Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Непреднамеренное восприятие: организация и механизмы. литературный обзор 13
1.1. Группирование пространственно распределенной зрительной информации как предпосылка перцептивной целостности 13
1.2.«Нисходящий» подход к проблеме группирования пространственно распределенной зрительной информации 16
1.3.«Восходящий» подход к проблеме группирования пространственно распределенной зрительной информации 18
1.4. Зрительный поиск как способ изучения механизмов группирования 21
1.5 Отражение интегративных процессов коры головного мозга в пространственно-временной организации ЭЭГ 27
1 .6 .Пространственное группирование. Возможная локализация в коре головного мозга человека 32
1.6.1. Иерархия зрительных центров. Кандидаты на роль пространственного группирования 32
1.6.2.0тражение процесса принятия решения в параметрах компонента Р300 событийно-связанных потенциалов (ССП) 37
1.6.3.Метод эквивалентных диполей как способ локализации активных областей коры при зрительном поиске 43
ГЛАВА 2. Методика проведения эмпирических исследований механизмов пространственного группирования 45
2.1.Цель, задачи, гипотезы исследования 45
2.2.Методика экспериментальных исследований 46
2.2.1. Методика первого экспериментального раздела «Исследование природы зрительных механизмов пространственного группирования» 47
2.2.3.Методика второго экспериментального раздела «Исследование взаимосвязи пространственных характеристик зри тельных механизмов первого и второго порядка» 49
2.2.4.Методика третьего экспериментального раздела «Исследование пространственно-временной организации ЭЭГ призрительном поиске разной сложности» 53
2.2.5.Методика четвертого экспериментального раздела «Исследование локализации дипольных источников сегмента
ССПпри зрительном поиске разной сложности» 57
ГЛАВА 3. Результаты эмпирического исследования... 58
3.1.Исследование природы зрительных механизмов пространственного группирования 58
3.1.1.Зрительный поиск текстур, модулированных по контрасту.. 59
3.1.2.3рительный поиск текстур, модулированных по ориентации 64
3.1.3.Зрительный поиск текстур, модулированных по пространственной частоте 68
3.2. Исследование взаимосвязи пространственных характеристик зрительных механизмов первого и второго порядка 72
3.2.1.Определение правил группирования фильтров первого уровня при модуляции контраста 72
3.2.2.0пределение правил группирования фильтров первого уровня при модуляции пространственной частоты 77
3.2.2.0пределение правил группирования фильтров первого уровня при модуляции ориентации 81
3.2.3.Универсальность пространственного группирования локальных сигналов 86
3.3.Исследование пространственно-временной организации ЭЭГ
при зрительном поиске разной сложности 88
3.3.1.Пространственно-временная организация ЭЭГ при зрительном поиске 88
3.3.2.Пространственно-временная организация ЭЭГ при зрительном поиске «простого» стимула 89
3.3.3.Пространственно-временная организация ЭЭГ при зрительном поиске «сложного» стимула 93
З.ЗАПространственно-временная организация ЭЭГ при зри ельном поиске «модулированного» стимула 96
3.4. Исследование локализации дипольных источников поздних компонентов ССП при зрительном поиске разной сложности... 103
Обсуждение результатов исследования 109
Заключение.
Выводы.
Практические рекомендации... 121
Список литературы
- Группирование пространственно распределенной зрительной информации как предпосылка перцептивной целостности
- Иерархия зрительных центров. Кандидаты на роль пространственного группирования
- Методика первого экспериментального раздела «Исследование природы зрительных механизмов пространственного группирования»
- Исследование взаимосвязи пространственных характеристик зрительных механизмов первого и второго порядка
Введение к работе
Актуальность исследования. В первой половине XX века М. Вертхеймер, К. Коффка, В. Келлер и ряд других представителей гештальт-психологии обнаружили в зрительной системе человека перцептивную организующую тенденцию воспринимать мир в виде когерентных, целостных форм, доминирующих над восприятием их элементов. Этот факт положил начало многолетнему противостоянию двух подходов к решению проблемы целостности восприятия: управляется ли данный процесс «снизу», то есть свойствами самой зрительной сцены, или же направляется «сверху» путем выдвижения и проверки гипотез.
В результате многолетних исследований ряда авторов была сформирована общая точка зрения, заключающаяся в том, что процесс зрительного восприятия можно условно разделить на два этапа. Первый осуществляется параллельно по всему полю зрения и состоит в выделении «первичных признаков», отражающих локальные свойства изображений. В психологической литературе этот досознательиый этап восприятия, направляемый «снизу», обозначается как «сенсорная регистрация» [Broadbent D.E., 1957; Deutsch J.A., Deutsch D., 1963; Kahneman D., 1973]; или «перцептивная инициация» [Бехтель Э.Е., Бех-тель А.Э., 2005]. На следующем этапе, направляемом «сверху», избирательное внимание, выполняющее функцию селективного фильтра, последовательно пропускает информацию с выхода преаттентивного этапа обработки на уровень опознания.
Очевидно, что именно при переходе с параллельной стадии анализа к последовательной происходит объединение локальной информации в когнитивные блоки, что и обеспечивает целостность восприятия. Но до сих пор остается не ясным, каким образом организован этот процесс, управляется он «снизу» или «сверху», реализуется преаттентивно или с помощью избирательного внимания.
Нейрофизиология внесла неоспоримый вклад в понимание организации
этапов локальной зрительной обработки, но при попытках решения вопросов, связанных с глобальным описанием сцен, столкнулась с очевидными методическими трудностями. Необходимость изучения процессов восприятия на системном уровне выводят сегодня на первый план психофизиологию и психофизику. Проблема объединения локальной информации в целостный перцептивный образ становится, по мнению многих авторов, ключевой в понимании принципиальных вопросов, связанных с организацией зрительного восприятия [напр., Ганзен, 1974; Кроль, 1998, Ledgeway Т. et al., 2005; Kennedy G.J., 2006]. Без ее решения невозможно понять, из каких когнитивных блоков формируется образ, что собой представляют хранящиеся в памяти эталоны, как обеспечивается константность восприятия, как организован сам процесс узнавания.
Удобным инструментом изучения механизмов пространственного группирования являются модулированные текстуры. Зрительная система человека объединяет пространственно распределенные сигналы естественных сцен, чтобы получать информацию о расположении и удаленности объектов (модуляции контраста), структуре их поверхностей (модуляции ориентации), об их пространственной глубине (модуляции пространственной частоты).
Цель работы - изучение психофизиологических особенностей зрительных механизмов пространственного группирования, обеспечивающих обнаружение текстурных модуляций.
Объект исследования: процесс зрительного восприятия на этапе перехода от параллельного локального анализа зрительной сцены к ее глобальному описанию.
Предмет исследования - психофизиологические механизмы обнаружения модуляции контраста, ориентации, пространственной частоты.
Гипотезы исследования.
1. Группирование пространственно распределенной информации осуществляется в зрительной системе человека параллельно, автоматически, т.е. имеет преаттентивную природу.
2. Группирование пространственно распределенной зрительной инфор
мации осуществляется по определенному универсальному алгоритму путем
объединения фильтров первого порядка на механизмах второго порядка.
3. «Сложность» зрительного поиска, определяемая пространственной
вариативностью целевого стимула, находит отражение в особенностях про
странственно-временной организации ЭЭГ.
4. В зрительном поиске целевых стимулов разной сложности задейство
ваны различные области коры больших полушарий.
Задачи исследования. Теоретические задачи:
Осуществить анализ литературы по проблеме целостного восприятия.
Провести аналитический обзор исследований, посвященных проблеме группирования локальной информации.
Проанализировать возможность применения методов зрительного поиска и анализа электрической активности мозга для исследования механизмов пространственного группирования.
Эмпирические задачи:
Используя задачу зрительного поиска, исследовать природу механизмов пространственного группирования локальной информации.
Определить, имеется ли связь между пространственными настройками фильтров первого и второго порядка.
Выявить особенности пространственно-временной организации ЭЭГ в зависимости от «сложности» задачи зрительного поиска.
Определить области коры, задействованные в решении задач зрительного поиска разной сложности.
Методологические и теоретические предпосылки исследования.
Теории сенсорно-перцептивной организации и теории восприятия [Ананьев Б.Г., Барабанщиков В.А., Бардин К.В., Ганзен В.А., Гибсон Дж., Глезер В.Д., Грегори Р., Забродин Ю.М., Запорожец А.В., Зинченко В.П., Марр Д.,
Найсер У., Хьюбел Д., Шехтер И.С.]; концептуальные модели организации механизмов пространственного группирования [Бабенко В.В., Chubb С, Graham N., Kingdom F.A., Malik J., Moulden В., Morgan M.J., Landy M.S., Sutter A., Sperling G., Treisman A.M., Wilson H.P. и др.]; теории ранней [Broadbent D.E.] и поздней селекции внимания [Deutsch J.A., Deutsch D.]; модельные представления когнитивной психологии о селективном внимании [Crick F., Hulbert А., Norman D.A., Posner M.I., Shulman G.L., Sperling G., Treisman A., Theeuwes J.]; ресурсный подход в когнитивной психологии [Kahneman D., Zohary E.], теория динамической мозговой организации высших психических функций [Лурия А.Р.]
Методы исследования: теоретический анализ литературы по проблеме исследования, лабораторный эксперимент, методы статистические обработки результатов.
Методический инструментарий исследования представлен психофизическими (метод постоянных раздражителей) и психофизиологическими методиками: зрительный поиск, регистрация и анализ электроэнцефалограммы, регистрация связанных с событием потенциалов (ССП), анализ локализации эквивалентных токовых диполей.
Основу экспериментальной установки составлял персональный компьютер с процессором Celeron 350 МГц, видеокартой Dimond А200, монитором ViewSonic G655 с диагональю 15", а также сертифицированный электроэнцефалограф-анализатор «Энцефалан-131-03» версия «Элитная-М» 5.4-10-2.0 (20.04.2006), производства МТБ «Медиком», г. Таганрог.
Применялись стандартные методы математической статистики: метод линейной интерполяции Вундта, Z-преобразование Фишера, усреднение, регрессионный анализ, однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) [Владимирский Б.М., 2004; Сидоренко Е.В., 2006]. Расчеты производились с использованием пакета прикладных программ «EXCEL 7.0», «STATISTIKA 6.0», а также пакета математических и инженерных вычислений «MATHLAB 7».
Характер выборки. В исследовании приняли участие 25 испытуемых мужского и женского пола в возрасте от 18 до 50 лет с уровнем образования от неполного высшего до высшего. Широкий возрастной диапазон респондентов позволил выявить закономерности, не зависящие от этапов онтогенетического развития обследуемых.
Основные положения, выносимые на защиту:
Обнаружение модуляций текстур осуществляется параллельно (непреднамеренно и без ограничения ресурсов) с помощью механизмов пространственного группирования, имеющих преаттентивную природу.
Пространственное группирование информации в зрительной системе человека осуществляется путем универсального объединения фильтров первого порядка на фильтрах второго порядка. При этом пространственные настройки механизмов группирования и механизмов, осуществляющих локальный анализ изображений, взаимосвязаны. В результате область пространственного объединения (огибающая) определяется пространственно-частотной настройкой фильтров первого уровня (несущая).
По характеру пространственно-временной организации ЭЭГ поиск модулированных текстур занимает промежуточное положение между параллельным поиском немодулированных текстур и последовательным поиском «сложных» целей. Это отражает включение в процесс параллельного поиска специализированных механизмов пространственного группирования.
Корковая локализация фильтров второго порядка, обеспечивающих группирование локальных признаков, близка к локализации фильтров первого порядка, обеспечивающих обнаружение самих локальных признаков.
Научная новизна.
Впервые в задаче зрительного поиска получены доказательства преат-тентивной природы зрительных механизмов пространственного группирования, обеспечивающих обнаружение модулированных текстур.
Впервые продемонстрирована универсальность правил группирования при объединении информации о пространственном распределении контраста, пространственной частоты и ориентации.
Выявлены особенности пространственно-временной организации ЭЭГ, связанные с процессами зрительного пространственного группирования.
Впервые с помощью метода локализации эквивалентных токовых диполей определены области коры, участвующие в решении задачи поиска модулированных текстур.
Теоретическая и практическая значимость исследования.
Полученные в работе новые факты позволили значительно расширить существующие представления о механизмах, обеспечивающих переход от локального к глобальному описанию зрительной сцены. Изучение правил пространственного группирования локальной информации является необходимым этапом в понимании того, как обеспечивается масштабная инвариантность описания, как формализовать понятие «точки интереса», из каких когнитивных блоков формируется образ, как организован сам процесс опознания.
Практическая значимость результатов работы определяется в первую очередь возможностью их использования при разработке новых информационных технологий. Определение алгоритма пространственного группирования является важным этапом создания нового поколения систем технического зрения. Результаты работы могут быть использованы в эргономике при решении вопросов оптимизации представлений визуальной информации, а также при разработке новых методов реабилитации слабовидящих путем специальной тренировки поиска «точек интереса».
Достоверность полученных результатов обеспечивается методологической обоснованностью общего замысла исследования, использованием адекватных исследовательских процедур в соответствии со стандартами современной экспериментальной психологии, достаточным объемом эмпирического материала, применением современных математических процедур обработки дан-
ных и анализа результатов, адекватных типу эмпирического материала и проверяемым гипотезам.
Апробация работы.
Материалы исследования были представлены на XXXI - XXXIII Неделях науки биолого-почвенного факультета Ростовского государственного университета (Ростов-на-Дону, 2003-2005гг.); на научно-технической конференции по «Технологии живых систем» (Москва, 2004); на Седьмой Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2004); на первой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2005; на Всероссийской конференции молодых исследователей НЦ РАН «Физиология и медицина» (Санкт-Петербург, 2005); на четырнадцатой Международной конференции по нейрокибернетике, посвященной 60-летию Победы советского народа в Великой отечественной войне и 90-летию Ростовского государственного университета) (Ростов-на-Дону, 2005); на научно-практической конференции факультета психологии Санкт-Петербургского государственного университета «Ананьевские чтения» (Санкт-Петербург, 2006); на 29-й европейской конференции по зрительному восприятию (ECVP) (Санкт-Петербург, 2006); на научно-практической конференции ИП РАН «Психофизика сегодня» (Москва, 2007); на юбилейной научной конференции ИП РАН «Тенденция развития современной психологической науки» (Москва, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ (в том числе 1 статья - в журнале, рекомендованном ВАК МО РФ, 1 публикация в зарубежном журнале, а также патент на изобретение А61В 3/113, № 2270598, от 27.02.2006 г.), общим объемом 2,23 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; трех глав; обсуждения результатов исследования; заключения, включающего выводы, практические рекомендации и перспективы дальнейшего исследова-
ния проблемы; списка литературы (262 источника, в том числе 184 на иностранном языке) и 2 приложений. Объем основного текста диссертации составляет 123 страницы, текст иллюстрирован 52 рисунками и 18 таблицами, часть из которых вынесены в приложения.
Группирование пространственно распределенной зрительной информации как предпосылка перцептивной целостности
Отражение объективной действительности как целого является одной из основных проблем современной психологии. Объективный мир целостен и непрерывен. Но для того, чтобы отразить его во всей полноте, человек должен сначала расчленить мир на фрагменты, а затем собрать из них свою, уже субъективную картину мира [Бехтель Э.Е., Бехтель А.Э., 2005]. Построение целостного динамичного «перцептивного образа» объектов внешнего мира представляется ключевым звеном всего процесса зрительного восприятия [Ганзен В.А., 1974; Кроль В.М., 1998].
Указание на то, что зрительная система человека настроена на восприятие целостных объектов, было сделано представителями гештальт-психологии еще в первой половине 20 века. Ими было установлено, что процесс выделения фигуры из фона протекает без усилий и ограничения ресурсов, то есть непреднамеренно. Это может означать, что данный процесс фактически является автоматизированным и осуществляется по фиксированным, как они предполагали, врожденным алгоритмам.
И вот тут возникает принципиальный вопрос: реализуется ли целостное восприятие «снизу-вверх», т.е. управляется свойствами самой зрительной сцены; либо осуществляется «сверху-вниз» и определяется процессом выдвижения и проверки гипотез? Вся дальнейшая история изучения проблемы целостности восприятия - суть конкуренция этих двух подходов, афферентного и эфферентного, которые в англоязычной литературе получили названия, соответственно, «bottom-up» и «top-down».
Если встать на позиции восходящего принципа обработки, то логично предположить существование врожденных иерархически выстроенных меха низмов группирования элементов изображения. При этом, однако, сложно понять, как такие жестко организованные алгоритмы способны обеспечить выделение и восприятия всего многообразия возможных форм.
Нисходящий принцип обработки, как более гибкий, способен объяснить возможность выделения любых объектов, но не позволяет понять, как изначально возникли все эти эталоны, лежащие в основе выдвигаемых гипотез.
Сегодня уже не вызывает сомнений, что в зрительной системе реализуются оба указанных способа обработки: и «снизу» и «сверху». В результате многолетних исследований зрительной системы высших животных и человека была сформирована общая точка зрения, заключающаяся в том, что процесс зрительного восприятия может быть условно разделен на два этапа [Julesz, 1975; Neisser U., 1973; Shiffrin R.M., Schneider W., 1977]: параллельный или до-сознательный, и последовательный, протекающий с участием избирательного внимания. Предполагается, что на первом этапе реализуется восходящая стратегия обработки, а на втором - нисходящая [Driver J. et al., 2001; Grossberg S., 1999; Theeuwes J., 1993; Vecera S.P., Farah M.J., 1997].
Первый этап состоит в предварительной обработке входного сигнала, заключающейся в максимально возможном сжатии входной информации за счет выделения так называемых «первичных признаков» или «примитивов» (линий разной ориентации, углов, границ и т. д.), отражающих локальные свойства изображения. В психологической литературе этот досознательный этап восприятия обозначается как «сенсорная регистрация» [Broadbent D.E., 1957; Deutsch J.A., Deutsch D., 1963; Kahneman D., 1973] или «перцептивная инициация» [Бехтель Э.Е., Бехтель А.Э., 2005]. Реализация этого этапа обработки осуществляется в проекционной зрительной системе автоматически, то есть согласно критериям М.И. Познера и К.Р.Р. Снайдера [Posner M.I., Snyder C.R.R., 1975], происходит без усилий, непроизвольно; без выхода в сферу сознания; и без взаимодействия с какой-либо текущей интеллектуальной деятельностью (то есть без ограничения ресурсов). Поскольку операции этого этапа осуществляются в значительной степени автономно и параллельно, данная стадия получила в литературе название стадии предвнимания.
Следующим этапом зрительного восприятия является перевод множественного локального описания входной информации в единое глобальное представление о зрительной сцене. Осуществляется этот процесс при непосредственном участии зрительного внимания и завершается идентификацией присутствующих в поле зрения объектов. Избирательное внимание выполняет функцию селективного фильтра, последовательно пропускающего информацию с выхода уровня предобработки на уровень распознавания.
И в изучении локального зрительного анализа, и в изучении механизмов избирательного внимания достигнуты значительные результаты. При этом открытым остается вопрос, на каком же этапе реализуется пространственное группирование локальной информации. Теоретически существует два возможных варианта объединения «первичных признаков». Либо оно осуществляется еще на стадии довнимания, то есть на этапе параллельной обработки по принципу «снизу-вверх», когда результат группирования определяется самим изображением. В этом случае избирательное внимание в значительной степени направляется результатами преаттентивной обработки. Либо группирование происходит именно в результате направления внимания на ту или иную часть поля зрения. В этом случае процесс контролируется «сверху», а траектория внимания задается уровнем принятия решений, как результат выдвижения и проверки гипотез.
Иерархия зрительных центров. Кандидаты на роль пространственного группирования
Довольно долго считалось, что высшим зрительным центром мозга является проекционная область коры. Тогда как престриарные области, не говоря уже о теменных и височных, рассматривались как сугубо неспецифические и ассоциативные, выполняющие функцию интеграции сигналов из разных сенсорных систем.
Однако дальнейшие исследования убедили в том, что первичная проекционная область является лишь начальным этапом в длинной цепи корковых преобразований зрительной информации. Большинство стриарных нейронов выступают лишь как пространственные и временные фильтры, способные выделять из входного изображения элементы («примитивы»), которые используются на последующих этапах обработки в качестве первичных признаков.
Авторадиографические исследования ассоциативных зон коры [Felleman D.J., Van Essen D.C., 1991; Palmer L.A. et al., 1978; Rosenquist A.C., 1985; Tusa R.J. et al., 1978;] привели к обнаружению более двух десятков обособленных областей, реагирующих на зрительные воздействия, и обладающих более или менее выраженной ретинотопикой. Вместе с тем появлялись все новые факты, свидетельствующие о высокой функциональной специфичности постстриар-ных зрительных зон коры.
В течение последних 10 лет большое внимание было уделено проблеме обнаружения зрительных стимулов второго порядка [обзоры Wilson H.R., 1999; Baker C.L., 1999].
Исследования в области психофизики [Ledgeway Т., Smith А.Т., 1994; Ni-shida S. et al., 1997; Schofield A.J., Georgeson M.A., 1999], нейрофизиологии [обзор Baker C.L., 1999], нейропсихологии [Vaina L.M., Cowey A., 1996; Vaina L.M. et al., 1998], а также томографические исследования [Smith A.T. et al., 1998; Wenderoth P. et al., 1999] позволили высказать предположение, что стимулы первого порядка (локальные признаки изображения) и стимулы второго порядков обрабатываются разными механизмами.
Однако, если локализация механизмов первого порядка (стриарных нейронов) в коре головного мозга к настоящему времени известна, то в вопросе локализации механизмов второго порядка аналогичной ясности нет.
Кандидатами на роль таких механизмов могли бы считаться элементы, осуществляющие: 1) нелинейную пространственную суммацию на определенной области поля зрения и 2) взаимодействующие между собой по принципу латерального торможения. Нелинейный характер суммирования определяется необходимостью «выпрямления» объединяемых ответов линейных локальных фильтров. Латеральное же взаимодействие - это механизм, позволяющий выделять сгруппированную информацию из окружения [Бабенко В.В., 2004].
Первому требованию удовлетворяют практически любые корковые нейроны со сложными полями. Если в стриарнои коре к ним относится примерно половина всех клеток, то в постстриарных областях их доля приближается к 100 %. Вероятно, эти элементы каким-то образом интегрируют реакции нейронов нижележащих областей, однако их функциональная роль до сих пор не определена. Второе требование предполагает наличие в рецептивном поле антагонистических (тормозных) флангов [Бабенко В.В., 2004]. Это свойство присуще определенной части стриарных нейронов [Born R.T., Tootel R.B., 1991], но значительно более характерно для элементов постстриарных областей [Ghose G.M., Ts o D.Y., 1997; Desimone R., Schein S.J., 1987].
Таким образом, к кандидатам на роль механизмов группирования локальной зрительной информации можно причислить: сложные нейроны первичной зрительной коры (ПЗК), нейроны постсстриарных областей V2, V4, нижневисочной коры, а также нейроны переднецентральных областей.
Отличительной особенностью сложных нейронов является нелинейный характер пространственной суммации. Их рецептивные поля не обнаруживают пространственно обособленных субполей. Такие нейроны реагируют возбуждением и на on- и на off- стимуляцию любого участка своего рецептивного поля. Это связано со значительным пространственным перекрытием on- и off-входов. Рецептивные поля сложных нейронов отличаются большим размером, по сравнению с таковыми у простых нейронов. Ряд авторов [Andriessen J.J., Bouma Н., 1976; Wilkinson F. et al., 1997] высказали предположение, что сложные корковые клетки выполняют функцию объединения локальных сигналов, а также реализуют латеральную маскировку. Исследованиями Тсьё, а также исследованиями Гилберта и Визела [Gilbert CD., Wiesel Т.М., 1989; Ts o D.Y., et al., 1986] показано наличие облегчающего нелинейного взаимодействия между колонками одной ориентации в области VI, что может рассматриваться как механизм пространственного группирования.
Методика первого экспериментального раздела «Исследование природы зрительных механизмов пространственного группирования»
Цель работы - изучение психофизиологических особенностей зрительных механизмов пространственного группирования, обеспечивающих обнаружение текстурных модуляций.
Объект исследования: процесс зрительного восприятия на этапе перехода от параллельного локального анализа зрительной сцены к ее глобальному описанию.
Предмет исследования: психофизиологические механизмы обнаружения модуляции контраста, ориентации, пространственной частоты.
Эмпирические задачи исследования: 1. Используя задачу зрительного поиска исследовать природу механизмов пространственного группирования локальной информации. 2. Определить, имеется ли связь между пространственными настройками фильтров первого и второго порядка. 3. Выявить особенности пространственно-временной организации ЭЭГ, связанные со сложностью задачи зрительного поиска. 4. Определить области коры, задействованные при выполнении задач зрительного поиска разной «сложности».
Гипотезы исследования. 1. Группирование пространственно распределенной информации осуществляется в зрительной системе человека параллельно, автоматически, т.е. имеет преаттентивную природу. 2. Группирование пространственно распределенной зрительной информации осуществляется по определенному универсальному алгоритму путем объединения фильтров первого порядка на механизмах второго порядка. 3. Характер зрительного поиска, определяемый сложностью целевого стимула (его пространственной вариативностью), находит отражение в особенностях пространственно-временной организации ЭЭГ. 4. В зрительном поиске целевых стимулов разной сложности задействованы различные области коры больших полушарий.
Основу экспериментальной установки составлял персональный компьютер с процессором Celeron 350 МГц, видеокартой Dimond А200 и монитором ViewSonic G655 с диагональю 15". Размеры экрана в пикселях составляли 1024x768. Размер одного пикселя равнялся 0.27 мм. Частота кадровой развертки устанавливалась на уровне 85 Гц. Применялся режим, позволяющий использовать 256 градаций яркости. Средняя яркость экрана была постоянной и составляла 160 кд/м . Фоновая освещенность в экспериментальной камере поддерживалась на уровне 30-40 люкс. Испытуемый располагался в кресле перед монитором. Расстояние от глаз до экрана составляло 115 см.
В рамках первого раздела были проведены три серии экспериментов, направленных на изучение природы зрительных механизмов, обеспечивающих обнаружение модуляции текстур. Использовалась задача зрительного поиска.
Стимуляїщя. В качестве стимулов были использованы изображения, состоящие из переменного числа изолированных текстурных паттернов. Количество одновременно предъявляемых паттернов варьировало от 2 до 10 (в третьей серии экспериментов - от 2 до 6). Каждая текстура была округлой формы и имела диаметр 2 угл. град, (в третьей серии - 3 угл. град.). Текстуры появлялись в случайной позиции на условной окружности диаметром 3,7 угл. град. Минимально возможное расстояние между текстурами составляло 0,2 угл. град. В центре этой условной окружности находилась точка фиксации взора.В первой экспериментальной серии были использованы случайно-точечные текстуры. В одних текстурах контраст был постоянным, в других был концентрически промодулирован функцией Габора /Рисунок 3,А/. Внутри модулированной текстуры максимальная разница в контрасте достигала 0.95. Контраст на флангах модулированных текстур, а также их средний контраст, равнялся контрасту немодулированных текстур.
Во второй серии экспериментов были использованы текстуры, состоящие из округлых Габоровских патчей диаметром 0,23 угл. град. /Рисунок 3,Б/. Вдоль ориентации патча его контраст изменялся по косинусоидальному закону. Максимальный контраст в центре патча составлял 0,95. Пространственная частота патчей была постоянной и составляла 7,5 цикл./град. В модулированных текстурах ориентация элементов плавно менялась от вертикали в центре до горизонтали на периферии. В немодулированных текстурах ориентация элементов была постоянной и равнялась средневзвешенной ориентации модулированной текстуры.
В третьей экспериментальной серии текстуры также состояли из патчей /Рисунок 3, В/. Их диаметр равнялся 0.36 угл. град. На этот раз во всех текстурах постоянными были контраст (тот же, что и в предыдущей серии) и ориентация (вертикальная). Переменным параметром была пространственная частота. В модулированных текстурах она плавно менялась от 5,8 цикл./град. в центре до 2 цикл./град. на периферии. В немодулированных текстурах пространственная частота патчей составляла 2 цикл./град.
Процедура. Испытуемый фиксировал взгляд на перекрестье в центре экрана и нажатием клавиши запускал предъявление изображения. Число одновременно появляющихся текстур варьировало в случайном порядке. В задачу испытуемого входило определить, присутствует ли среди предъявленных однородных паттернов (дистракторов) целевая текстура, и сообщить о своем решении нажатием соответствующей клавиши.
В одной части эксперимента целью служила модулированная текстура, а дистрактором - немодулированная. В другой части - наоборот. Строились зависимости времени реакции от числа одновременно предъявляемых паттернов (отдельно для случаев наличия и отсутствия целевой текстуры в изображении).
На графиках, отражающих индивидуальные показатели испытуемых, каждое значение получено в результате усреднения 400 проб.
Испытуемые. В экспериментах приняли участи 4 испытуемых мужского и женского пола с нормальным зрением. Возрастной диапазон составил от 22 до 48 лет. Уровень образования - от неполного высшего до высшего. Широкий возрастной диапазон позволил выявить закономерности, не зависящие от этапов онтогенетического развития обследуемых. Исследования выполнялись с соблюдением этических норм. Испытуемые БМА и КМЮ участвовали во всех экспериментальных сериях, БВВ - в 1-й и 2-й, а ПМА - в третьей.
Исследование взаимосвязи пространственных характеристик зрительных механизмов первого и второго порядка
Первая серия экспериментального исследования посвящена установлению возможной связи частоты несущей (пространственная частота изменение яркости) с оптимальной частотой огибающей (пространственная частота изменения контраста) (см. раздел 2.2.2). Использовались паттерны, модулированные по контрасту, способные тем самым активировать фильтры второго порядка.
Мы исходили из предположения, что если эти фильтры второго уровня избирательны к частоте модуляции контраста, то образованные паттерны будут активировать их с разной эффективностью, а это отразится на порогах обнаружения модуляции. Если же такой избирательности нет, то порог обнаружения модуляции не будет зависеть от отношения частоты огибающей и несущей. Индивидуальные результаты каждого из испытуемых, полученные в первой экспериментальной серии, показаны на рисунках 18-20.
У испытуемого БАВ /Рисунок 18/ пороги обнаружения модуляции контраста при ориентации патчей, перпендикулярной оси модуляции (патчи ориентированы вертикально), находятся в диапазоне от 0,69 до 1,12 дБ. При параллельной ориентации оси модуляции к оси патчей (горизонтальная ориентация патчей) - в диапазоне от 0,88 до 1,44 дБ. Различия статистически (р 0,05) достоверны.
Максимальное значение порога в обоих случаях приходится на отношение огибающей к несущей, равное 1/32. При отношении частот, равном 1/16 величина порога статистически достоверно снижается относительно уровня 1/32, а при отношении 1/8 принимает минимальное значение. При отношении 1/4 порог статистически достоверно увеличивается, относительно значения при отношении 1/8. При отношении 1/2 пороговые величины принимают промежуточное значение между минимумом и максимумом кривой. При модуляции, перпендикулярной ориентационной оси патчей, порог достоверно отличается от минимального значения (1/8), при параллельной ориентации осей -достоверно отличается от максимального (1/32). Можно предположить, что такое отношение огибающей к несущей (т.е. 1/2) препятствует пространственному группированию. Здесь, вероятно, имеет место механизм, основанный на локальном сравнении отдельных патчей.
У испытуемого БОА /Рисунок 19/ пороги обнаружения модуляции контраста лежат в пределах от 0,78 до 1,55 дБ при модуляции, перпендикулярной ориентационной оси патчей, и в диапазоне от 1,14 до 1,74 дБ при модуляции, параллельной ориентационной оси. Конфигурация кривых сходна с таковой у испытуемого БАВ. При отношении частот, равном 1/16 величина порога снижается относительно уровня 1/32, а при отношении 1/8 принимает минимальное значение. При отношении 1/4 также наблюдается достоверное увеличение, относительно значения порога при отношении 1/8. При отношении частот, равном 1/2 пороговые значения достоверно отличаются как от минимального (в сторону увеличения), так и от максимального (снижаются) значения полученной кривой (в случае перпендикулярной ориентации оси модуляции к оси пат-чей), и достоверно отличается от максимального (в случае параллельной ориентации осей).
У испытуемого БМА /Рисунок 20/ пороги обнаружения модуляции контраста лежат в диапазоне от 0,97 до 1,64 дБ при модуляции, перпендикулярной ориентационной оси патчей, и в диапазоне от 1,08 до 1,83 дБ при модуляции, параллельной ориентационной оси. Максимальное значение порога в обоих случаях приходится на отношение огибающей к несущей, равное 1/32, минимальное - 1/8. При отношении частот, равном 1/16 в обоих случаях наблюдается снижение порога относительно порогового значения при 1/32, тогда как в диапазоне частот 1/16 - 1/4 наблюдаемые изменения не являются достоверными. При отношении 1/2 пороговые величины занимают промежуточное положение между минимумом и максимумом кривой, и достоверно отличаются от минимального значения (при 1/8).
