Содержание к диссертации
Введение
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. Категориальные и конфигурационные механизмы различения формы
Глава 1. Пространственная модель различения изображений 7
Глава 2. Специфика церебральных механизмов, сопровождающих различение зрительной формы 12
Глава 3. Кодирование в нервной системе конфигурационных и категориальных особенностей формы объекта 17
Эмпирическое исследование 26
Глава 4. Методика исследования 28
Глава 5. Результаты исследования различения линий 38
Глава 6. Результаты исследования различения схематических лиц 54
Глава 7. Результаты исследования различения циферблатов часов 78
Обсуждение результатов и выводы 98
Библиография
- Пространственная модель различения изображений
- Специфика церебральных механизмов, сопровождающих различение зрительной формы
- Результаты исследования различения линий
- Результаты исследования различения схематических лиц
Введение к работе
Настоящее исследование опирается на основные положения векторного подхода к зрительному восприятию и другим когнитивным процессам. Теория Е.Н. Соколова была разработана автором как универсальная модель векторного кодирования информации в нервных сетях [Соколов, 1995]. Векторное кодирование стимулов участвует в управлении внешними реакциями, ассоциативном обучении, а также в образной и семантической памяти. Рассмотрим более подробно восприятие внешнего мира с точки зрения теории векторного кодирования.
Информация в нервной системе обрабатывается с помощью нескольких анализаторных блоков, связанных между собой: рецепторов, предетекторов и детекторов. Нейроны каждого блока обладают специфическими свойствами. Изменение активации рецептора в зависимости от специфичности воздействия стимулов можно представить в виде распределения Гаусса [Фомин, Соколов, Вайткявичус, 1979]. Реакция предетектора характеризуется косинусоидой, т.е. при одних характеристиках стимула возбуждение предетектора соответствует положительной волне, а при других - отрицательной. Отрицательные и положительные характеристики разнесены по двум разным каналам. Следовательно, для реализации активности одного детектора необходимо два предетектора. Детекторы селективно настроенными на определенный параметр стимула.
Согласно этой векторной модели, воспринимаемый стимул воздействует на набор рецепторов, которые преобразуют и передают сигнал о внешнем воздействии, ансамблю предетекторов. В каждом из предетекторов возникает некоторое возбуждение. Комбинация нескольких таких возбуждений образует вектор возбуждения. Таким образом, каждый воспринимаемый стимул представляет собой в нервной системе специфический вектор возбуждения. Компоненты этого вектора отражают активность нейронов ансамбля предетекторов. Ансамбль предетекторов - это группа клеток, которые имеют общий вход и конвергируют на группе нейронов детекторов. Элементы ансамбля предетекторов обладают различной чувствительностью к определенному параметру стимула, что приводит к формированию специфического вектора возбуждения. В результате преобразований сигнала в нервной системе [Соколов, 1995] все векторы возбуждения становятся равными по длине, и при кодировании стимула значение имеет только направление вектора возбуждения.
Ансамбль предетекторов связан с детекторами синаптическими контактами, число синапсов равно количеству предетекторов. Эти синапсы задают направление вектора связей этого детектора. Реакция детектора определяется суммой попарных произведений векторов возбуждения и векторов связей. Схематично детектор можно представить как нейрон, 4 имеющий несколько входов, по которым поступают сигналы от нижележащих уровней: рецепторов и предетекторов. Каждый из входов обеспечивает детектор независимой информацией, т.е. активность одного входа нельзя предсказать на основе значение активности любого другого входа. Детектор избирательно настроен на стимул, вектор возбуждения которого совпадает по направлению с вектором связей.
Как уже говорилось, при действии стимула в предетекторах возникает вектор возбуждения, а на карте детекторов появляется «рельеф возбуждения» с максимумом на том детекторе, вектор связей которого имеет то же направление, что и вектор возбуждения. При изменении стимула этот рельеф изменяется, и максимум возбуждения перемещается на тот детектор, вектор связей которого теперь совпадает с новым вектором возбуждения.
Восприятие стимула приводит к максимальной активации селективного детектора относительно других детекторов, что связано с кодированием номером канала. При этом номер максимально возбужденного детектора определяет то ощущение, которое вызывает кодируемый параметр сигнала: яркость, цвет, длину и толщину линии, направление движения. Если два стимула вызывают максимальное возбуждения одного и того же детектора, то они субъективно не различаются по данному параметру. Кодирование номером канала является параллельным процессом обработки информации, наряду с которым в нервной системе также присутствует последовательное кодирование простых признаков данного образа. При этом происходит последовательная активация отдельных детекторов, за счет чего строиться целостный образ внешнего стимула.
Все множество стимулов, воздействующих на данный нейронный ансамбль можно представить точками на сферической поверхности в перцептивном пространстве, размерность которого определяется числом независимых нейронов предетекторов. Сферическая поверхность отображения стимулов представлена совокупностью концов равных по длине векторов возбуждения, и каждому внешнему стимулу соответствует точка на сферической поверхности. При изменении стимула направление вектора возбуждения меняется и его конец занимает другое положение на сфере. Сферу формируют концы векторов возбуждения, которые активируют детекторы.
В предложенной модели кодирование стимула осуществляется отображением физического (стимульного) пространства на поверхность сферы (субъективное пространство). Стимул с определенным значением параметра представлен точкой на поверхности этой сферы. При изменении стимула точка, представляющая стимул, в соответствии с изменением направления вектора возбуждения перемещается по сфере. Множество физических стимулов проецируется на поверхность сферы, представляющей перцептивное пространство стимулов.
Субъективные различия между стимулами основываются на нейрональных различиях. Различия между стимулами в рамках данного подхода представлены евклидовыми расстояниями между концами, соответствующих им векторов возбуждения. Это расстояние пропорционально евклидовому расстоянию между детекторами, в которых при действии стимулов возникают максимумы возбуждения. Модуль разности векторов возбуждения равен различию между стимулами. Мерой субъективного расстояния является хорда между точками данной сферы.
На основе характеристик предетектров можно рассчитать субъективные различия между стимулами, и, наоборот, по субъективным расстояниям между стимулами можно найти характеристики предетекторов. Чтобы оценить субъективное расстояние между стимулами, необходимо найти создаваемые ими векторы возбуждения и определит положение точек на сфере, соответствующих сравниваемым стимулам. Далее определить кратчайшее расстояние между стимульными точками, которое будет соответствовать величине угла между векторами возбуждения [Соколов, Вайткявичус, 1989]. Различие между стимулами в нервной системе определяется через разность векторов возбуждения.
Так как субъективные различия между стимулами измеряются евклидовыми расстояниями между концами их векторов возбуждения, то по матрице субъективных различий между стимулами можно найти вектора возбуждения, которые эти различия определяют. Каждый стимул можно представить набором чисел, равных субъективным отличиям его от всех других исследуемых стимулов. Вычислив матрицу попарных различий между стимулами, можно описать каждый стимул как точку в сферическом пространстве данных стимулов.
Путем обработки матрицы субъективных различий между стимулами методом многомерного шкалирования было построено субъективное цветовое пространство [Измайлов, Соколов, Черноризов, 1989]. Многомерное шкалирование основывается на положении о том, что различение стимулов определяется расхождением по ограниченному числу простых субъективных признаков. Этот метод дает возможность найти минимальное число субъективных признаков, определяющих различение стимулов, и вычислить их значение. Многомерное шкалирование позволяет определить физический коррелят для заданного субъективного признака стимула, т.е. взять за основу не физическую, а психологическую характеристику стимула [Терехина, 1986; Torgerson, 1985]. Решение задачи многомерного шкалирования основано на введении понятия психологического пространства, точки которого представляют исходные стимулы, а координаты пространства соответствуют простым субъективным признакам. Расстояния между точками в пространстве есть функция субъективного различия. Метод многомерного шкалирования позволил интерпретировать оси субъективного пространства в терминах психофизических характеристик и нейрофизиологических каналов преобразования информации.
Точки-стимулы расположены в перцептивном пространстве неравномерно, они все лежат в тонком сферическом слое на одинаковом расстоянии от центра сферы. При этом декартовы координаты перцептивного пространства определяются вкладом возбуждений нейронных каналов, участвующих в механизмах восприятия сигнала, а сферические (угловые) координаты совпадают с его субъективными характеристиками. В такой сферической модели объединяются физиологические характеристики нейронных каналов с феноменологией восприятия [Измайлов, Соколов, Черноризов, 1989; Osgood, 1966]. В сферической модели даже простейшие признаки изображения кодируются по крайней мере двумя переменными, образующими вектор возбуждения. На ряду с перцептивным пространством существуют взаимодействующие с ним мнемическое и семантическое пространства. Способ получения мнемического или семантического пространств такой же, как при построении пространства восприятия. Это зависит от того различия, которое необходимо определять испытуемому между двумя стимулами.
Таким образом, многомерное шкалирование матрицы попарных различий между исследуемыми стимулами позволяет анализировать и интерпретировать различение данного набора стимулов в терминах векторной модели когнитивных процессов. Матрица попарных различий может быть получена с помощью разных экспериментальных исследований: психофизических, электрофизиологических и нейрофизиологических. В психофизическом эксперименте испытуемые оценивают различия между стимулами, и, в результате, получается матрица субъективных различий. В электрофизиологических и нейрофизиологических исследованиях различия между стимулами получают при непосредственной регистрации электрической или импульсной активности мозга. Ниже мы рассмотрим экспериментальные исследования восприятия различных характеристик стимулов, в том числе зрительной формы.
Пространственная модель различения изображений
Согласно многомерной модели восприятия стимулов процесс различения зрительных стимулов осуществляется путем избирательной активации цепочки нейронов, количество которых определяет размерность перцептивного пространства данных конфигураций. Такие многомерные модели стимулов построены методом многомерного шкалирования или факторного анализа.
Схему векторного кодирования стимула можно проверить как напрямую, с помощью микроэлектродных исследований реакции отдельных нейронов, образующих ансамбль, так и психофизиологическими методами. Психофизиологический метод основан на предположении, что субъективное различие между стимулами, непосредственно воспринимаемыми испытуемым, пропорционально евклидову расстоянию между концами векторов возбуждения, порождаемых этими стимулами в ансамбле нейронов. Такой подход позволяет по матрице субъективных различий между стимулами найти те векторы возбуждения, которые эти стимулы представляют. Многомерное шкалирование в отличие от обычного подхода требуется определение истинной размерности пространства, которая определяется числом предетекторов. Кроме того, ориентация базисных осей не может быть выбрана произвольно, а должна соответствовать реакциям нейронов, образующих ансамбль. Из предположения относительно нормировки векторов возбуждения в нейронных сетях следует, что векторы, рассчитанные из матрицы субъективных различий, должны быть равны по длине. Проверка следствий, вытекающих из принципа векторного кодирования, была выполнена с использованием цветовых стимулов разной длины волны и интенсивности [Izmailov, Sokolov, 1991].
Были проведены многочисленные психофизические исследования зрительного восприятия различных характеристик стимулов. В этих исследованиях для обработки данных в основном применялся метод многомерного шкалирования [Терехина, 1973; 1986; Измайлов, Соколов, Черноризов, 1989], который использовался как способ построения перцептивного пространства исследуемого набора стимулов. В качестве исходных данных для многомерного шкалирования использовали матрицы попарных сходств или различий между всеми исследуемыми стимулами. В указанных исследованиях рассматривали элементы зрительной формы (линии, углы), а также фигуры и сложные зрительные паттерны (машины, деревья, дома, люди, человеческие лица). Во всех этих исследованиях была сделана попытка сопоставить физические характеристики стимулов с субъективными (психологическими), которые выделяются испытуемым.
Психофизические исследования формы были направлены на выявление субъективных характеристик восприятия элементов формы или целостного зрительного паттерна. При исследовании линий разной ориентации по субъективным оценкам было построено двухмерное пространство различения линий [Измайлов и др., 1988; Izmailov, Sokolov, 1990; Izmailov, Davidova, 1993; Измайлов и др., 2002]. Интерпретация данных результатов позволила предположить, что испытуемый воспринимает линию как ограниченный участок контура, имеющий определенную ориентацию, который его нервная система анализирует с помощью двухканальной нейронной сети предетекторов. Исследовали также фигуры, представляющие пересечение нескольких линий: углы и узловые элементы [Izmailov, Sokolov, 1990; Izmailov, Davidova, 1993]. Было показано, что восприятие углов связано с оценкой величины угла, которая осуществляется двухканальной нейронной сетью. С геометрической точки зрения угол является комбинацией из линий. Следовательно, восприятие линий является более простым процессом по сравнению с распознаванием углов, что было показано в нейрофизиологических исследованиях детекторов линий и узловых элементов [Хьюбел, Визел, 1984; Селфридж, Найссер, 1974; Shevelev et al., 1999; Шевелев, Каменкович, Шараев, 2000]. На основе других данных [Супин, 1981; Sillito, Versiani, 1979] линии и углы являются эквивалентными по сложности стимулами и рассматриваются в качестве элементов алфавита формы контурных изображений. Восприятие угла не является результатом геометрического построения из восприятий отдельных наклонов линий. Сравнение нейрофизиологических результатов и сферических моделей восприятия ориентации линий и углов показывает, что эти два типа стимулов равнозначны для зрительной системы [Измайлов и др., 1988]. Анализ этих стимулов осуществляется независимыми анализаторными функциями параллельно, а не иерархично. Предполагается, что анализатор углов включает клетки первичной зрительной коры со сложными рецептивными полями. Латенция этих клеток такая же как и у клеток, имеющих простые рецептивные поля и селективных к ориентации линий [Супин, 1974]. Исследования Шевелева и др. [Shevelev et al., 1999; Шевелев, Каменкович, Шараев, 2000] показали, что детекторы углов, Y-образных и трехлучевых фигур, расположенные в первичной зрительной коре (поле 17), являются базисными признаками зрительных образов. Они лежат в основе выделения признаков человеческого лица, тела, геометрических фигур, которые опознаются не в поле 17, а в нижневисочной коре.
По мнению некоторых авторов [Грановская, Березная, 1974; Грановская, Березная, Григорьева, 1981; Шехтер, 1981] выделение признаков представляет собой иерархический процесс. Сначала выделяются простые признаки формы (наличие углов, ориентация прямолинейных участков контура), затем на основе простых признаков выделяются сложные признаки, которые формируются путем интеграции нескольких признаков предыдущего уровня. При этом авторы отмечают, что признаков более высоких уровней, которые были названы вторичными и третьичными признаками [Грановская, Березная, 1974], значительно меньше, чем простых первичных признаков.
С помощью метода многомерного шкалирования были исследованы знаковые конфигурации [Соколов, Измайлов, Завгородняя, 1985]. В этой работе была сделана попытка выделить базисные признаки конфигурации. Авторы предполагают, что между детекторами ориентации и детекторами знаковых конфигураций существует дополнительный уровень нейронов-предетекторов базисных признаков. Были выделены следующие базисные признаки знаковых конфигураций: угловая характеристика знака (углы между линиями), степень замкнутости знака (наличие и количество замкнутых областей) и степень сложности знака. Нейронный механизм выделения величины угла между линиями представляет собой систему клеток-детекторов углов, на которые конвергируют попарно детекторы ориентации. Нейронный механизм выделения признака сложности представляет детекторы, на которых сходится разное число детекторов ориентации. Чем сложнее конфигурация, тем больше общее число детекторов ориентации, которые активируются одновременно. Для детектирования замкнутости важна пространственная связанность детекторов ориентации. Следовательно, входная информация к предетекторам знаковых конфигураций поступает от детекторов ориентации. Возбуждения от трех предетекторов передаются на набор клеток-детекторов знаков, каждый из которых имеет специфические связи с предетекторами конфигурационных признаков. Детекторы знаков, связи которых пропорциональны данной комбинации возбуждений предетекторов, будут селективно возбуждаться определенной конфигурацией. Такой нейронный механизм авторы называют анализатором знаковых конфигураций.
Специфика церебральных механизмов, сопровождающих различение зрительной формы
Рассмотрим исследования элементов формы и целостных конфигурационных паттернов, связанные с непосредственной регистрацией электрической и импульсной активности мозга. Исследования мозговых механизмов распознавания формы и ее элементов направлены на выявление их локализации и периодов возникновения.
Большинство работ посвящены исследованию локализации элементов формы и целостных зрительных паттернов. С помощью метода регистрации импульсной активности нейронов определенных областей мозга животных было показано, что такие элементы формы как точки, линии, контуры и узлы (углы, Y-образные элементы, вилки, кресты) анализируются на уровне первичной зрительной коры, полей V1H V2 [Хьюбел, Визел, 1984; Хьюбел, 1990; Шевелев и др., 1999; Zhou et al., 2000; Sugita, 1999; Watanabe, Iwai, 1996]. При этом все эти элементы формы являются равнозначными признаками анализа изображения.
На основе исследований импульсной активности мозга животных была выдвинута гипотеза о раздельной локализации в коре двух механизмов описания зрительных изображений: инвариантное (обобщенное) и конкретное описание изображения. Механизм обобщенного восприятия локализован у приматов в нижневисочной коре, а конкретное описание связано с активацией заднетеменной коры [Глезер, 1985]. Исследования Яковлева [Яковлев и др., 1982; Яковлев, 1983] показали, что у обезьян зрительное опознание в широких пределах инвариантно к изменениям ориентации и размера объекта. С помощью метода избирательной экстирпации было показано, что инвариантное описание изображения осуществляется нижневисочной корой, а механизм конкретного (вариантного) восприятия локализован в заднетеменной коре. На основе подобных исследований Глезер [Глезер и др., 1992] выделил два вида обобщения свойств изображений. Первый вид связан с такими свойствами как цвет, ориентация, размер, яркость, а второй вид - это обобщение по форме. Эти два вида обобщения имеют различные механизмы обработки. Обобщение по форме является инвариантным и высшим типом обобщения, так как он связан с восприятием конкретных объектов, т.е. с предметным зрением.
Дальнейшие исследования электрической активности мозга человека подтвердили универсальность процессов восприятия [Kanwisher et al., 1996; Kraut et al., 1997; Usher, Donnelly, 1998; Шевелев и др., 2000]. Было показано, что восприятие угловых и округлых элементов контура у человека связано с активностью затылочных и теменных областей, отражающейся в изменении пиков вызванного потенциала N1 и Р2 [Ito et al., 1999]. Существует представление о том, что все образы состоят из признаков, которые анализируются зрительной системой в первую очередь, а потом объединяются в более сложные элементы изображения. Простые и сложные признаки обрабатываются в первичной зрительной коре, а целостное опознание формы изображения или зрительного объекта связано с активацией затылочных и височных зон коры, что подтверждают данные томографических исследований мозга. Активация теменных областей связана с пространственным изменением положения объекта [Kanwisher et al., 1996; Kraut et al., 1997]. Некоторые авторы делали попытки объяснить механизм объединения признаков в целостную форму. Было показано, что объединение или группировка графических характеристик формы: линий и узловых элементов происходит на основе временной синхронной активации соответствующих групп нейронов [Usher, Donnelly, 1998].
Некоторые авторы исследовали механизмы зрительного восприятия слова, которое с геометрической точки зрения представляет набор линейных и округлых элементов, т.е. некоторую форму, а с семантической - является носителем некоторого значения. Было показано, что при зрительном предъявлении слов активируются левые фронтальная, теменная и затылочная зоны [Medvedeu et al., 1996]. Исследовали распознавание японских иероглифов, которые соответствуют словам и представляют собой символы. Активность на данные зрительные паттерны бьша обнаружена в экстрастриарной зрительной коре, в состав которой входят затылочная извилина, теменно-затылочная и шпорная борозда, язычковая (lingual gyrus) и веретенообразная (fusiform gyrus) извилины. Экстрастриарная кора левого полушария наиболее чувствительна к семантическому содержанию слов, правое полушарие одинаково чувствительно и к словам, и к символам. Авторы считают, что затылочно-теменная кора левого полушария выполняет вспомогательную функцию, а, именно, осуществляет общий анализ сложных графических характеристик зрительной формы [Kuriki, Takeuchi, Hirata, 1998].
С помощью ядерно-магнитного резонанса исследовали процесс присваивания названия изображению. Оказалось, что процесс опознания изображения сопровождается активацией нескольких отделов мозга. Было показано, что сначала активируется затылочная область, потом активируется левая височная область через 200 мс после предъявления зрительного изображения. Далее на 230 мс активируется правая париетальная область, а затем на 350 мс снова активируется левая височная область [Levelt et al., 1998].
Было проведено исследование церебральной локализации процессов распознавания значения слов и изображений [Venderberghe et al., 1996]. Авторы исследовали функциональную анатомию семантических процессов обработки слов и изображений. При зрительном предъявлении слов наблюдалась активация в левой нижней теменной доле, а при зрительном предъявлении изображений всплеск мозговой активности был обнаружен в правой медиальной затылочной извилине. Распознавание значений слов и изображений обрабатываются, по мнению авторов, единой сетью, которая локализована в левой затылочной извилине, в средней и нижней височной коре и в нижней фронтальной извилине. Более детальный анализ показал, что значение слов и изображений имеют различия. Значение изображений связано с активацией левой нижней височной области, а значение слова распознается при участии левой верхней и передней височными извилинами и левой нижней фронтальной бороздой.
Многочисленные исследования посвящены локализации механизмов распознавания таких сложных зрительных паттернов, как человеческое лицо и фигура человека, изображения животных и предметов внешнего мира: деревьев, домов. Было показано, что существует зона мозга, специфическая для сложных стимулов. Эта зона была названа object area, она расположена билатерально в нижневисочной коре и избирательно реагирует на предъявление различных сложных: геометрических фигур, машин, фигур человека и животных, предметов окружения [Kanwisher et al., 1999; Aguirre, D Esposito, 1997; Small et al., 1996]. В указанных работах авторы сравнивали активность височных областей при предъявлении различных стимулов, в том числе и человеческого лица. Было обнаружено, что область специфическая для объектов избирательно реагирует на любой объект: на тело человека и тело животного, на голову человека и животного, на лица и на машины. Эта зона активировалась также при предъявлении инвертированных, перевернутых и зашумленных изображений объектов. Однако, авторы с помощью функциональной томографии показали, что существует зона специфическая для распознавания лиц. Расположена она в левом полушарии в боковой нижневисочной коре, и получила название веретенообразная извилина (fusiform gyrus) [Kanwisher et al., 1999; Aguirre, D Esposito, 1997]. Эти данные подтверждаются другими исследованиями активности мозга при предъявлении лицевого паттерна у здоровых испытуемых [McCarthy et al., 1999; Puce et al., 1997; Puce et al., 1995, Halgren et al., 1994].
Результаты исследования различения линий
В случае различения линий испытуемых просили оценить конфигурационные различия. При оценке различий между схематическими лицами испытуемые первой группы определяли эмоциональные различия, а вторая группа определяла конфигурационные различия между лицами. Каждой группе давали определенную инструкцию, какие различия определять и по какой шкале (см. выше). В психофизическом эксперименте с циферблатами часов участвовали так же две группы испытуемых, испытуемые первой группы оценивали различия во времени, а второй — конфигурационные различия между элементами данных зрительных паттернов. Для вторых групп лица и циферблаты описывали как овалы с изменяющими направления и ориентацию линиями внутри.
Для экспериментов использовали все возможные сочетания пар стимулов, исключая одинаковые пары. Из 10 линий составили 45 пар, из 25 схем лица - 300 пар и из 24 циферблатов часов - 276 пар стимулов. Одна пара линий предъявлялась каждому из 4 испытуемых по 10 раз, пара схем лица - каждому из 17 испытуемых по 2 раза, а пара циферблатов часов - каждому из 7 испытуемых по 10 раз.
Для каждой пары стимулов значения различий усреднялись по предъявлениям и по испытуемым. При этом балльные оценки конфигурационных, эмоциональных и временных различий усреднялись отдельно (по группам). Средние оценки различий, которые являются исходными данными, были сведены в матрицы субъективных различий между линиями (табл.1), схематическими выражениями лица (табл.2) и схематическими циферблатами часов (табл.3). Далее эти матрицы обрабатывали методом многомерного шкалирования (МШ).
Метод МШ требует большого количества предъявлений всех сочетаний стимулов, то есть необходимо некоторое накопление субъективных ответов. Накопление может быть осуществлено двумя способами: многократным предъявлением каждой пары стимулов одному испытуемому (что было сделано в эксперименте с линиями и циферблатами) и небольшим количеством предъявлений каждой пары стимулов большой группе испытуемых (что было сделано в эксперименте с лицами).
Таблица 3 Треугольная матрица субъективных различий между конфигурационными схематическими изображениями циферблатов часов, усредненная по 40 предъявлениям каждой пары циферблатов, в группе из 4 человек (левый нижний треугольник) и треугольная матрица субъективных различий между временными характеристиками циферблатов часов, усредненная по 30 предъявлениям каждой пары циферблатов, в группе из 3 человек (правый верхний треугольник). N - номер циферблата часов, который соответствует номеру стимула на рис.3.
Исходными данными для данного метода являются матрицы субъективных различий. В результате обработки такой матрицы методом МШ можно получить субъективное пространство, в котором точками являются стимулы, между которыми оценивались различия. Далее определяют размерности пространств (по функции стресса и коэффициенту корреляции между субъективными различиями и точками в перцептивном пространстве) и рассчитывают центр координат и ориентацию осей, что осуществлялось с помощью программ «Kremlev», «Vartanov» и SPSS. Эти процедуры необходимы для интерпретации осей и углов пространства в терминах векторной модели сенсорных процессов, согласно которой линейные и сферические координаты отражают механизмы кодирования конфигурационных признаков и изображения в целом [Kruskal, 1964; Torgerson, 1985; Терехина, 1986; Измайлов, Соколов, Черноризов, 1989].
Процедура электрофизиологического эксперимента. В настоящей работе была использована специальная парадигма регистрации ЗВПР, специфика которой состоит в регистрации активности мозга на замену одного стимула другим, без межстимульного интервала. Данная методика предъявления стимулов и регистрации ответов была апробирована на электроретинограмме лягушки и зрительных вызванных потенциалах человека [Зимачев и др., 1986; Зимачев и др., 1991; Измайлов и др., 1989]. Такая процедура эксперимента позволяет объективно оценить различие между стимулами, а не реакции на специфические характеристики стимула, с помощью вычитания которых можно получить электрофизиологическую меру различия [Измайлов, Соколов, Коршунова, 2000]. Т.е. ЗВПР является различительной, а не идентификационной характеристикой стимулов.
Для регистрации ЗВПР выбрали некоторые пары стимулов, используемые в психофизических экспериментах. Из 45 пар линий выбрали 10 пар, из 300 пар лиц - 10 пар и из 276 пар циферблатов часов - 66 пар стимулов.
При регистрации ЗВПР стимулы генерировались в центре экрана монитора, изображенные белыми линиями на черном фоне. Наблюдение за стимулами велось бинокулярно. Экран монитора располагался на расстоянии 1 м от глаз испытуемого. В данном эксперименте стимулы предъявлялись последовательно без межстимульного интервала, на мгновенную замену. Длительность референтного (первый) и тестового (заменяющий) стимулов варьировалась от 800 до 1200 мс в случайном порядке, чтобы избежать эффекта навязанного ритма. В каждой серии тестовый и референтный стимулы предъявлялись по 100 раз, поочередно мгновенно сменяя друг друга (р-т-р-т-р-т...). Количество серий определялось сочетанием референтных и тестовых стимулов. Для определения фонового уровня активности коры в каждом опыте была пара, когда тест и референт были представлены одним и тем же стимулом. За один раз испытуемый участвовал не более чем в десяти-одинадцати сериях (40 - 50 мин).
Результаты исследования различения схематических лиц
В этой главе предполагалось повторить экспериментальные исследования схематических лиц, проведенные Измайловым и др. [1999; 2000]. Следовательно, задачей этой главы было построение субъективного пространства сложных стимулов - эмоциональных выражений лица, описание структуры, определение размерность и интерпретация осей полученного пространства.
Психофизическое исследование эмоциональных выражений лица. В психофизическом эксперименте в результате усреднения балльных оценок различения лиц отдельно для двух групп получили матрицы эмоциональных (см. табл.2, нижняя матрица) и графических (см. табл.2, верхняя матрица) различий. Эти матрицы обработали методом МШ и получили координаты 25 точек в эмоциональном и графическом пространствах лиц. Для того, чтобы анализировать полученные пространства в терминах векторной модели, оценивали их минимальную размерность и сферичность расположения точек в пространстве этой размерностью.
Минимальная размерность конфигураций точек эмоционального и графического пространств рассматривалась на основании трех показателей: суммарного расхождения (стресса), максимального коэффициента корреляции между межточечными евклидовыми расстояниями и исходными субъективными различиями и собственных значений для пространств от одно - до шестимерного (табл.11).
Из таблицы 11 видно, что для эмоционального пространства значения стресса уменьшаются по мере увеличения размерности пространства, а коэффициент корреляции, соответственно, увеличивается. Так же видно, что оба показателя достигают насыщения между четвертым и пятым измерениями. Добавление пятой размерности дает незначительный прирост корреляции (на 0.006 единиц) и незначительное уменьшение стресса (на 0.014 единиц). Собственные значения для экспериментальных данных с эмоциональной инструкцией уменьшаются при увеличении размерности пространства. Наиболее значимое уменьшение происходит при переходе от одномерного решения к двухмерному, добавление третьей и четвертой осей приводит к уменьшению собственных значений на 2 и 10 единиц соответственно. Добавление пятой и шестой оси не приводит к существенным изменениям собственных значений (на 1 единицу в обоих случаях).
Дальнейшее увеличение размерности не влечет за собой резких изменений собственных значений, уменьшение которых составляет менее 10%. Следовательно, полученная конфигурация эмоциональных выражений схематических лиц расположена в четырехмерном пространстве. Этот результат согласуется с литературными данными [Измайлов и др., 1999].
Анализ данных для графического пространства показал, что значимое уменьшение стресса и увеличение коэффициента корреляции наблюдается при переходе от трех- к четырехмерному решению. Изменения собственных значений для графического пространства подобны таковым для эмоционального пространства лиц. Следовательно, графическое пространство схематических лиц является четырехмерным.
Проверка на сферичность осуществлялась с помощью процедуры центрирования [Соколов, 1991; Измайлов и др., 1999]. Процедура центрирования необходима для определения оптимального положения полученной конфигурации точек относительно начала осей координат (геометрический центр конфигурации) так, чтобы радиус-вектор каждой точки был равен одному и тому же числу. То есть все полученные точки, соответствующие стимулам, располагаются на одинаковом расстоянии от центра. Вследствие случайных ошибок длина радиус-вектора может варьировать в некотором диапазоне, который оценивается по стандартному отклонению всех радиус-векторов. Для числовой оценки этого разброса используется коэффициент вариации, как отношение одного стандартного отклонения к среднему радиус-вектору. Чем меньше коэффициент вариации, тем лучше соответствие полученного решения сферической модели.
В табл.12 приведены основные показатели сферичности эмоционального и графического пространств: средний радиус, стандартное отклонение и коэффициент вариации. Эти данные подтверждают гипотезу о сферичности эмоционального и графического пространств. Коэффициент вариации радиуса эмоционального пространства составляет 13%, а графического пространства - 11%, это указывает на то, что стимульные точки в полученных пространствах лежат на сферической поверхности.
