ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ основы ВОСПРИЯТИЯ И ПАМЯТИ |
М - МОЗГ и психическая деятельность | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
А. Н. ЛЕБЕДЕВ Психофизиологические основы быстрой обработки воспринимаемых и извлекаемых из памяти сигналов с целью своевременного принятия необходимых решений еще не раскрыты. Число, запечатленных в долговременной памяти человека событий крайне велико, НО все же не бесконечно. Оно не превышает ОДНОГО! миллиарда, если считать, что длительность запечатления одного, события примерно равна 1 сек., а средняя продолжительность, жизни человека — около семидесяти лет. Удивительно, что необходимые сведения из столь обширных кладовых памяти извлекаются, как правило, необычайно быстро, за десятые доли секунды. Данные М. Н. Ливанова [3] о пространственной организации узкополосных периодических процессов мозга как естественной физиологической основе восприятия и памяти позволяют раскрыть не только качественно, но и количественно предполагаемый нейрофизиологический механизм быстрого извлечения сведений из памяти. Особое значение в предполагаемом механизме придается небольшим различиям между периодами и фазами колебаний нейронной активности в узкой полосе доминирующих частот электроэнцефалограммы. Если различия меньше некоторой критической величины, то такие колебания сливаются вместе, захватываются, иначе они существуют независимо, обеспечивая многообразие состояний нейронных систем. Пространственная суммацпя самых близких независимых частот в полосе альфа-ритма объясняет, по М. Н. Ливанову, происхождение эффекта биений частот или веретен альфа-ритма. Нетрудно вычислить, что длительность периода биений не превышает значения Где средний период альфа-волны, г — критическая, т. е. наименьшая разность между периодами альфа-волн, взятая по отношению к их среднему значению и равная примерно 10%, г—0,1. Примерная оценка критической разности получена впервые в опытах с навязыванием ритма световых мельканий у животных [2], а затем при непосредственном измерении веретен альфа-ритма у человека [1]. Согласно нашей гипотезе, указанная величина критического интервала количественно определяет разнообразие сведений, хранимых в кратковременной памяти, а также быстроту поиска сведений в долговременной памяти. Гипотеза. Воспринимаемые сигналы кодируются реактивными последовательностями (цепочками) когерентных нейронных разрядов в разных пунктах мозга. Длительность одной цепочки пе превышает периода доминирующих колебаний нейронной активности. Цепочкп различаются двумя признаками: значениями скрытых периодов своего возникновения и количеством когерентных нейронных разрядов (волн), включенных в каждую. из них. Различия по каждому признаку не превышают величины 1. Следовательно, максимальное число всевозможных комбинаций из цепочек импульсов не превышает значения т. е. примерно одного миллиарда. Вычисленное значение ограничивает предположительно объем кратковременной пам:яти величиной Где М — субъективный алфавит воспринимаемых сигналов, не всегда совпадающий с их объективным алфавитом. Строго говоря, значение М равно числу равновероятно ожидаемых сигналов в каждой конкретной ситуации измерения, а значение Н равно максимально возможному числу таких сигналов, запечатлеваемых в кратковременной памяти за один прием. Объем сенсорной памяти, например иконической, намного больше, но такие сигналы быстро, за 1 сек., стираются, поскольку за это время- происходит взаимный захват всех колебаний, различающихся своимп фазами и периодами меньше, чем на 10%. Согласно уравнению (2) объем кратковременной памяти, выраженный в десятичных единицах информации, не превышает девяти цифровых символов, а в двоичных единицах он не больше 30 бит, Вычисленное значение объема кратковременной (оперативной) памяти обеспечивает быстроту поиска сведений, хранимых в долговременной памяти, поскольку число ячеек долговременной памяти и число всевозможных комбинаций сигналов в кратковре- • менной памяти соизмеримы между собой. Каждая ячейка состоит нз множества различно локализованных нейронов, способных к избирательной когерентной активации той или иной определенной комбинацией из реактивных импульсных последовательностей, а также комбинацией из фоновых импульсных последовательностей. Такой способ обращения к ячейкам долговременной памяти называется адресацией по содержанию. Заметим, что в состав ячейки входят, в частности, нейроны - детекторы простых и сложных признаков либо командные нейроны, если речь идет о ячейках, хранящих программы действий. Остается под вопросом, может ли быть ячейка представлена всего одним нейроном, откликающимся избирательно на одну комбинацию входных импульсов из числа всех комбинаций. Хотя такая возможность и представляется сейчас маловероятной, ее нельзя исключить, если учесть известные данные Е. Н. Соколова с соавторами [4]. Казалось бы, адресация по содержанию способна обеспечить мгновенное извлечение содержимого из любой ячейки памяти, но этого не происходит. Типичными являются задержки до десятых Долей секунды. Задержки объясняются малыми различиями частоты фоновых и реактивных колебаний нейронной активности в узком диапазоне ритмов электроэнцефалограммы. Вследствие небольших различий между периодами колебаний реактивная комбинация когерентных импульсных разрядов может совпасть с аналогичной фоновой комбинацией только в случайный момент времени в пределах одного периода биений частот, т. е. в пределах 1 сек, согласно уравнению (1). Момент совпадения соответствует моменту опознания воспринимаемого сигнала. Случайным образом с вероятностью р—(1—г)1М задержка может оказаться равной нулю, иначе с вероятностью (1 —р) задержка прекращается где-то внутри интервала длительностью Г(1—р)г так что в целом длительность задержки опознания определена соотношением Ас—1 Г(Л/) = (1-р)[-^ 5 Т(1-х)Лх]=ТЦ-р?12, (3> Х—Р Где Ж —число равновероятно ожидаемых сигналов (алфавит). Для опознания предъявляется один из них. Оба уравнепия — объема кратковременной памяти (2) и задержки опознания (3) — позволяют подвергнуть нашу гипотезу количественной экспериментальной проверке. Экспериментальная проверка гипотезы. Сначала в опытах, выполненных с И. А. Комаровой-, мы определили объем кратковременной памяти у десяти испытуемых. Каждому десятикратно' предлагали запомнить случайные строки, состоящие либо из девяти цифровых символов, либо из семи буквенных символов русского языка, либо из трех слогов типа согласная-гласная-соглас - ная. Оказалось, что вычисленное по формуле (2) значение предела кратковременной памяти не удалось превзойти ни одному из десяти испытуемых ни в одной из трех серий. Только в последней серии при запоминании случайных слогов экспериментальная оценка объема близко приближалась к теоретическому пределу, равному примерно 30 битам. Испытуемые в этой серии после двухсекундной экспозиции строки тотчас воспроизводили в среднем 2,3 слога, что эквивалентно 28 битам. Следовательно, предположение о 10%-ном значении критического интервала по отношению к средней длительности периодов когерентных колебаний нейронной активности, следующее из физиологических предпосылок (г>£/10), согласуется с результатами психологических опытов. Далее, в опытах, выполненных нашими сотрудниками Б. Г. Бовиным, В. А. Красавиным, О. И. Артеменко и Т. А. Ренгевич, были измерены скрытые периоды реакции выбора у 21 испытуемого. У каждого из них зарегистрировано в среднем по 256 реакций. Сигналами служили изображения цифровых и буквенных символов, карточных мастей, знаков арифметических операций. Сигналы предъявлялись по одному, а число равновероятных ответов (нажатий па кнопку) во всех ситуациях выбора было по-
Стоянным, равным двум, при переменном алфавите ожидаемых сигналов. Ровно половина сигналов из каждого алфавита требовала нажатий на одну, другая, хорошо известная половина — на другую кнопку. Измерялось время от начала экспозиции символа до момента нажатия. Ошибочные ответы не учитывались. У всех испытуемых зарегистрирован в состоянии покоя альфа - ритм в затылочной области и по автокоррелограммам вычислено* среднее значение периодов альфа-ритма. Всего в разное время и при участии разных испытуемых и разных экспериментаторов выполнены две серии идентичных опытов, результаты которых отражены в таблице. Задержка опознания составляет часть скрытого периода сенсо - моторных реакций. Согласно уравнению задержки (3) эта часть линейно зависит от периода альфа-ритма. Мы предположили, что и остальная часть скрытого периода, включающая затраты времени на выбор действия, формирование нейронных сигналов, их распространение, также линейно зависит от периода альфа-волн с коэффициентом (х), определяемым из опытных данных: Г=хШ(М). (4) Согласно данным таблицы для первой серии #=3,49, а для второй — ж=1,94. С учетом найденных коэффициентов мы определили по формуле (4) теоретические значения скрытого периода реакций выбора (М&*2) и нашли, что они отличаются от экспериментальных данных в среднем всего на 5 % • Вместе с тем теоретические значения частоты альфа-ритма* вычисленные по результатам измерения скрытых периодов реакций с учетом формулы (4), как выяснилось, положительно коррелируют с реальными индивидуальными значениями этой частоты. Коэффициент корреляции, равный +0,689, значимо отличается от нулевого значения. Результаты опытов количественно согласуются с выдвинутой гипотезой о механизме опознания. Таким образом, проверка гипотезы о способе кодирования воспринимаемых и хранимых в памяти сигналов комбинациями пространственно согласованных импульсных последовательностей в диапазоне частот альфа-ритма оказалась в целом успешной. Опыты подтверждают положение М. И. Ливанова [3] о том, что системы пространственно организованных когерентных узкополосных колебаний нейронной активности служат основой психофизиологических механизмов восприятия и памяти. 1. Объем кратковременной памяти определяется числом комбинаций из реактивных цепочек пространственно согласованных нейронных разрядов. Цепочки различаются скрытыми периодами своего возникновения и числом включенных в них когерентных нейронных залпов (волн). Интервалы между когерентными залпами, т. е. разрядами, составляют самое малое 10% от средней длительности периодов согласованных колебаний нейронной активности. Поэтому согласно уравнению (2) объем кратковременной памяти не превышает девяти десятичных или тридцати двоичных единиц информации. 2. Длительность опознания воспринимаемых сигналов зависит согласно уравнению (3) от их алфавита, индивидуальных значений средней частоты альфа-ритма и критической разности между периодами когерентных колебаний в полосе альфа-ритма, не превышая (в случае опознания одного сигнала) половины секунды. 1. Комарова И. А., Лебедев А. Н,, Литвин В. Е. Индивидуальный прогноз работоспособности оператора по параметрам его электроэнцефалограммы,— В кн.: Инженерно-психологические проблемы АСУ. Киев: Техника, 1975, с. 68—71. 2. Ливанов М. Н. О неравномерном развитии некоторых частотных процессов, слагающих электроэнцефалограмму и о ритме Бергера.— Физиол. журн. СССР, 1940, т. 28, вып. 2/3, с. 157-171. 3. Ливанов М. Н. Пространственная организация процессов головного мозга. М.; Наука, 1972. 182 с. 4. Фомин С. В., Соколов Е, Н., Вайткявичус Г. Г. Искусственные органы чувств. М.: Наука, 1979. 179 с.
|