Ваш психолог

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

Г-*/г, (1)

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

#<ЛПо§м^, (2)

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.

Выводы

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.

Литература

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.