Экспериментальные исследования сенсорных процессов

Основой знаний человека об окружающем мире являются ощущения – отражения свойств предметов объективного мира, возникающие у человека при их непосредственном воздействии на органы чувств. Они появляются в результате преобразования специфической энергии раздражителей в энергию нервных процессов организма. Физиологической основой ощущений является нервный процесс, стимулируемый действием того или иного раздражителя на адекватный анализатор, т.е. ощущение носит рефлекторный характер.

Афферентные системы нашего организма могут отображать состояние как окружающего нас внешнего мира, так и нашего собственного тела с большой или меньшей точностью, т.е. могут быть более или менее чувствительными. Чувствительностью называется способность организма запоминать и реагировать на воздействия среды, не имеющие непосредственного биологического значения, но вызывающие психологическую реакцию в форме ощущений. Все виды ощущений возникают в результате воздействия соответствующих стимулов-раздражителей на органы чувств – телесные органы, специально предназначенные для восприятия, переработки и хранения инфор-мации. Они включают рецепторы, нервные пути, проводящие возбуждения в мозг и обратно,
а также центральные отделы нервной системы человека, перерабатывающие эти возбуждения.

Для того чтобы в результате действия раздражителя на органы чувств возникло ощущение, необходимо, чтобы вызывающий его стимул достиг определенной величины. Эта величина называется нижним абсолютным порогом чувствительности (порог сознательного опознания раздражителя, при котором сила раздражителя минимальна и вызывает едва заметное ощущение).

Однако существует и другой, более “низкий” – физиологический порог чувствительности, отражающий предел чувствительности каждого рецептора, за которым уже не может наступить возбуждение (рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимость ощущения от величины стимула

Вполне понятно, что физиологический порог ощущений определен генетически и может изменяться только в зависимости от возраста или других физиологических факторов. Порог восприятия (сознательного опознания) менее стабилен. Он, кроме названных факторов, зависит также и от уровня бодрствования мозга, от его внимания к сигналу, который преодолел физиологический порог.

Между этими двумя порогами существует зона чувствительности, в которой возбуждение рецепторов влечет за собой передачу сообщения, но оно не доходит до сознания. В настоящее время существует гипотеза, что в зоне под уровнем сознания – в подпороговой зоне – сигналы, воспринятые органами чувств, возможно, обрабатываются низшими центрами нашего мозга. Если это так, то должны существовать ежесекундно сотни сигналов, которые проходят мимо нашего сознания, но тем не менее регистрируются на более низких уровнях. Такая гипотеза позволяет найти объяснение многим спорным явлениям. В особенности речь идет о перцептивной защите, подпороговом и экстрасенсорном восприятии, об осознании внутренней реальности в условиях, например, сенсорной изоляции или в состоянии медитации.

То, что раздражители меньшей силы (подпороговые) не вызывают возникновения ощущений, является биологически целесообразным. Кора в каждый отдельный момент из бесконечного количества импульсов воспринимает лишь жизненно актуальные, задерживая все остальные, в том числе импульсы от внутренних органов. Нельзя представить себе жизнь организма, у которого кора больших полушарий одинаково воспринимала бы все импульсы и обеспечивала на них реакции. Это привело бы организм к неминуемой гибели. Именно кора больших полушарий стоит на страже жизненных интересов организма и, повышая порог своей возбудимости, превращает неактуальные импульсы в подпороговые, избавляя тем самым организм от ненужных реакций.

Однако подпороговые импульсы не безразличны для организма. Подтверждением этому служат многочисленные факты, полученные в клинике нервных болезней, когда именно слабые, подкорковые раздражители из внешней среды создают в коре больших полушарий доминантный очаг и способствуют возникновению галлюцинаций и “обмана чувств”. Подпороговые звуки могут восприниматься больным как сонм навязчивых голосов при одновременном полном безразличии к настоящей человеческой речи; слабый, еле заметный луч света может вызвать галлюцинаторные зрительные ощущения различного содержания; еле заметные тактильные ощущения – от контакта кожи с одеждой – ряд извращенных острых кожных ощущений.

Переход от невоспринимаемых стимулов, не вызывающих ощущения, к воспринимаемым происходит не постепенно, а скачкообразно. Если воздействие уже почти достигло порогового значения, то достаточно бывает незначительно изменить величину действующего стимула, чтобы он из полностью невоспринимаемого превратился в полностью воспринимаемый.

Вместе с тем даже весьма существенные изменения величины стимулов в пределах допорогового диапазона не порождают никаких ощущений, за исключением рассмотренных выше субсенсорных стимулов и соответственно субсенсорных ощущений. Точно так же заметные изменения значений достаточно сильных, запороговых стимулов могут не вызывать никаких перемен в уже имеющихся ощущениях.

Итак, нижний порог ощущений определяет уровень абсолютной чувствительности данного анализатора, связанной с сознательным опознанием стимула. Между абсолютной чувствитель-ностью и величиной порога существует обратная зависимость: чем меньше величина порога, тем выше чувствительность данного анализатора. Это отношение можно выразить формулой

,

где Е – чувствительность; RL – абсолютный порог чувствительности.

Наши анализаторы обладают различной чувствительностью. Так, порог одной обонятельной клетки человека для соответствующих пахучих веществ не превышает 8 молекул. Однако чтобы вызвать вкусовое ощущение, требуется, по крайней мере, в 25000 раз больше молекул, чем для создания обонятельного ощущения.

Очень высока чувствительность зрительного и слухового анализатора. Человеческий глаз, как следует из опытов С.И. Вавилова (1891–1951), способен видеть свет при попадании на сетчатку всего 2–8 квантов лучистой энергии. Это значит, что мы способны были бы видеть в полной темноте горящую свечу на расстоянии до 27 километров. В то же время, для того чтобы мы ощутили прикосновение, необходимо в 100–10 000 000 раз больше энергии, чем при зрительных или слуховых ощущениях.

Для каждого вида ощущений существуют свои пороги. Некоторые из них в описательном плане представлены в таблице 3.

Таблица 3. Средние значения абсолютных порогов возникновения ощущений для разных органов чувств человека

Орган чувств	Величина абсолютного порога ощущения, представленная в виде условий, при которых возникает едва заметное ощущение данной модальности
Зрение	Способность воспринимать ясной темной ночью пламя свечи на расстоянии до 48 км от глаза
Слух	Различение тикания ручных часов в полной тишине на расстоянии до 6 метров
Вкус	Ощущение присутствия одной чайной ложки сахара в растворе, содержащем 8 л воды
Запах	Ощущение наличия духов при лишь одной капле их в помещении, состоящем из 6 комнат
Осязание	Ощущение движения воздуха, производимого падением крыла мухи на поверхность кожи с высоты около 1 см

Абсолютная чувствительность анализатора характеризуется не только нижним, но и верхним абсолютным порогом чувствительности (максимальная сила раздражителя, при которой еще возникает адекватное действующему раздражителю ощущение). Дальнейшее увеличение силы раздражителей, действующих на наши рецепторы, вызывает в них лишь болевое ощущение (например, сверхгромкий звук, слепящая яркость). Величина абсолютных порогов, как нижнего, так и верхнего, изменяется в зависимости от различных условий: характера деятельности и воз-раста человека, функционального состояния рецептора, силы и длительности раздражения и т.п.

С помощью органов чувств мы можем не только констатировать наличие или отсутствие того или иного раздражителя, но и различать их по силе и качеству. Минимальное несходство между двумя раздражителями, вызывающее едва заметное различие ощущений, называется порогом различения, или разностным порогом чувствительности (обозначается DL).

В обратной пропорциональной зависимости от разностного порога чувствительности находится так называемая «разностная чувствительность», обозначаемая Еd: она тем выше, чем ниже этот порог:

.

Немецкий физиолог Э. Вебер (1795–1878), проверяя способность человека определять более тяжелый из двух предметов в правой и левой руках, установил, что разностная чувствительность относительна, а не абсолютна. Это значит, что отношение добавочного раздражителя к основному должно быть величиной постоянной. Так, если на руке лежит груз в 100 граммов, то для возникновения едва заметного ощущения увеличения веса необходимо добавить около 3,4 грамма. Если же вес груза составляет 1000 граммов, то для возникновения ощущения едва заметного различия нужно добавить около 33,3 грамма. Таким образом, чем больше величина первоначаль-ного раздражителя, тем больше должна быть и прибавка к ней.

С разностным порогом связан и оперативный порог различимости сигналов – та величина различия между сигналами, при которой точность и скорость различения достигают максимума.

Порог различения для разных органов чувств неодинаков, но для одного и того же анализа-тора он является постоянной величиной. Для зрительного анализатора эта величина представляет собой отношение приблизительно 1/100, для слухового – 1/10, для тактильного – 1/30. Экспериментальная проверка данного положения показала, что оно справедливо только для раздражителей средней силы.

Сама постоянная величина, выражающая отношение того приращения раздражителя к его исходному уровню, которое вызывает ощущение минимального изменения раздражителя, получила название константы Вебера. Ее значения для некоторых органов чувств человека приведены в таблице 4.

Таблица 4. Значение константы Вебера для разных органов чувств

Вид ощущений	Значение константы Вебера
Ощущение изменения: высоты звука	0,003
яркости света	0,017
веса предметов	0,020
громкости звука	0,100
давления на поверхность кожи	0,140
вкуса соляного раствора	0,200

Этот закон постоянства величины приращения раздражителя независимо друг от друга был установлен французским ученым П. Бугером и немецким ученым Э. Вебером и получил название “закона Бугера – Вебера” – психофизический закон, выражающий постоянство отношения прира-щения величины раздражителя, породившего едва заметное изменение силы ощущения к его исходной величине:

(const),

где R – исходная величина раздражителя; D R – его приращение; К – константа.

Исследуя зависимость, которая существует между изменениями силы воздействующих на органы чувств человека раздражителей и соответствующими изменениями величины ощущений,
и учитывая экспериментальные данные Вебера, немецкий физик Г. Фехнер (1801–1887) выразил зависимость изменения интенсивности ощущений от силы раздражителя следующей формулой

E_d = с lg r,

где E_d – разностная чувствительность; c – константа перехода от натуральных логарифмов к десятичным; r – отношение величины действующего раздражителя (R) к величине абсолютного порога чувствительности RL, т.е.

.

Согласно этому положению, которое носит название основного психофизического закона, интенсивность ощущения пропорциональна логарифму силы раздражителя (величины стимула) – это закон Вебера – Фехнера. Иначе говоря, при возрастании силы раздражителя в геометрической прогрессии интенсивность ощущения увеличивается в арифметической прогрессии. Существует также и закон Стивенса – один из вариантов основного психофизического закона, предполагаю-щий наличие не логарифмической, а степенной функциональной зависимости между величиной стимула и силой ощущения:

S = K Iⁿ,

где S – сила ощущения; I – величина действующего стимула; К и n – константы.

Спор о том, какой из законов лучше отражает зависимость раздражителя и ощущения, так и не завершился успехом той или другой из ведущих дискуссию сторон. Однако имеется общее у этих законов: и тот и другой утверждают, что ощущения меняются непропорционально силе физических стимулов, действующих на органы чувств, и сила этих ощущений растет гораздо медленнее, чем величина физических стимулов.

Так, например, для того чтобы сила ощущения, имеющего условную исходную величину 0, стала равной 1, необходимо, чтобы величина первоначально вызвавшего его раздражителя воз-росла в 10 раз. Далее, для того чтобы ощущение, имеющее величину 1, возросло в три раза, нужно, чтобы исходный раздражитель, составляющий 10 единиц, стал равным 1000 единицам, и т.д.,
т.е. каждое последующее увеличение силы ощущения на единицу требует усиления раздражителя в десять раз.

Разностная чувствительность, или чувствительность к различению, также находится в обратной зависимости к величине порога различения: чем порог различения больше, тем меньше разностная чувствительность. Понятие разностной чувствительности используется не только для характеристики различения раздражителей по интенсивности, но и по отношению к другим особенностям некоторых видов чувствительности. Например, говорят о чувствительности к различению форм, размеров и цвета зрительно воспринимаемых предметов или о звуковысотной чувствительности.

Впоследствии, когда изобрели электронный микроскоп и провели исследования электрической активности отдельных нейронов, оказалось, что генерация электрических импульсов подчиняется закону Вебера – Фехнера. Это свидетельствует о том, что данный закон своим происхождением обязан в основном электрохимическим процессам, происходящим в рецепторах и преобразующим воздействующую энергию в нервные импульсы.

2.1.1 Методы определения абсолютных порогов чувствительности¹

Одним из методов определения абсолютных порогов чувствительности является метод минимальных изменений, или метод границ. Его содержание отражено в названии: выбранный континуум стимулов необходимо предъявлять таким образом, чтобы дискретные значения этого континуума отличались друг от друга на минимально возможную величину. Предъявление стимулов чередуют то в возрастающем, то в убывающем порядке. Для каждой последовательности предъявления стимулов определяют границу смены ответов (типа “да/нет”, “вижу/не вижу”). Обычно измерение порога начинают с убывающего ряда стимулов, приняв за исходное значение величину отчетливо воспринимаемого стимула. Считают, что порог, т.е. величина стимула, при которой произошла смена ответов испытуемого, находится в середине межстимульного интервала – между стимулом, который еще воспринимается, и тем, который уже не воспринимается. Аналогично определяют порог и для возрастающего ряда стимулов. Границы смены категории ответов в восходящих и нисходящих рядах стимулов чаще всего не совпадают. Это происходит вследствие возникновения у испытуемого так называемых систематических ошибок – ошибок привыкания и ожидания. Каждую восходящую и каждую нисходящую последовательность стимулов повторяют в одном опыте от 6 до 15 раз. За абсолютный порог чувствительности RL принимают среднее арифметическое значение величин всех найденных в процессе исследования порогов появления и исчезновения:

,

где RL – средний абсолютный порог чувствительности; L – значение порога в каждом стимульном ряду – как восходящем, так и нисходящем; N – общее число стимульных рядов.

Вариативность ответов испытуемого оценивают с помощью среднеквадратичного отклонения s. Ошибку, которую приходится допускать, если найденную в опыте оценку абсолютного порога рассматривать как истинное его значение, называют стандартной ошибкой среднего значения:

,

где s _RL – среднее квадратичное отклонение значения RL; N – объем выборки.

Другим методом, используемым для определения абсолютного порога чувствительности, является метод постоянных раздражителей, или метод констант. Он требует проведения предварительного опыта, цель которого – в ориентировочном определении пороговой зоны (такой диапазон интенсивности раздражителя, на границах которого испытуемый практически всегда начинает или перестает ощущать воздействие стимула). Выявленный в опыте диапазон пороговой зоны разделяют на равное, желательно нечетное, число интервалов интенсивности
(от 5 до 9). Поэтому все разности между величинами всех стимулов в пороговой зоне одинаковы. В течение всего опыта эти выбранные интенсивности остаются неизменными (отсюда и название метода – “метод констант”). Во время проведения опыта стимулы разной интенсивности предъяв-ляют в случайном порядке, причем стимулы каждой интенсивности обязательно предъявлять одинаковое число раз.

При обработке экспериментальных данныхдля определения абсолютного порога чувствитель-ности целесообразно придерживаться следующей последовательности.

1. Сосчитать частоту положительных ответов для каждого постоянного стимула.

2. Перевести абсолютные частоты ответов в относительные (f) путем деления числа положи-тельных ответов на количество предъявлений данного стимула.

3. Построить систему координат, на оси абсцисс которой отложить интенсивности воздей-ствовавшего стимула, а на оси ординат – относительные частоты положительных ответов испы-туемого f – от 0 до 1.

4. Нанести на график экспериментально полученные значения f для всех интенсивностей стимула и экспериментальные точки соединить с помощью отрезков прямых линий.

5. Из точек на оси ординат, соответствующих частоте положительных ответов (f = 0,50, f = 0,25 и f = 0,75), параллельно оси абсцисс провести прямые линии до пересечения их с эксперимен-тальной кривой и обозначить точки пересечения соответственно 1, 2 и 3.

6. Путем проекции точки 1 на ось абсцисс найти на ней величину медианы, а путем проекции точек 2 и 3 – значение полуквартильных отклонений. Величина Me (проекция точки 1) будет соответствовать абсолютному порогу чувствительности, a Q ₂ и Q ₃ (проекции точек 2 и 3) – зоне неуверенных ответов испытуемых.

Большей точности при графическом определении медианы и полуквартильных отклонений можно достичь путем построения кривой накопленных частот.

Когда результаты исследования подчиняются закону нормального распределения, в качестве меры абсолютного порога и меры точности результатов можно использовать значения средней арифметической величины М и среднего квадратичного отклонения s.

И, наконец, для определения абсолютного порога чувствительности используют метод средней ошибки. Однако применение его целесообразно только в тех случаях, когда есть возмож-ность непрерывно (плавно) изменять предъявляемый стимул. При измерениях по данной методике испытуемый сам регулирует величину стимула. Начиная от первоначально вызвавшей у него отчетливое ощущение, он плавно снижает интенсивность стимула до тех пор, пока не установит такое ее значение, при котором он впервые утрачивает ощущение его воздействия. Если опыт начинается с явно неощущаемой интенсивности стимула, то испытуемый должен найти такое ее значение, при которой ощущение появляется.

При обработке полученных результатов в качестве показателей абсолютного порога чувстви-тельности используют меры центральной тенденции – медиану Me и среднюю арифметическую величину М.

2.1.2 Методы определения разностных порогов чувствительности¹

Прежде всего остановимся на особенностях использования метода минимальных изменений, или метода границ, в целях определения разностных порогов. Хотя вся процедура в основном остается такой же, как и при измерении абсолютного порога, в нее необходимо внести некоторые изменения. Главное из них связано с тем, что определение разностного порога предполагает выбор эталонного стимула среди континуума сверхпороговых стимулов. По отношению к нему и прово-дят сравнение всех остальных стимулов. Сравнение эталонного и остальных, т.е. переменных, стимулов можно осуществлять последовательно или одновременно. В первом случае сначала предъявляют эталонный стимул, а во втором – эталонный и сравниваемый с ним переменный стимулы вместе. Использование метода границ для определения разностных порогов требует учета не двух, а трех категорий ответов испытуемого: “больше”, “меньше” и “равно”. При обработке экспериментальных данных для каждого стимульного ряда находят рубеж между сменой категорий ответов, а именно от “меньше” к “равно” и от “равно” к “больше”. Усредняя значения интенсивностей стимулов, соответствующие интервалам между этими границами (совместно для нисходящих и восходящих рядов стимуляции), получают средние значения “верхнего” (для ответов “больше”) и “нижнего” (для ответов “меньше”) порогов чувствитель-ности. Разность между ними определяет интервал неопределенности, т.е. ту зону стимульного ряда, в которой преобладают ответы “равно”. Величина интервала неопределенности, разделенная пополам, дает нам искомое значение разностного порога чувствительности.

Стимул, находящийся в средней точке интервала неопределенности, всегда оценивается испытуемым как равный эталону, т.е. выступает как субъективный эквивалент эталона. Величину данного стимула вычисляют как полусумму верхнего и нижнего порогов. В психофизике она получила название точки субъективного равенства. Поскольку точка субъективного равенства не совпадает с величиной объективного эталона, то разность между той и другой указывает на объем постоянной ошибки испытуемого. При переоценке испытуемым эталона постоянная ошибка имеет положительное значение, при недооценке – отрицательное.

Основные предпосылки при определении разностных порогов методом постоянных раздражителей, или методом констант, остаются теми же, что и при определении абсолютного порога чувствительности. Однако естественно, что разностный порог определяется по отношению к произвольно выбранному стандартному стимулу сверхпороговой интенсивности. В процессе измерений можно пользоваться планом эксперимента, согласно которому от испытуемого требуются две категории ответов (и “больше”, и “меньше”, чем эталон). Но можно использовать и другой план, предусматривающий три категории ответов (аналогично методу границ). Однако второй вариант методики используют реже, поскольку наличие в нем третьей категории ответов (“равно эталону”) способствует предпочтению испытуемыми именно этой категории, что приводит к снижению точности результатов измерения. С целью обработки экспериментальных данных, полученных с использованием лишь двух категорий ответов (“больше” и “меньше”), строят психометрическую кривую аналогично тому, как это было описано для измерения абсолютных порогов этой же методикой.

Для характеристики результатов измерения разностных порогов прибегают к мерам центральной тенденции – медиане Me и средней арифметической величине М, а в качестве меры изменчивости – полуквартильным отклонениям Q ₁ и Q ₃ и среднеквадратичному отклонению s. При измерении разностных порогов методом констант медиана равна точке субъективного равенства, а постоянная ошибка испытуемого – разности между значениями медианы и эталонной величины стимула. Разностный порог чувствительности в таком эксперименте соответствует половине интервала неопределенности. Он вычисляется с помощью полуквартильных отклонений:

.

Следовательно, разностный порог чувствительности характеризуется мерой разброса экспери-ментальных данных.

При измерении разностного порога чувствительности методом средней ошибки испытуемому предъявляют одновременно два стимула – эталон и переменный, причем величину переменного стимула испытуемый изменяет самостоятельно. Аппаратура должна обеспечивать плавную регулировку измеряемого параметра переменного стимула. Задача испытуемого состоит в подравнивании переменного стимула к эталону. Для вычисления разностного порога испытуемый должен произвести множество подравниваний, что дает возможность рассчитать среднюю арифметическую величину М и среднее квадратичное отклонение s точности подравнивания.

В эксперименте с использованием метода средней ошибки величина разностного порога чувствительности в значительной степени зависит от формулировки инструкции, даваемой испытуемому. Ему можно предложить подравнивать переменный стимул относительно эталона, сказав, что переменный будет, например, всегда меньше (или всегда больше), чем эталон. В этом случае чаще всего средняя арифметическая величина результатов измерения окажется смещенной относительно эталонной величины стимула. Разностный порог чувствительности тогда будет определяться разностью между величиной эталона и средней арифметической всех измерений. Однако этот способ измерения разностного порога чувствительности недостаточно точен, поскольку при расчете оказывается учтенной лишь одна часть интервала неопределенности,
в котором находится порог чувствительности. Поэтому чаще всего испытуемому дают иную инструкцию, а именно “найти равенство между переменным и эталонным стимулами”.

При попеременном подравнивании значительно больших и меньших, чем эталон, переменных стимулов получаем бимодальное распределение результатов измерения. Раздельный расчет и анализ значений средней арифметической величины М и среднего квадратичного отклонения s для подравнивания, где переменный стимул был больше и меньше эталона, позволяет определить интервал неопределенности, а половина этого интервала будет характеризовать величину разност-ного порога чувствительности.