений отображает качественное разнообразие окружающего мира. Предложены разные классификации ощущений. Например, в теории ощущений Б.Г. Ананьева выделено одиннадцать ощущений человека. Это – зрительные, слуховые, вибрационные, кожно-осязательные (тактильные), температурные, болевые, мышечно-суставные (кинестетические), равновесия и ускорения (статико-динамические), обонятельные, вкусовые, общеорганические (интероцептивные).

Изучение ощущений и восприятия проводится в психофизиологии и  различных разделах психологии, например в психофизике. Психофизика –наука об измерении ощущений человека, была основана немецким физиком, философом и психологом  Г. Фехнером в середине XIX века. Психофизика изучает отношения между параметрами стимулов и вызываемыми ими ощущениями, не рассматривая при этом промежуточных физиологических процессов. Иными словами, психофизика определяет возможности сенсорной системы по обнаружению, различению и опознанию различных стимулов.

Психофизический эксперимент, как правило, базируется на определенной ответной реакции человека  на предъявляемый стимул. При этом в большинстве случаев используется речевой отчет (например, «вижу- не вижу», « свет ярче- темнее», вкус «более сладкий - менее сладкий» и т. д.). Используют и другие виды реакций – двигательную ( например, нажатие пальцем кнопку при утвердительном ответе) или условно-рефлекторную реакцию (например, мигательный рефлекс при восприятии сигнала). В психофизических  исследованиях определяются пороги ощущений. Различают абсолютный и дифференциальный пороги.

Абсолютный  нижний (минимальный) порог характеризуется минимальной силой раздражителя, вызывающей едва заметное ощущение. В любой сенсорной системе раздражитель должен достигнуть определенного (зависящего от условий предъявления и состояния субъекта) минимума интенсивности, чтобы вызвать минимальное ощущение. Абсолютный верхний ( максимальный) порог определяется максимальной величиной раздражителя, которая вызывает соответствующее данному органу чувств ощущение, превышение  этого порога вызывает чувство боли. Диапазон между верхним и нижним абсолютными порогами называют диапазоном  чувствительности анализатора. Человеку присущи широкие диапазоны чувствительности. Например, в зрительной системе диапазон чувствительности составляет от 10^-6 до 10⁶  НИТ, т. е. в 10¹²  раз верхний порог отличается от нижнего, в слуховом анализаторе такое отличие составляет 10¹⁴.

При изменении  параметров раздражителя изменяются и  характеристики вызываемых им ощущений. Для оценки таких изменений, определения  способности к различению какого-либо признака сигнала

(например, различие светового сигнала  по яркости, звука по  громкости  и т.п.) используют показатель  дифференциального порога. Дифференциальный порог (также его называют разностным порогом)– это минимальное различие между двумя раздражителями одной модальности, вызывающее едва заметное различие в ощущениях. Под дифференциальным порогом понимается то минимальное приращение или уменьшение исследуемого физического параметра сигнала, которое может быть обнаружено наблюдателем. Этот показатель характеризуют разностную чувствительность анализатора. Дифференциальный порог часто обозначают латинским символом  DS. В ряде случаев бывает необходимо сравнить значения дифференциальных порогов для разных признаков сигнала одной модальности, либо аналогичные физические признаки сигналов разных модальностей (например, дифференциальные пороги по восприятию скороcти движения светового и звукового сигналов). Для такого сравнения используют относительный дифференциальный порог, который определяется как отношение DS|S.

Законы психофизики. При исследовании  количественных соотношений между параметрами стимулов и ощущениями были установлены закономерности, которые получили названия основных психофизических законов. Эти законы  характеризуют силовые отношения т.е. зависимость ощущения от интенсивности стимула, а также некоторые различительные возможности СС.

Основным  законом психофизики является закон  Вебера-Фехнера, предложенный в 19 веке. Немецкий физиолог  Э.Вебер изучал способность наблюдателей выполнять задания, связанные с необходимостью различать сигналы. Он  установил, что при различении  увеличения или уменьшения сенсорного стимула отношение различаемого  изменения (DS) к абсолютному значению величины стимула (S) является величиной постоянной: DS/S=const. Позднее Г. Фехнер показал, что соответствующая величине субъективного ощущения реакция человека (R)  на изменение параметров стимула пропорциональна логарифму величины стимула S. Объединенный закон Вебера- Фехнера описывается следующим уравнением : R=a log S +b, где «а « и «b» - постоянные величины, зависящие от модальности стимула. Из этого выражения очевидно, что ощущение меняется медленнее, чем возрастает стимул и возрастание силы раздражителя в геометрической прогрессии соответствует росту ощущения в арифметической прогрессии.

Если ощущение характеризуется через дифференциальный порог, то чем больше величина первого  раздражителя, тем больше должна быть к ней прибавка, чтобы эта разница  была ощутима. Например,  при  грузе  весом  500 г дифференциальный порог  составляет 5 г, а при грузе  - 10 кг дифференциальный порог - 500 г.

Долгое время  во многих областях практической деятельности психологи  пользовались законом  Вебера - Фехнера. В 30-е годы 20 столетия в связи с развитием радиотехники и телефонной связи, необходимостью определения параметров акустических систем, возрос интерес к тому, как человек воспринимает звуки. Выявилось определенное несоответствие восприятия звуков закону Вебера - Фехнера. С. Стивенс, который возглавлял психоакустическую лабораторию Гарвардского университета, объявил этот закон недействительным, так как определил степенную зависимость между величиной сигнала и величиной вызываемого им ощущения и сформулировал степенной закон. Согласно закону Стивенса , О= К Sⁿ , где О- ощущение, К - константа, зависящая от единиц измерения, S – стимул, n – величина, различная для разных модальностей стимула. Степенной закон получил подтверждение в исследованиях стимулов многих модальностях. В настоящее время большинство исследователей признают справедливость обоих рассмотренных законов, отмечая что закон Вебера –Фехнера справедлив, преимущественно для среднего диапазона чувствительности.

В восприятии сигналов большую роль играют их временные  параметры. По мере увеличения длительности предъявления стимула, абсолютный порог  его обнаружения снижается (закон  Бунзен-Роско). Вместе с тем это  снижение порога наблюдается лишь до определенных значений, и последующее  увеличение длительности стимула не сопровождается снижением абсолютного  порога. В зависимости от параметров стимула и сенсорной модальности  это критическое время составляет около 100- 200 мс. При надпороговом уровне интенсивности стимула увеличение длительности сигнала приводит к росту величины ощущения. Однако этот рост тоже ограничен во времени и с определенных значений  длительности величина ощущения начинает постепенно снижаться, что свидетельствует о снижении чувствительности СС к данному стимулу.

Снижение  чувствительности при длительном  воздействии стимула получило название адаптации. Сенсорная адаптация  это приспособительное изменение  чувствительности к интенсивности  действующего раздражителя. Функциональное значение адаптации заключается  в обеспечении  высокой разностной чувствительности в области, близкой  для адаптирующего раздражителя. Это может достигаться как  за счет увеличения, так и уменьшения абсолютной чувствительности, примером чего может служить зрительная темновая и световая адаптация. Адаптация характеризуется диапазоном изменения абсолютной чувствительности и скоростью протекания этого процесса.

В процессах  восприятия существенную роль играет пространственный фактор и порог  ощущения зависит от площади стимула (закон Рикко).При увеличении физических размеров приложенного сенсорного стимула снижается порог его обнаружения, что связано с увеличением количество возбужденных рецепторов.

Необходимо  отметить, что  пороги ощущений не являются величинами строго постоянными, на них  оказывает влияние множество  субъективных и объективных факторов. Определяемые величины порогов  зависят от индивидуальных особенностей человека, его функционального состояния, установки, мотивации. На оценку пороговых сигналов оказывает влияние окружающая обстановка: контекст, в котором предъявляется сигнал, какие сигналы предшествуют ему, что следует за ним, что служит фоном.

Понятие абсолютного и дифференциального порогов применимы и в изучении центральных сенсорных нейронов. В этом случае, абсолютный порог – минимальная интенсивность стимула, взывающая изменение частоты импульсов нейронов. Дифференциальный порог - это то минимальное изменение в данном параметре стимула, которое вызывает изменение в частоте импульсов сенсорного нейрона. Отношение между интенсивностью стимула и частотой импульсации нейрона преимущественно соответствует степенному закону. Тем не менее при средних величинах стимула эти соотношения могут быть описаны и логарифметической функцией.

Глава 2. Зрительная сенсорная  система

2.1.Свет  и его восприятие

Свет –  это электромагнитное излучение  с разными длинами волн. Цветовое зрение - это способность человека различать электромагнитные излучения  разных длин волн в пределах так  называемого видимого спектра т.е. приблизительно 370-760 нм. В физическом смысле свет – это электромагнитное излучение с различными длинами волн. Вместе с тем свет представляет собой поток дискретных частиц – фотонов или квантов. Человек воспринимает относительно узкий диапазон электромагнитных излучения, называемую видимым светом: от коротких около 370 нм (синяя часть спектра) до длинных около 750 нм (красная область спектра).  Электромагнитные излучения с волнами менее 300нм называют ультрафиолетовыми, а длинноволновые излучения (более 800нм) называют инфракрасными. Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи не воспринимаются глазом, который чувствителен только к полосе видимого света. Главные характеристики светового стимула – длина волны и интенсивность. Длина волны определяет окраску света, интенсивность – его яркость. Диапазон интенсивностей, воспринимаемых глазом человека, находится в пределах от 10^-6 до 10 ⁶  НИТ ( от порога восприятия до болевого порога).

Зрительная система обеспечивает возможность видеть, т.е. трансформировать световую энергию в отдельные  зрительные ощущения и целостные  образы. У человека зрение обеспечивает поступление свыше  80% всей информации об окружающем мире. Зрительные впечатления разнообразны - это цвет, яркость, размер, расположение объектов в пространстве, их форма, объем, движение.

Анализ функционирования  зрительной системы включает изучение целого ряда вопросов: строение основных зрительных структур, нейрофизиологические механизмы  и этапы переработки зрительной информации, зрительные функции и  явления. Зрительная система человека состоит из периферического отдела – глаза и его вспомогательных  органов, промежуточного –подкорковых зрительных центров и центрального - зрительной области в коре больших полушарий. Все уровни зрительной системы соединены между собой проводящими путями.

2.2.Периферический  отдел зрительной системы

Периферический  отдел зрительной системы включает глаз (глазное яблоко), вспомогательные  органы и зрительный нерв. Глаз имеет шаровидную форму, у него выделяют передний из задний полюсы. Передний полюс- это наиболее выступающая точка роговицы, задний полюс, расположен латерально от места выхода зрительного нерва. Условная линия, соединяющая оба полюса называется  наружной осью глаза, у взрослого человека она равна примерно 24 мм. Выделяют также внутреннюю зрительную ось глаза, проходящую от роговицы через середину хрусталика до центральной ямки. Глаз образован тремя оболочками.

Наружная  оболочка подразделяется на заднюю часть  белочную оболочку  (склеру ) и прозрачную переднюю часть – роговицу. Через заднюю часть склеры из глазного яблока выходит зрительный нерв. Прозрачная роговица является  выпукло-вогнутой линзой, через которую свет попадает внутрь глаза. Толщина роговицы около 1 мм, в ней очень много нервных окончаний, обеспечивающих ее высокую чувствительность, и нет кровеносных сосудов.

Под склерой  лежит сосудистая оболочка, у которой  выделяют три части : собственно сосудистую оболочку, ресничное тело и радужку. Собственно сосудистая оболочка образована сетью кровеносных сосудов, питающих  сетчатку. Кпереди она утолщается и переходит в ресничное тело, состоящее из гладкомышечных волокон. От ресничного тела к хрусталику отходят 70-75 ресничных отростков, переходящих в волокна цинновой связки, которая прикрепляется к хрусталику. Ресничное тело кпереди продолжается в радужку, которая расположена между роговицей спереди и хрусталиком сзади. Радужка в центре имеет отверстие - зрачок. В толще радужки есть две мышцы, сфинктер и дилятатор, которые соответственно сужают  и расширяют зрачок. Наличие в радужке клеток, содержащих пигмент меланин, обусловливает цвет глаз – карий (при наличии большого количества пигмента) серый, голубой, зеленоватый (если пигмента мало).

Внутренняя  оболочка глаза – сетчатка - подразделяется на две части – заднюю зрительную и переднюю ресничную. Последняя покрывает сзади ресничное тело и не  имеет светочувствительных элементов. Задняя - содержит фоторецепторные клетки – палочки и колбочки. Глубокий слой сетчатки, прилегающий к собственно сосудистой оболочке образован пигментными клетками. В сетчатке есть четыре типа нейронов – биполярные, горизонтальные, амакриновые и ганглиозные. Рецепторные клетки через посредство биполярных нейронов соединяются с ганглиозными нейронами, аксоны  которых сходятся в задней части глаза и образуют зрительный нерв. Место выхода зрительного нерва из сетчатки называют слепым пятном. В этой области палочки и колбочки отсутствуют. Латеральнее от  слепого пятна (на 4мм) располагается желтое пятно с центральной ямкой (fovea). В этой области сосредоточено большое количество колбочек.