Психическая регуляция деятельности. Избранные труды

Борис Ломов, 2006

В книге представлены избранные труды члена-корреспондента РАН, основателя и директора Института психологии Российской академии наук Б. Ф. Ломова. Эти работы, посвященные проблемам психической регуляции деятельности, ранее были опубликованы в периодических изданиях, в сборниках и монографиях и отражают развитие научных представлений Б. Ф. Ломова на протяжении более чем 40 лет.

I

Восприятие и движение

Механизм элементарных движений глаз как следящая система

В изучении механизма движений глаз наибольшее распространение получили гипотезы, трактующие его как устройство, работающее по программе. Предполагается, что, прежде чем глаз совершит то или иное движение, в управляющем центре должна сформироваться программа, которая и определит характеристики этого движения. Утверждается, что принцип программирования пронизывает все уровни глазодвигательной системы. Ему подчиняется работа не только тех уровней, которые определяют последовательность перемещения взгляда, маршрут осмотра объектов, но и тех, которые регулируют элементарные движения. Например, считается, что до того, как глаз совершит скачок от одной точки фиксации к другой, должна быть сформирована программа, задающая направление, амплитуду и скорость этого сигнала. Формирование такой программы является содержанием латентного периода, предшествующего скачку.

Видимо, нет оснований сомневаться в том, что высшие уровни регуляции движений глаз (в особенности произвольные движения) связаны с формированием программы. Принцип программирования отчетливо обнаруживается в том случае, когда человек осуществляет целенаправленную сознательную деятельность наблюдения. Наблюдающий заранее намечает последовательность осмотра объектов, стратегию поисков, которые определяют маршрут движений глаз^[2]. Но даже и в этом случае программа вряд ли выступает в качестве детального предписания всех элементов маршрута осмотра объектов, находящихся в поле зрения: направления, амплитуды и изменений скорости каждого скачка и длительности каждой фиксации^[3].

Разумеется, можно предполагать, что детальная программа движений глаз формируется на неосознаваемом уровне. Однако вряд ли такой способ управления движениями глаз (управление по программе) является наиболее эффективным и надежным. По грубому расчету глаз в течение суток (за время бодрствования) совершает около 100 000 скачков. Добавив к этому другие виды движений, мы получим астрономическую величину. Если бы каждое элементарное движение осуществлялось по программе, которая должна детально учитывать многие особенности внешней и внутренней стимуляции, то легко представить, насколько огромной была бы работа управляющей системы по программированию (и насколько громоздкой должна была бы быть эта система). Имея в виду общие законы эволюции, логичнее предположить, что управление элементарными движениями глаза осуществляется по более простому и более универсальному принципу.

Исследования показывают, что элементарные движения глаз не осознаются и произвольно не регулируются. Их характеристики определяются не столько заранее сформированной внутренней программой (сознаваемой или несознаваемой), сколько условиями наличной зрительной стимуляции [9, 10].

Детерминанты элементарных движений глаз

Как известно, в условиях свободного рассматривания неподвижных объектов перевод взгляда с одной точки на другую осуществляется скачкообразным движением. В естественных условиях величина скачка обычно не превышает 20°, причем минимальные скачки составляют 2–5 угл. мин. В процессе скачка скорость движения плавно нарастает, достигает некоторого максимума, а затем плавно убывает до нуля, при этом время нарастания скорости и время ее падения примерно равны. Типичная прямая скачка представлена на рис. 1.1. Максимальная достигаемая скорость зависит от величины скачка, определяемой расстоянием между точками фиксации. Исследования показывают, что человек не в состоянии произвольно изменять продолжительность, скорость и характер скачка [119].

При объяснении механизмов скачка выдвигается предположение, что он осуществляется по некоторой «двигательной» программе, формирующейся до начала скачка на основе зрительной информации о расстоянии между его начальной и конечной точками [96, 119]. Такая предваряющая скачок программа кажется необходимой, поскольку, как утверждают многие исследователи, [96,100, 119], глаз в процессе скачка не получает зрительной; информации и, следовательно, исключена возможность коррекции движения в ходе его выполнения. Утверждается также, что контроль скачкообразного движения осуществляется проприоцептивно [80].

Рис. 1.1. Скачок глаза при произвольной смене точек фиксации

С целью проверки гипотезы программированного скачка нами были проведены эксперименты, в которых сравнивались движения глаз при свободном рассматривании и в условиях стабилизации стимула относительно сетчатки. Предполагалось, что если гипотеза программированного движения справедлива, то в обеих ситуациях при равенстве расстояния между стимулами, а следовательно, и тождественности формирующихся двигательных программ характер движения будет одинаков.

Методика экспериментов. Поскольку задачей экспериментов являлось сравнение движений глаз при восприятии точечных стимулов в условиях свободного рассматривания и при стабилизации стимулов относительно сетчатки, необходимо было исключить влияние предварительной настройки испытуемого на каждый из упомянутых режимов. Иначе говоря, надо было обеспечить тождественность постановки эксперимента и для условий свободного рассматривания, и для условий стабилизации, чтобы испытуемый не знал, какой из стимулов (стабилизированный или нет) предъявляется ему в каждой данной пробе.

Эксперименты проводились на установке, схема которой показана на рисунке 1.2. В установке имеются два осветителя. Один, глазной, размещен на присоске, укрепленной на глазном яблоке испытуемого, другой является внешним, не связанным с глазом. Луч от каждого осветителя проецируется на расположенный перед испытуемым белый экран и создает световое пятно (точечный стимул). При повороте глаза осветитель, укрепленный на присоске, поворачивается на тот же угол и в том же направлении, что и глаз, и это создает соответствующее перемещение светового пятна. Как видно из схемы, угол между зрительной осью глаза и лучом осветителя будет неизменным при любых поворотах глаза, и поэтому положение светового пятна окажется стабилизированным относительно сетчатки, т. е. при любых поворотах глаза местоположение проекции пятна на сетчатке не будет изменяться (световое пятно, создаваемое глазным осветителем, как бы привязано к глазу).

Световое пятно, создаваемое внешним осветителем, проецируется на экран в то же место, что и световое пятно от глазного осветителя, когда глаз занимает исходную позицию. Но оно не стабилизировано относительно сетчатки, и при движении глаза его проекция на сетчатке будет изменяться соответственно этому движению. Яркость и размер световых пятен подобраны с таким расчетом, чтобы испытуемый не мог получить информацию о том, какой из осветителей (внешний или глазной) включен в данный момент. Тем самым обеспечиваются условия, при которых вся информация об изменении положения стимула относительно глаза будет поступать в зрительную систему только после начала движения глаза.

Рис. 1.2. Схема экспериментальной установки для измерения характеристик движений глаз в условиях стабилизации

1 — присоска; 2 — глазной осветитель; 3 — внешний осветитель; 4 —переключатель осветителей; 5 — датчик; 6 — приемные антенны; 7 — регистрирующий осциллограф; a — угол рассогласования

В ходе эксперимента включение внешнего и глазного осветителей чередовалось в случайном порядке. Для регистрации движений глаз использовалась электромагнитная установка, описанная нами ранее [11].

В экспериментах первой серии стимульной переменной был угол между зрительной осью глаза и лучом от глазного осветителя, который устанавливался в начале опыта. В дальнейшем будем называть его углом рассогласования. Соответственно изменению величины этого угла изменилась дистанция между исходной точкой фиксации взгляда и предъявляемым стимулом.

Эксперименты проводились в затемненной комнате, так что испытуемый видел перед собой только два световых пятна, высвечиваемых на экране: центральную фиксационную точку, расположенную в месте проекции зрительной оси на экран, и одну из стимульных точек, находящихся на периферии. Чтобы центральная фиксационная точка не вносила каких-либо искажений и не отвлекала испытуемого от основной задачи, в момент появления стимульной точки она исчезала (проецирующий ее осветитель выключался).

Последовательность проведения эксперимента была следующей.

После установки присоски на глаз испытуемому предлагалось смотреть на фиксационную точку, высвечиваемую на экране. Включался глазной осветитель, и экспериментатор замерял линейную величину смещения точки относительно центральной фиксационной. Угол рассогласования определялся по формуле

α = arctg h/L,

где a — угол рассогласования; h, — величина смещения стимульной точки относительно фиксационной; L — расстояние от глаза до экрана.

С первой стимульной точкой, проецируемой глазным осветителем, совмещалась вторая, проецируемая внешним осветителем.

На этом заканчивалась подготовительная и начиналась измерительная часть эксперимента.

Все осветители выключались, и испытуемому давалась возможность адаптироваться к темноте в течение 30–50 сек. После этого высвечивалась центральная фиксационная точка, а испытуемому предлагалось смотреть на нее. Через 2–3 сек. фиксации она исчезала и в этот момент включался один из осветителей, высвечивающий стимульную точку. Производилась регистрация движения глаза. На экране осциллографа регистрировался маршрут движения с нанесенными на него отметками времени. Зная линейную величину перемещения луча по экрану и время, при заданном масштабе регистрации можно было определить угловую скорость движения глаза:

V град/сек = SM/Kt,

где S — величина перемещения луча на экране осциллографа в см; K — количество отметок времени; t — масштаб временной отметки в мсек; М — масштаб регистрации, определяемой при калибровке М= b°/l; l — отклонение луча в см на экране осциллографа при повороте глаза на угол b.

Каждый эксперимент включал 5–6 проб (замеров).

Величина угла рассогласования изменялась от 1 до 6° в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Отличие второй серии экспериментов от первой состояло в том, что стимульной переменной являлась яркость светового пятна. Изменения видимой яркости достигались путем изменения дистанции наблюдения (расстояние от глаза испытуемого до экрана) и использования экрана с различной отражающей способностью. Комбинация этих двух способов, как показали пробные эксперименты, позволяет получить изменение видимой яркости в широких пределах.

В экспериментах второй серии измерялась скорость движений глаз при углах рассогласования от 2 до 6° и яркостях стимула от 10 до 200 апостб.

Эксперименты первой серии показали, что при стабилизации стимула относительно сетчатки характер движений глаз существенно отличается от условий свободного рассматривания. Если при свободном рассматривании перевод взгляда с точки на точку осуществляется скачком, то в условиях стабилизации движение глаза приобретает характер скольжения с относительно небольшой угловой скоростью. При этом в начальный момент (10–15 мсек) движение начинает развиваться как скачок, т. е. наблюдается нарастание скорости, но затем движение переходит в скольжение с постоянной скоростью. Величина движения для условий стабилизации не зависит от угла рассогласования и ограничивается только временем, в течение которого видимый стимул «выцветает» и исчезает (2–3 сек.). Глаз при скольжении движется до тех пор, пока испытуемый видит стабилизированный стимул. Величина поворота глаз превосходит угол рассогласования в 3–5 раз. С исчезновением стимула глаз останавливается и возвращается в исходное положение.

Полученные данные не согласуются с гипотезой программированного движения, согласно которой программа формируется во время латентного периода или во время промежуточной фиксации. Поскольку в наших экспериментах испытуемый не имел никакой информации о характере предъявляемого стимула, естественно было бы ожидать, что формируемая программа движения и в условиях свободного рассматривания, и в условиях стабилизации должна быть одной и той же. В обоих сравниваемых условиях мы наблюдали бы сходные по своим характеристикам движения (скачки). Между тем по своему характеру движения оказались существенно различными: в условиях свободного рассматривания — скачок, в условиях стабилизации — скольжение.

С позиции гипотезы программированного движения следовало бы также ожидать, что в условиях стабилизации переходу скачка в скольжение должны предшествовать коррекция и перестройка сформированной в течение латентного периода программы, а значит, и остановка глаза (промежуточная фиксация). Между тем переход осуществлялся непосредственно — никаких промежуточных фиксаций мы не наблюдали.

Рис. 1.3. Изменение скорости «скользящих» движений в зависимости от угла рассогласования

I — в горизонтальной плоскости; II — в вертикальной плоскости; III — в вертикальной плоскости вниз

Как показали эксперименты, скорость скольжения (V) зависит от угла рассогласования: с возрастанием этого угла от 1 до 6° она увеличивается от 3 до 15 град/сек (рисунок 1.3). При дальнейшем возрастании угла рассогласования она не увеличивается оставаясь на уровне 15–17 град/сек, т. е. указанная зависимость проявляется только в определенных пределах (при углах рассогласования 1–6°).

Такое ограничение в отношении углов рассогласования пока не нашло достаточно четкого объяснения, однако можно предположить, что вопрос связан не с предельными углами рассогласования, а с максимальной скоростью скольжения, определяемой характеристиками системы.

Поскольку в условиях стабилизации стимул в течение всего времени эксперимента проецируется на одно и то же место сетчатки, в ходе скользящего движения глаза происходит его постепенное потускнение вплоть до полного исчезновения, т. е. видимая яркость стимула уменьшается до нуля. Как отмечалось, время исчезновения видимого стимула определяет величину скользящего движения.

Естественно, возникает вопрос о том, не оказывает ли видимая яркость стимула влияния и на другие характеристики скользящего движения и, прежде всего, на его скорость.

Для выяснения этого вопроса и была проведена вторая серия экспериментов, методика которой описана выше.

Как показали предварительные эксперименты этой серии, при изменении яркости стимула изменяется и скорость скользящих движений. Вместе с тем выяснилось, что скорость этих движений связана не с абсолютной величиной стимула, а с ее ощущением, зависящим от чувствительности глаза в данный момент. Так, после темновой адаптации скорость скользящих движений была больше, чем без нее, но использование экранов с различным альбедо при небольшом фоновом освещении не приводило к изменению скорости. Поскольку при смене экранов с различными коэффициентами отражения яркость стимула и фона изменялась в одно и то же число раз, естественно было предположить, что основное влияние на скорость движения глаза оказывает не яркость стимула, взятая сама по себе, а ее отношение к яркости фона.

В связи с этим в методику эксперимента было внесено некоторое изменение: регулируя фоновую яркость при помощи внешнего осветителя и нейтральных светофильтров (с коэффициентом пропускания 1,18 и 2,65), мы изменяли контраст. Когда фоновый осветитель выключался, контраст был максимальным и стимульная точка воспринималась как максимально яркая. При стабильной яркости стимульной точки в 200 апостб. яркость фонового экрана менялась от 0 до 150 апостб. Всего использовалось пять градаций контраста.

Эксперименты показали, что с увеличением контраста стимульной точки по отношению к фону скорость скользящих движений глаза увеличивается (рисунок 1.4). Однако эти изменения наблюдаются лишь для углов рассогласования до 6°. Как и в первой серии экспериментов, максимальная скорость скользящих движений оказалась 15–17 град/сек.

При больших относительных яркостях стимула (300–350 апостб.) скользящее движение превращается в скачок. Переход движения глаза к саккадическому режиму показан штриховой линией (см. рисунок 1.4). Для каждой величины угла рассогласования такой переход возникает лишь при определенной относительной яркости стимула. Обращает на себя внимание то, что величина скачков возрастает с увеличением этой относительной яркости. Время остановок при саккадических движениях составляет 50–100 мсек, т. е. оно меньше времени фиксации при свободном рассматривании. Произвольное изменение скорости как скользящих, так и саккадических движений невозможно. Невозможно и произвольное изменение длительности остановок между скачками.

Рис. 1.4. Зависимость скорости «скольжения» глаза (V град/сек) от относительной яркости стимула для различных углов рассогласования (lg (I осв / I фон))

Данные изложенных экспериментов позволяют сделать заключение о том, что основными детерминантами элементарых движений глаз являются угол рассогласования (видимое расстояние между центральной точкой фиксации и стимулом и относительная яркость стимула), т. е. движения глаз детерминируются зрительной стимуляцией. Указанные детерминанты выявлены в условиях стабилизации стимула относительно сетчатки, но их действие, хотя и осложненное многими факторами, проявляется также и в условиях свободного рассматривания. Так, зависимость максимальной скорости скачка от угла рассогласования обнаружена в экспериментах Ярбуса и др. [119]. Зависимость латентного периода саккадических движений и их развития во времени от яркости стимула и его контраста по отношению к фону выявлена в ряде экспериментов [123, 126]. Очевидно, в основе исходного уровня регуляции движений глаз лежит рефлекторный механизм, близкий по типу к безусловно-рефлекторному.

Характеристики глазодвигательной системы как следящего устройства

Из приведенных экспериментальных данных следует, что элементарные движения глаз осуществляются не по заранее сформированной программе, а в соответствии с характеристиками зрительно воспринимаемого стимула, т. е. их регулятором являются зрительные сигналы. Это дает основание предполагать, что развитие элементарного движения глаза обусловливается изменением зрительной стимуляции. По-видимому, на исходном уровне глазодвигательная система функционирует не по принципу системы с программным регулированием, обеспечивающим изменение регулируемой величины по заранее определенному закону, а скорее как следящее устройство.

Среди всех типов систем автоматического управления следящие системы являются наиболее универсальными, поскольку их функционирование осуществляется по наиболее общему закону изменения регулируемой величины. В этих системах меняющееся по любому произвольному закону входное воздействие преобразуется в перемещение исполнительного двигателя. Регулируемая величина X в следящих системах, функционирующих по принципу отклонения, изменяется по некоторому заданному на входе закону Х_о (I) под влиянием управляющего воздействия У, которое вырабатывается управляющим устройством в функции рассогласования DХ = Х₀ — X.

Изложенные выше результаты экспериментов, а также другие данные [3, 5, 6, 7] позволяют отнести глазодвигательную систему к типу следящих. Для случаев, когда глазодвигательная система работает в режиме слежения за движущимся стимулом, это кажется несомненным. Однако можно предположить, что и в других случаях (саккадические движения) она работает как следящая.

Глазодвигательная и собственно зрительная системы соединены цепью обратной связи, поддерживающей функционирование на уровне автоматического слежения. Если сигналы, управляющие движением, отсутствуют либо компенсируются, глазодвигательная система будет находиться в состоянии равновесия. Именно в этом состоянии находится глазодвигательная система при фиксации центрально расположенного стимула. Когда сигналы, поступающие на исполнительный двигатель, превосходят силы упругости, удерживающие систему в состоянии равновесия, она приходит в движение. При этом скорость движения находится в определенной зависимости от величины сигналов. В свою очередь величина управляющего сигнала определяется расстоянием места воздействия стимула от центра и его интенсивностью (относительная яркость).

Собственно зрительная система, как известно, является многоканальной, а сетчатка может быть представлена в виде системы входов, упорядоченных в пространстве. В условиях свободного рассматривания при появлении стимула на периферии возбуждается один из входов (или группа близко расположенных входов), возникают рассогласование (Х) и соответствующий его величине управляющий сигнал (Y), что вызывает отрабатывание глазодвигательной системы. При этом чем дальше находится возбуждаемый канал от fovea, тем больше величина управляющего сигнала, а следовательно, и тем большая скорость задается исполнительным механизмам. В свою очередь перемещение глаза влечет за собой изменение положения стимула относительно сетчатки и подключает новые входные каналы. Возбуждение каждого очередного входа дает новый сигнал, и, хотя его величина меньше величины начального сигнала, поскольку при движении глаза рассогласование DХ уменьшается, этот новый сигнал подключается в тот момент, когда исполнительный орган уже находится в движении с некоторой скоростью. В результате скорость движения увеличивается. Плавное нарастание скорости в первой фазе скачка обусловлено, на наш взгляд, тем, что управляющие сигналы последовательно «накладываются» на изменяющуюся в результате воздействия предшествующих управляющих сигналов регулируемую величину.

По мере приближения сигнала к fovea величина каждого нового управляющего сигнала уменьшается, а соответственно уменьшается и ускорение движения (к концу первой фазы скачка).

Иначе говоря, по ходу движения глаза изменяются зрительная стимуляция, величина входного сигнала, а соответственно и скорость этого движения.

Предложенная схема, как нам представляется, может объяснить динамику изменения скорости скачка в первой фазе. Однако если ограничиться только этим, то нужно было бы ожидать, что максимальная скорость движения разовьется как раз к тому моменту, когда стимул совместится с fovea. В силу этого система должна была бы «проскочить» стимул и прийти в колебательное состояние с уменьшающейся амплитудой.

Подобное явление могло бы иметь место, если бы глазодвигательная система не обладала проприоцепцией. Можно предположить, что скорость скачка ограничивается включением проприоцепции глазных мышц (обратной связи), выполняющих тормозящую функцию. Величина проприоцептивного сигнала определяется скоростью изменения длины глазных мышц, т. е. скоростью поворота глаза. С возрастанием скорости увеличивается и величина проприоцептивного сигнала, а значит, и его тормозящее действие.

Поскольку этот сигнал возникает только в результате движения, т. е. спустя некоторое время после начала этого движения, тормозящее действие проприоцепции проявляется только во второй фазе скачка (участок ниспадающей скорости). Видимо, проприоцепция выступает в роли своего рода скоростного демпфера.

Таким образом, содружественное действие зрительной и проприоцептивной стимуляций обусловливает наблюдаемый характер изменения скорости движения глаза во время скачка (синусоидообразность кривой изменения скорости).

В условиях стабилизации стимула относительно сетчатки величина сигнала рассогласования не изменяется, поэтому последовательно возникающие управляющие сигналы не «накладываются» друг на друга (что характерно для свободного рассматривания), а следовательно, нет и специфического для скачка нарастания скорости. Величина начального сигнала полностью определяет скорость «скользящего» движения, которое, как отмечалось, является равномерным^[4].

В этих условиях, поскольку нет изменения скорости, тормозящие проприоцептивные сигналы обратной связи, по-видимому, очень слабы для того, чтобы повлиять на режим движения. Исходя из наших данных, можно предположить, что они начинают играть какую-то роль в управлении движением только тогда, когда скорость достигает 15–17 град/сек, и этой величиной ограничивают скорость скользящих движений.

После исчезновения вызываемого стимулом зрительного ощущения (в силу местной адаптации) прекращается поступление управляющих сигналов на исполнительные механизмы, система останавливается, а затем под действием упругих сил возвращается в исходное положение.

Для пояснения предложений схемы рассмотрим простейший вариант следящей системы, работающей на основе принципа отклонения (рисунок 1.5).

Система состоит из оптического устройства (7), светочувствительных датчиков (2) и поворотных двигателей-моторов (3). Датчики-фотоэлементы расположены так, что каждый из них закрывает одну половину «поля зрения» и может приводить в движение только один двигатель, отклоняющий оптическую систему в определенном направлении. Такая следящая система работает следующим образом. Если свет от внешнего источника попадает, например, на левый датчик, в цепи возникает электрический ток, приводящий в движение правый мотор. Если свет падает на правый датчик, в движение приходит левый мотор. Моторы включены в схему таким образом, что при засветке одного из фотоэлементов оптическая система будет поворачиваться в сторону источника света до тех пор, пока свет не упадет на другой фотоэлемент; тогда в действие придет другой мотор, т. е. возникнет сила, противодействующая действию первого мотора, и оптическая система остановится.

Рис. 1.5. Иллюстративная схема следящей системы

1 — корпус телескопа; 2 — фотоэлементы; 3 — электромоторы

Если представить такое сравнительно простое следящее устройство в качестве аналога глазодвигательной системы, можно видеть, что оно будет выполнять некоторые элементарные функции, характерные для глазодвигательной системы: слежение за движущимся объектом; смену точек фиксации при резком перемещении стимула из центрального положения, где он освещал оба фотоэлемента, на периферию; движение оптической системы в том случае, когда стимул стабилизирован относительно нее (в этом последнем случае движение будет происходить до тех пор, пока система не дойдет до крайнего положения, либо пока не прекратится действие стимула).

Некоторое усложнение описанного варианта следящей системы, а именно увеличение числа фотоэлементов и включение отрицательной обратной связи, ограничивающей развиваемую системой скорость (аналог проприоцепции), позволяет еще более полно описать работу глазодвигательной системы. Усложненный вариант следящей системы представлен на рисунке 1.6.

Рис. 1.6. Вариант следящей системы

1 — упругие элементы, возвращающие систему в нейтральное положение; 2 — мозаика фотоэлементов; 3 — элементы выделения ускорения системы; 4 — цепь отрицательной обратной связи

Несколько фотоэлементов включены в цепь таким образом, что скорость электромотора будет тем больше, чем дальше от центра расположен возбуждаемый фотоэлемент.

Подобная система работает следующим образом. При возбуждении одного или нескольких «периферических» фотоэлементов включается первый электромотор (1). При этом в силу последовательного подключения новых элементов, расположенных между первоначально возбужденным (периферическим) фотоэлементом и центральным, скорость движения будет прогрессивно нарастать. Однако через некоторое достаточно короткое время сигнал от скоростного демпфера (3) (аналог проприоцептивной обратной связи) включает в действие второй мотор (2). Это ограничивает скорость поворота оптической системы. Последовательное приближение проекции светового стимула к центру приводит к уменьшению скорости поворота. Последний этап работы всей системы представляет собой затухающий колебательный процесс. В силу инерционности передачи сигнала от возбуждаемых фотоэлементов оптическая система поворачивается на угол, больший, чем требуется для точной настройки; в результате возникает новый сигнал и система начинает перемещаться в противоположном направлении, компенсируя возникающее рассогласование. Режим затухающего колебания можно наблюдать в случае скачков глаза при больших угловых расстояниях между начальной и конечной точками фиксации.

Предложенная модель, как нам представляется, может объяснить многие факты, выявленные при изучении движений глаз, в том числе и те, которые получены в исследованиях движений глаз при восприятии движущихся объектов. Как известно, после того как произошел скачок, обеспечивающий совмещение фовеальной области с движущимся стимулом, прослеживание начинается практически мгновенно; заметного латентного периода между концом скачка и началом прослеживающего движения глаза нет [119].

Сторонники концепции программированного движения, объясняя этот факт, вынуждены утверждать, что подготовка прослеживания осуществляется еще до скачка. С точки зрения предлагаемой нами концепции глазодвигательного механизма как следящей системы, этот факт может быть объяснен проще. Он, естественно, вытекает из принципов работы следящей системы. Сигнал рассогласования, вызванный движущимся стимулом, приводит глазодвигательную систему в движение с увеличивающейся скоростью (скачок), но после совмещения центральной области со стимулом скорость движения глаза подстраивается к скорости стимула, поскольку только при этом условии возможно сохранение достигнутого совмещения. Глазодвигательная система работает таким образом, чтобы проекция стимула находилась в центральной области сетчатки. В результате следящее движение является относительно плавным, возникающие сигналы рассогласования тотчас же компенсируются, что соответствует некоторым отклонениям (зубцам) на регистрируемой общей кривой относительно плавного движения.

С гипотезой «следящей системы» согласуется также и тот факт, что в процессе прослеживания всегда имеет место некоторое отставание центральной области сетчатки (соответственно, зрительной оси) от движущегося стимула.

Прослеживание «убегающего стимула» (как, например, в опытах Ярбуса с зеркальцем, укрепленным на присоске [269]) имеет скачкообразный характер. Скачки наблюдаются также при прослеживании стимула, движущегося с ускорением. В соответствии с предложенной гипотезой такой характер движений обусловлен управляющим воздействием тормозящих проприоцептивных сигналов, возникающих при ускорениях движения глаза.

Предложенная гипотеза объясняет также тот факт, что при больших скачках время нарастания скорости меньше времени торможения, т. е. кривая изменения скорости скачка асимметрична [119]. Это обусловлено совместным действием уменьшения величины угла рассогласования (а следовательно, и управляющего сигнала) и связанного с ним уменьшения тормозящего действия проприоцептивной обратной связи. Эта гипотеза объясняет и тот факт, что при больших скачках (более 15–20°) наблюдается период движения глаза с относительно равномерной скоростью.

Факт перехода скользящего движения (в условиях стабилизации стимула) в скачок при больших значениях относительной яркости стимула может быть объяснен как результат воздействия тормозящих проприоцептивных сигналов. При большой относительной яркости движение глаза совершается со значительным ускорением, а развиваемая скорость превышает предельную величину, что обусловливает усиление тормозящих проприоцептивных сигналов обратной связи, а следовательно, и перерывы в движении.

Представление о глазодвигательной системе как следящей хорошо согласуется с данными, полученными при изучении движений глаз в условиях «узкого поля зрения».

Вопрос о саккадическом подавлении, часто возникающий в связи с оценкой зрительного восприятия и глазодвигательной регуляции в момент скачка, не имеет прямого отношения к рассматриваемому случаю. Во-первых, совершенно не обязательно полагать, что в качестве управляющих сигналов выступают только осознаваемые ощущения и восприятия. Во-вторых, поскольку режим скачка для следящей системы является «переходным» процессом, характеризующимся ее внутренней структурой, совершено не обязательно предполагать восприятие стимула в течение всего (или почти всего) времени скачка.

Следует заметить также, что само саккадическое подавление не является полным [271], а яркие стимулы во время движения глаз воспринимаются без подавления [260]. Не случайно некоторые авторы высказывают сомнение в самом факте существования саккадического подавления [31].

Одним из важных путей проверки любой гипотезы является анализ следствий, которые из нее вытекают.

1. Исходя из гипотезы «следящей системы» можно ожидать, что при предъявлении не одного, а нескольких стимулов, удаленных от fovea, движение глаза будет определяться как результирующий вектор нескольких векторов для каждого из стимулов в отдельности (согласно правилу параллелограмма).

С целью проверки высказанного предположения предъявлялись два стабилизированных относительно сетчатки стимула, одинаково удаленных от fovea и расположенных под некоторым углом по отношению друг к другу в плоскости, перпендикулярной зрительной оси (угол образован воображаемыми линиями, проведенными от центральной точки к каждому из двух стимулов). Испытуемому предлагалось наблюдать одновременно оба стимула. Если угол между равноудаленными от центра стимулами составляет 45°, то результирующий вектор должен проходить под углом 22,5° (по биссектрисе), а скорость результирующего движения должна быть в 1,84 раза больше, чем скорость любого из них в отдельности.

Эксперименты подтвердили это предположение. Направление движения совпало с ожидаемым, а его скорость оказалась в 1,5 раза больше скорости движения при предъявлении одного стимула. Некоторое расхождение между расчетной и реально наблюдаемой величинами скорости, по-видимому, объясняется тем, что зависимость скорости скользящего движения глаза от угла рассогласования различна для разных направлений (возможно также, что эта зависимость не является строго линейной).

Если испытуемому предлагалось наблюдать лишь за одним стимулом из предъявленной пары, движение и по скорости, и по направлению почти не отличалось от того движения, которое характерно для восприятия одного стимула. По-видимому, в этом случае возбуждение от второго стимула отфильтровалось и поэтому не оказало влияния на характеристики движения глаза. Аналогичные результаты получены при предъявлении трех стимулов.

Однако в условиях предъявления нескольких стимулов (двух или трех) можно сознательно направить взор на движение реального стимула только по одному из направлений. Оно не может быть осуществлено в любом произвольном направлении, даже если и дается соответствующая инструкция. Эти факты свидетельствуют о том, что человек может произвольно выбрать направление движения, но, как только выбор сделан, в силу вступают принципы работы следящей системы: скорость движения определяется углом рассогласования и относительной яркостью выбранного стимула.

Если же выбор не был сделан, то глазодвигательная система ведет себя как любая следящая система, реагирующая на множество стимулов.

2. Другое следствие из гипотезы «следящей системы» состоит в предположении о существовании зоны нечувствительности. Для включения следящей системы необходимо, чтобы был некоторый угол рассогласования между центром поля чувствительных элементов (точкой максимальной чувствительности) и положением объекта, за которым производится слежение. Но величина этого угла не может быть сколько угодно малой. Слежение начинается лишь тогда, когда рассогласование достигает некоторого определенного значения. Любые меньшие отклонения попадают в зону нечувствительности и не вызывают срабатывания следящей системы. Факт существования зоны нечувствительности был выявлен Глезером [71]. По его данным, зона, в пределах которой смещение стимульной точки не вызывает движений глаз, составляет 5–7 угл. мин.

3. Наконец, согласно гипотезе «следящей системы», возникает предположение, что если стимул жестко не связан с входом системы (и она может изменять свою ориентацию относительно стимула), то должно возникать некоторое расхождение между оптической осью системы и направлением на стимул. Расхождение должно возникать не только в условиях прослеживания движущегося стимула, но и в стационарном режиме (фиксация стимула). Величина этого расхождения определяется, с одной стороны, зоной нечувствительности, с другой — разностью сил, возвращающих систему в исходное положение, и сил, поворачивающих ее в направление стимула. Иначе говоря, фиксация стимула при повороте глаза не должна быть абсолютно точной.

Для проверки этого предположения нужно было замерить точное положение проекции зрительной оси глаза относительно фиксируемого стимула при различных углах поворота глаза. С целью решения этой задачи мы использовали установку, в которой применялся миниатюрный осветитель, укрепленный на глазной присоске (подробнее см. [10]). Проекция луча осветителя точно совмещалась с проекцией зрительной оси глаза. При любом повороте глаза перемещалось от осветителя и световое пятно. Расстояние между световым пятном и точкой фиксации позволяло точно определять угол расхождения. На непрозрачный экран наносился ряд точек (по вертикальной и горизонтальной осям), отстоявших от центра на 10, 20 и 40°. В ходе эксперимента после фиксации центральной точки испытуемому предлагалось переводить взгляд на одну из других точек, фиксируя ее возможно более точно.

Эксперименты показали, что при переводе взгляда на точку, находящуюся на расстоянии от центра на 10°, угол поворота составляет 9,3–9,5°, т. е. угол расхождения — 0,5–0,7°. Для точек, отстоящих от центра на 20 и 40°, расхождение составляет 1,2 и 2,5° соответственно.

Величина расхождения несколько различна для разных направлений отклонения глаза. Так, при направлении к носу (а также книзу) она несколько меньше, чем при направлении к виску (а также кверху). Возможно, отмеченная асимметрия возникает в силу того, что нейтральная позиция глаза характеризуется таким положением зрительных осей, при котором они несколько сведены и направлены вниз. В силу этого для поворота глаз к носу (и вниз) требуется меньшее мышечное усилие по сравнению с другими направлениями.

Если предложенная для фиксации точка является частью какой-либо фигуры, то в зависимости от направления прилежащих линий отклонение зрительной оси от заданного направления может оказаться то большим, то меньшим. Так, при предъявлении четырех изолированных точек-стимулов, расположенных в вершинах квадрата со стороной 40°, отклонение зрительной оси составляет 2–2,5°. Если эти точки соединены прямыми линиями, образующими квадрат, отклонение увеличивается до 3–3,5°. При фиксации вершин косоугольного ромба отклонение для острых углов оказывается большим, чем для тупых (рисунок 1.7).

Рис. 1.7. Запись фиксации глаз при фиксации вершин ромба

Таким образом, экспериментальные данные соответствуют тем следствиям, которые вытекают из гипотезы «следящей системы».

До сих пор мы рассмотрели лишь качественные характеристики следящей системы, управляющей движениями глаза. Однако записи движений глаз, полученные при решении некоторых экспериментальных задач, позволяют судить и о количественных характеристиках некоторых ее параметров в терминах теорий автоматического регулирования.

Рис. 1.8. Кривая переходного процесса для единичного скачка апериодичной системы второго порядка

П — точка перегиба; t₁ — время нарастания

Для оценки этих параметров можно воспользоваться кривой переходного процесса, получаемой при скачкообразном изменении входного сигнала. Очевидно, для зрительной системы такой режим будет соответствовать смене точек фиксации. Большинство скачков, лежащих в пределах 20°, может апроксимироваться кривой (рисунок 1.8), что с достаточной степенью точности может характеризовать систему по цепи прямой связи как апериодическую второго порядка. Динамика такой системы может быть описана дифференциальным уравнением второго порядка:

где Y(t) — выходная переменная; Х(t) — входная переменная.

По графику переходного процесса (см. рисунок 1. 8) определяются величины T₁ и t₁ и по ним определяются величины T₁ и T₂.

В другом виде это уравнение [4] может быть записано так:

при этом T₃T₄ = T₂²; T₃/T₄= T₁

Этот вид дифференциального уравнения удобен тем, что величины Т₃ и Т₄ выступают явственно в его решении, хотя на графике переходного процесса они не очевидны. Математическое выражение переходного процесса такой системы можно записать так:

Полученное уравнение представляет сумму двух экспонент с постоянным временем Т₃ и Т₄.

Амплитудно-частотные соотношения в системе удобно определять, используя понятия передаточной функции системы. Передаточная функция прямой цепи нашей системы (отношение преобразования Лапласа от выходной переменной к преобразованиям Лапласа от входной переменной) будет

где T=T₂ — постоянная времени. x=Т₁/2Т — относительный коэффициент демпфирования. Полагая обратную связь равной 1, структурную схему системы можно представить на рисунке 1.9. В этом случае передаточная функция всей системы

где S — оператор Лапласа. Вместе с тем, оценивая переходные характеристики системы для различных углов предъявления стимула, можно заметить, что максимальная скорость скачков (касательная в точке перегиба характеристики) будет увеличиваться с возрастанием их амплитуды почти линейно. Такая закономерность, вероятно, обусловлена тем, что следящая система глазодвигательного аппарата, кроме позиционной обратной связи, включает в себя регулирование по производной (рисунок 1.10), т. е. по скорости. Передаточная функция системы в этом случае будет определяться как

где КW₁ — передаточная функция прямой цепи без скоростной обратной связи; t₁S — передаточная функция скоростной обратной связи (дифференцирующее звено).

Рис. 1.9. Структурная схема следящей системы с единичной обратной связью Рис. 1.10. Структурная схема следящей системы с цепью регулирования по производной

Такая цепь с регулированием скорости изображена на схеме (см. рисунок 1.6) в виде дифференцирующей цепочки, включенной в цепь обратной связи. Увеличение скорости регулирования системы может быть объяснено тем, что при возрастании отклонения X производная dx/dt и само отклонение имеют одинаковые знаки. Их сложение увеличивает воздействие регулятора Y на объект, направленное на уменьшение отклонения X. Таким образом, наличие производной в законе регулирования форсирует действие регулятора на участке возрастания отклонения регулируемой величины. Иначе говоря, для больших значений входных сигналов будут получаться большие максимальные скорости поворотов глаза. Вместе с тем при выходе глазодвигательной системы на торможение знак производной изменится и будет происходить вычитание сигнала по скорости из сигнала по отклонению.

Такая система регулирования по скорости выполняет фактически и функцию механического опережения («прогнозирования»), поскольку определяет тенденцию изменения входного сигнала и вносит соответствующую поправку. Последняя компенсирует инерционное запаздывание всей системы и увеличивает точность регулирования. В реальном механизме глазодвигательной системы такое регулирование, по-видимому, могут осуществлять проприорецепторы глазных мышц. В этом случае сигналы о скорости растяжения мышцы могут подаваться либо на мотонейроны той же мышцы, с которой они были получены (положительная обратная связь), либо на мышцы-антагонисты в противоположной фазе (отрицательная обратная связь).

Такое предположение тем более кажется допустимым, что частоты микроколебаний глаз (тремор) достигают 100 град/сек, а это требует для создания автоколебательного режима минимальных инерционных задержек, т. е. минимально допустимых пространственных связей с мышцей. Кроме того, действие такого механизма может объяснить возникновение микросаккад, часто повторяющихся с интервалом менее 50 мсек, что значительно меньше времени обычной фиксации.

Нами была предпринята попытка экспериментально проверить, существует ли регулирование по производной. В экспериментах наблюдателю преддагалось следить за точкой, перемещающейся по определенному закону из центра экрана на некоторый угол. Скорость движения точки была подобрана так, чтобы это движение осуществлялось за время, меньшее латентного периода зрительной системы: к началу движения глаза точка останавливалась и занимала заданное положение. В этих условиях можно было ожидать три возможных типа переходной характеристики работы зрительной системы (в зависимости от ее функциональной схемы). В том случае, если система работает по жесткой программе, когда заранее задаются характеристики движения глаза (скорость, амплитуда), система не смогла бы выйти в нужное положение без дополнительной коррекции, поскольку положение стимула изменялось вплоть до начала скачка, а значит, и информация о конечном его положении во время латентного периода не могла бы быть обработана. Для случая регулирования только по положению характеристика переходного процесса должна была бы соответствовать входному сигналу, а процесс регулирования по времени не отличался бы от времени действия входного сигнала (порядка 250 мсек). Как показали эксперименты, скорость начальной фазы поворота глаза значительно больше скорости движения стимула и приближается к скорости скачка: во второй половине движения он, наоборот, оказывается замедленным. Общее время движения глаза в 2–2,5 раза меньше, чем время предъявления стимула.

Таким образом, экспериментальные данные оказались более всего соответствующими третьему типу переходной характеристики, т. е. переходный процесс соответствует системе, имеющей регулирование по производной (по скорости).

Эти данные свидетельствуют также и о том, что время между моментом предъявления стимула и началом движения глаза (латентный период) идет не на обработку данных о появившемся стимуле (определения его координат) и составление двигательной программы, а представляет «чистое запаздывание» системы регулирования, т. е. время, необходимое для проведения сигнала по контуру регулирования. Заметим, что «чистое запаздывание» не вносит каких-либо изменений в характер переходного процесса (переходный процесс определяется инерционностью системы), а лишь смещает его по времени. Этот факт необходимо учитывать при определении амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик системы. Структурная схема системы с учетом «чистого» запаздывания показана на рисунке 1.11, а уравнение звена запаздывания имеет вид

Рис. 1.11. Структурная схема следящей системы с цепью «чистого» запаздывания

Поскольку чистая задержка не вносит искажений в вид переходного процесса, в установившемся режиме при синусоидальном входном сигнале реакция системы будет определяться временем нарастания t₁ (см. рисунок 1.8).

Ориентировочно можно принять, что f_ср= 0,45/t = 0,45/0,05 = 9 гц. Однако по экспериментальным данным верхние частоты, при которых еще осуществляется достаточно хорошее отслеживание стимула, составляют 1–2 гц [150]. При больших частотах отслеживание прерывается скачками: система оказывается в неустойчивом режиме. Это явление связано с тем, что фазовое запаздывание оказывается близким к я, что и нарушает устойчивость системы. На рисунке 1.12 показано, что при чистой задержке системы в 250 мсек выходной сигнал частотой 2 гц оказывается в противофазе с управляющим сигналом, т. е. по цепи отрицательной обратной связи он приходит к входу системы с тем же знаком, что и входной, увеличивая рассогласование. Таким образом, частотные свойства апериодического звена второго порядка ограничивают полосу пропускаемых системой частот, а фазовые задержки определяются «чистым запаздыванием». Вместе с тем, изменяя коэффициент усиления системы, можно в определенных пределах изменять частоту, при которой система будет еще устойчива. Обычно частотный анализ систем проводится с помощью логарифмических амплитудно-и фазово-частотных характеристик. Об устойчивости системы с обратной связью можно судить по логарифмическим амплитудно — и фазово-частотным характеристикам разомкнутой системы. Такие характеристики представляют собой графики, на которых в логарифмическом масштабе отложены по оси абсцисс частота 1gv, а по оси ординат — амплитуды выходного сигнала 1g А — для амплитудно-частотной характеристики и сдвиг фазы выходного сигнала j по отношению к входному для фазовой характеристики. Соответствующие характеристики рассматриваемой системы при разомкнутой обратной связи представлены на рисунке 1.13. Известно, что замкнутая система автоматического регулирования устойчива, если фазово-частотная характеристика разомкнутой системы пересечет линию я в области отрицательных значений амплитудно-частотной характеристики. Представленные на рисунке 1.13 характеристики построены для коэффициента усиления системы К = 1. Увеличение коэффициента усиления никак не сказывается на форме и положении логарифмической фазово-частотной характеристики. Амплитудно-частотная характеристика при увеличении коэффициента усиления смещается вверх на величину, пропорциональную К, а при уменьшении этого коэффициента — вниз.

Рис. 1.12. Схема фазового запаздывания сигнала в системе с обратной связью 1 — сигнал обратной связи; 2 — входной сигнал

Рис. 1.13. Логарифмические амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики апериодической системы второго порядка при различных коэффициентах усиления (1–4)

Такое отрицательное значение логарифмической амплитудно-частотной характеристики, при котором фазово-частотная характеристика принимает значение я, называется запасом устойчивости системы по амплитуде DА. Таким образом, рисунок 1.13 показывает, что увеличение К уменьшает запас устойчивости системы и даже может сделать ее неустойчивой. Уменьшение К, наоборот, увеличивает запас устойчивости системы. Уменьшение запаса устойчивости означает срывы; возникновение неустойчивых колебаний будет наблюдаться в работе системы при частотах, меньших, чем те, на которых она теряла устойчивость, когда К=1.

Все приведенные выкладки относятся к влиянию коэффициента усиления на устойчивость системы в цепи прямой связи. Можно показать, что в рассматриваемом случае все они справедливы и для изменения коэффициента усиления в цепи обратной связи.

С целью проверки возможностей корректировки амплитудно-частотных характеристик глазодвигательной системы проведены следующие эксперименты, в которых коэффициент обратной связи изменялся с помощью оптики, укрепленной на глазу (рис. 1.14а, б). Дело в том, что проекция стимула на сетчатке определяется углом а, под которым виден предъявляемый стимул; угол b — угол поворота глаза, необходимый для совмещения зрительной оси со стимульной точкой (рисунок 1.15). Если углы a и b не равны (равенство может быть только в случае равных фокусных расстояний), то происходит рассогласование между углом, определяющим положение стимула, и углом реального поворота глаза. Если оптика обеспечивает увеличение проекции реального стимула, движения глаза оказываются большими, чем это требуется для точного наведения на стимул; обратная связь в этом случае окажется большей — 1, что приведет к срыву вынужденных колебаний. Если достигнуто уменьшение видимых размеров объектов (т. е. уменьшение обратной связи), частота, на которой система будет неустойчивой, повысится.

Рис. 1.14. Схема присоски

a — с отрицательной коррекцией; b — с положительной коррекцией; 1 — корректирующая диафрагма; 2, 3 — оптическая система

Реально оптическая система представляет две линзы диаметром 6 мм с фокусными расстояниями 13 и 7 мм, что при использовании отрицательной линзы как окуляра давало увеличение 1,86 (см. рисунок 1.14а), а при перестановке линз — 0,54 (см. рисунок 1.14б).

Результаты эксперимента подтвердили наше предположение. Если без коррекции в цепи обратной связи неустойчивость (возникновение скачков) наблюдалась на частотах порядка 1,5 гц, то при уменьшении коэффициента обратной связи частота, при которой возникала неустойчивость, достигала 2,5 гц. Когда же обратная связь превышала 1, неустойчивость наступала при частотах менее 1 гц (рисунок 1.16).

Рис. 1.15. Схема оптической коррекции цепи связи зрительной системы

α — угол проекции a' на сетчатку; β — угол, необходимый для совмещения fovea с точкой a"

Рис. 1.16. Движение глаз при слежении за точкой

а — без коррекции; б — с отрицательной коррекцией; в — с положительной коррекцией; 1 — кривая движения глаз; 2 — кривая движения точки

Важно отметить, что амплитуды поворотов глаза изменялись в соответствии с примененной коррекцией. Однако для случая попеременной фиксации двух разных точек наблюдались позиционные ошибки: либо заброс и последующая коррекция (когда обратная связь больше 1), либо отставание также с последующей коррекцией (при обратной связи, меньшей 1) (рисунок 1.17). Таким образом, глазодвигательная система человека может быть описана в терминах теории автоматического регулирования, а возможность изменения параметров цепи обратной связи позволяет исследовать и описывать ее на формальном уровне.

Рис. 1.17. Движение глаз при смене точек фиксации

а — без коррекции; б — с положительной коррекцией; в — с отрицательной коррекцией

Движения глаз при ограничении визуальной афферентации

Эксперименты, изложенные в первом разделе статьи, привели нас к заключению, что элементарные движения глаз регулируются визуальными сигналами. Однако в этих экспериментах движения глаз изучались в условиях предъявления точечного стимула, стабилизированного либо нестабилизированного относительно сетчатки. В первом случае появлялись скользящие движения, во втором — скачки.

В следующих сериях экспериментов была предпринята попытка исследовать характеристики движений глаз в условиях, когда перед испытуемым ставятся более сложные задачи: измерение длины отрезков, обведение контура фигуры, слежение за точкой, рисующей фигуру, опознание объектов, образованных точками. В условиях свободного рассматривания при решении подобных задач, как утверждают многие исследователи, движения глаз осуществляются по программе. Утверждается также, что эти движения осуществляют функции измерения объекта, построения его образа и коррекции.

Однако в условиях свободного рассматривания невозможно (или во всяком случае очень трудно) управлять зрительной стимуляцией. Остается открытым вопрос о соотношении собственно зрительных и кинестетических сигналов в регуляции движений. С целью их «разделения» в наших экспериментах поле зрения, т. е. визуальная стимуляция, ограничивалось (создавалось «узкое поле» зрения).

Это позволяло как бы отпрепарировать кинестетические сигналы и рассмотреть их роль в регуляции движений глаз, так сказать, в чистом виде.

Методика эксперимента^[5]. В экспериментах использовалась центральная присоска с двумя основными типами съемных насадок.

Насадка первого типа представляет собой тонкостенный тубус цилиндрической формы диаметром 4 мм и длиной 10 мм. В тубусе имеются две заслонки с отверстиями — диафрагмы: неподвижная, укрепленная у основания тубуса (диаметр отверстия 0,5 мм), и подвижная, способная перемещаться вдоль цилиндра (диаметр отверстия 0,1 мм).

Изменения расстояния между диафрагмами позволяют регулировать величину поля зрения. Чем больше это расстояние, тем меньше диаметр поля зрения (точнее, видимого его участка). Разнесение диафрагм на 10 мм дает сужение поля зрения до 3°.

Схема присоски с насадкой этого типа приведена на рисунке 1.18 а.

Сужение поля зрения до меньшей величины при помощи такой насадки ограничено длиной тубуса и диаметром отверстий диафрагм. Чтобы сузить поле зрения еще больше, нужно либо увеличить длину тубуса, либо уменьшить диаметр отверстий диафрагм. Но увеличение длины тубуса нежелательно, так как это утяжеляет присоску и может привести к искажению результатов опыта. Уменьшение же диаметров отверстий диафрагм нежелательно из-за физических свойств света: при очень малом диаметре возникает явление дифракции, что приводит к размыванию границ изображения; кроме того, уменьшение диаметра подвижной диафрагмы значительно ослабляет световой поток от объекта (уменьшение диаметра вдвое приводит к четырехкратному уменьшению яркости изображения).

Рис. 1.18. Схемы присоски с тубусом (а) и осветителем (б) для ограничения поля зрения

а) 1 — датчик для электромагнитной регистрации; 2 — тубус; 3 — провода питания датчика; 4 — диаграммы (входная и выходная); 5 — стекло; 6 — баллончик; 7 — корпус присоски; б) 1 — линза осветителя; 2 — диаграмма; 3 — лампочка накаливания; 4 — датчик регистрации; 5 — корпус присоски

Вес присоски с насадкой первого типа — 630 мг.

Для того чтобы получить диаметр поля зрения, меньший 3°, была сконструирована насадка второго типа. Этот тип насадки представляет собой миниатюрный осветитель^[6], укрепляемый на глазной присоске с помощью шарнира. Пучок света от такого осветителя падает на объект, расположенный перед испытуемым, освещая небольшой участок объекта. Схема присоски с насадкой этого типа изображена на рисунке 1.18 б. Если объект затемнен, то глаз будет воспринимать только этот, освещенный в данный момент, участок. Изменяя фокусировку осветителя, можно изменять величину освещаемого участка, т. е. фактически изменять величину поля зрения. Этот тип насадки позволяет получить величину поля зрения вплоть до нескольких угловых минут. Область его применения ограничивается в основном максимально возможным световым пятном, поскольку по мере увеличения размера освещенного участка яркость падает пропорционально квадрату его диаметра.

Угловые размеры освещенных участков рассматриваемого объекта при крайних настройках осветителя составляют 35' и 1,7°.

Вес присоски с насадкой второго типа — 590 мг.

Поскольку осветитель укреплен на присоске при помощи шарнира, направление создаваемого им пучка света можно изменить. В экспериментах, которые описываются в данной статье, осветитель устанавливался таким образом, чтобы центр светового пятна совпадал с проекцией зрительной оси глаза. Тем самым проекция зрительной оси как бы фиксировалась световым пятном и становилась наблюдаемой. Перемещаясь вместе с глазом, осветитель последовательно высвечивает участки рассматриваемого объекта и вместе с тем рисует траекторию движения проекции зрительной оси^[7].

Использование насадок первого и второго типа дает возможность исследовать работу глаза в условиях ограничения поля зрения от 0,5 до 5° (диаметр); насадка первого типа позволяет получить поле зрения от 3 до 5°, насадка второго типа — от 0,5 до 2°.

В экспериментах испытуемым, поле зрения которых ограничивалось при помощи описанных выше насадок, предлагались следующие задания.

1. Фиксация безориентирного поля: испытуемым предлагалось фиксировать взгляд и удержать глаз неподвижно в любом произвольно выбранном месте пустого экрана — белой сферической поверхности.

2. Фиксация точки, нанесенной на белый сферический экран.

3. Оценка длины прямолинейных и криволинейных отрезков, изображенных на плоскости для насадки первого типа: прослеживание отрезка. Длина отрезка варьировала от 40 до 10°, т. е. во всех случаях превышала диаметр узкого поля зрения.

4. Поиск и пересчет объектов — простых геометрических фигур. При этом предъявлялись как однородные, так и разнородные фигуры. Расстояние между центрами фигур составляло 3°. Если диаметр поля зрения был равен 2°, то испытуемый не мог одновременно видеть больше одной фигуры; если же диаметр был 5°, то он мог видеть одновременно несколько фигур.

5. Восприятие и опознание контурных и силуэтных изображений. Угловые размеры объектов составляли 20–35°, т. е. превышали диаметр узкого поля зрения в 10–15 раз. Тем самым создавалась необходимость последовательно обвести контур изображения, т. е. как бы ощупать его. В тех случаях, когда предъявляемые изображения были хорошо знакомы испытуемому (например, контурный рисунок чашки с блюдцем), от него требовалось назвать их. Если же предъявлялись абстрактные рисунки, контур которых образовывался сочетанием прямых и кривых линий, испытуемый должен был после осмотра этих рисунков найти их среди других фигур, но уже при свободном рассматривании или же нарисовать их по памяти. Все тестовые фигуры были выбраны с таким расчетом, чтобы в узком поле зрения в каждый данный момент по возможности не находились те участки контура, которые можно считать наиболее характерными для данной фигуры. Это было сделано с целью исключения возможности узнавания фигуры по ее какой-либо отдельной детали, что, конечно, повлияло бы на результаты эксперимента.

Время рассматривания фигур не ограничивалось, но регистрировалось экспериментатором. Опыт считался законченным, когда испытуемый либо называл фигуру, либо говорил, что он сможет ее найти (нарисовать), либо отказывался от продолжения эксперимента.

Поле зрения ограничивалось от 3 до 0,5°. Освещенность экрана при использовании насадок первого типа составляла 400–450 люкс. Освещенность пятна, создаваемого осветителем (насадка второго типа), — 100 люкс.

6. Восприятие и опознание контурных и силуэтных изображений фигур (таких же, как и в предыдущей задаче) в условиях слежения за световым пятном, плавно перемещаемым экспериментатором по их контуру. Экспериментатор пользовался указкой, на конце которой была укреплена лампочка; чтобы устранить засветы и блики, она помещалась в специальный светонепроницаемый кожух с отверстием, обращенным к глазу испытуемого. В отличие от задания № 5 здесь испытуемый был лишен свободы в выборе маршрута осмотра, а прерывистые скачкообразные движения глаз заменялись плавными следящими движениями. Цель эксперимента состояла в том, чтобы выяснить, не влияет ли дискретность движений, обусловленная узким полем зрения, на восприятие и опознание объекта; на первый план здесь выступало как бы «чистое» движение, т. е. собственно визуальная информация сводилась к минимуму (наблюдение одной точки).

7. Восприятие и опознание изображений, образованных темными и светлыми точками (мозаика). При выполнении этого задания испытуемый мог произвести произвольное сканирование всей фигуры, а не только ее контура. Поскольку точки, образующие фигуру, были расположены близко друг от друга (0,3°), в узком поле зрения могли одновременно в каждый данный момент находиться несколько точек: три — в поле зрения 1°, семь-восемь — в поле зрения 3°. Это облегчало задачу перевода взгляда от точки к точке. Величина точки 0,5°. Общее количество точек, образующих фигуру, 40–45.

Во всех экспериментах на один глаз укреплялась присоска с насадкой первого или второго типа, а второй закрывался ширмой, чтобы исключить ориентацию испытуемого при помощи этого второго глаза.

Расстояние экрана, на котором предъявлялись тест-объекты, от глаза испытуемого во всех экспериментах составляло 0,5 м.

В экспериментах принимало участие 6 человек с нормальным зрением в возрасте 20–30 лет.

Перед каждым экспериментом производились подгонка присоски и насадки, а также юстировка аппаратуры индивидуально для каждого испытуемого.

Движения глаз испытуемых при решении перечисленных задач регистрировались при помощи установки, схема которой изображена на рисунке 1.19.

Рис. 1.19. Схема установки для регистрации траектории движения глаз

1 — приемные катушки-антенны; 2 — индукционный излучатель-датчик; 3 — экран с тестовым изображением; 4 — усилители сигналов; 5 — регистрирующий осциллограф

Результаты экспериментов. Эксперименты показали, что характеристики движений глаз в условиях ограниченного (узкого) поля зрения существенно отличаются от тех, которые наблюдаются в условиях свободного рассматривания объектов при неограниченном (естественном) поле зрения.

Приведем данные, полученные при выполнении испытуемым каждого из перечисленных выше заданий.

Фиксация взгляда. При наблюдении пустого безориентирного экрана глаз не стоит на месте, а совершает дрейфовые движения, большие, чем в условиях свободного рассматривания, примерно на порядок. Иначе говоря, испытуемый не может фиксировать взгляд в какой-либо необозначенной точке «пустого» пространства, как этого требует инструкция.

Однако субъективно дрейфовые движения не замечаются, не осознаются: испытуемый уверен, что он выполняет задание. При попытках произвольного управления движением глаз в этих условиях наблюдаются плавные переходы от одного движения к другому, от дрейфа к скачку; нам не удалось зарегистрировать ярко выраженных скачков, характерных для переноса взгляда с точки на точку в условиях свободного рассматривания объектов.

Если в поле зрения имеется фиксационная точка (место фиксации обозначено), движения глаз приобретают характер быстрых дрейфовых сплывов (соскальзывание с фиксационной точки) и возвратных скачков. Область таких сплывов ограничена величиной узкого поля зрения (находится внутри поля).

Когда направление зрительной оси смещено относительно центра узкого поля, возникают нистагматические движения, медленная составляющая которых направлена в сторону смещения.

Визуальное измерение (оценка длины) отрезков. В условиях ограниченного (узкого) поля зрения симультанная оценка длины отрезков, превышающей его диаметр, исключена. В таких условиях глаз вынужден последовательно перемещаться вдоль отрезка, прослеживать его, как бы ощупывать. Образ длины прослеживаемого отрезка здесь может формироваться лишь на основе кинестетических сигналов: длина отрезка может быть оценена по амплитуде движения.

Таблица 1.1

Прослеживающие (измерительные по своей функции в условиях данной задачи) движения глаза являются дискретными и имеют скачкообразный характер. При этом величина скачков определяется величиной узкого поля зрения и составляет 0,5–0,6 его диаметра.

Время пауз между скачками составляет 300–350 мсек, т. е. несколько превышает длительность фиксации при свободном рассматривании.

Величина скачка определяется только величиной поля зрения; попытки произвольного управления ею безрезультатны.

С уменьшением поля зрения не только сокращается величина скачков, но иногда и нарушается их ритмичность: увеличивается длительность пауз, появляются возвратные движения.

Когда диаметр поля зрения меньше 1°, скачкообразные движения заменяются дрейфом, скорость которого составляет 0,5–1,0 град/сек. В некоторые моменты глаз останавливается и начинает дрейфовать в обратную сторону. При этом изменения направления дрейфа обычно испытуемыми не осознаются и часто оцениваются как противоположные действительным.

На рисунке 1.20 приведены характерные записи движений глаз при оценке длины прямолинейных отрезков, расположенных горизонтально. Записи сделаны в одном и том же масштабе.

Рис. 1.20. Записи горизонтальных движений глаз при различных углах ограничения поля зрения

а — 3°; б — 1°; в — <1°

В ходе прослеживания отрезка глаз строго к нему привязан; движение совершается вдоль отрезка (как прямолинейного, так и криволинейного). Оценка проделанного глазом пути, соответствующего длине отрезка, в условиях узкого поля зрения затруднена, а если диаметр поля зрения уменьшен до 1–0,5°, то и практически невозможна. Особенно отчетливо это проявляется в том случае, когда длина отрезка значительно превышает диаметр поля зрения и количество скачков при прослеживании становится больше 5–6 (вероятно, это как-то связано с объемом оперативной памяти). Испытуемый оценивает длину отрезка (в тех случаях, когда он в состоянии это сделать) весьма ориентировочно. Оценка производится на основе подсчета количества скачков, которые совершает глаз при прослеживании. Если испытуемому предлагают сравнить по длине два отрезка, то он подсчитывает количество скачков при прослеживании каждого из них и затем сопоставляет результаты. Таким образом, оценка длины отрезка осуществляется на речемыслительном, а не на непосредственно визуальном, перцептивном уровне.

В том случае, когда длина отрезка превышает диаметр узкого поля зрения значительно в 10–15 раз, в таком подсчете возникают ошибки, что вынуждает испытуемого сделать повторные прослеживания, а это часто приводит к еще большим ошибкам.

Нужно отметить, что длина отрезков, которую испытуемый в состоянии проследить, так же как и величина скачков, зависит от диаметра узкого поля зрения. Максимально возможная длина прослеживаемого отрезка поля зрения диаметром 3° составляет 30–35°, для поля зрения диаметром 2°–20–25°, для поля зрения 1°–10–13°. При предъявлении отрезков, длина которых превышает указанные, они прослеживаются лишь частично. Как бы испытуемый ни старался выполнить задание, прослеживание отрезков, превышающих по длине указанный предел, до конца не происходит.

Поиск и пересчет объектов. При поиске объектов, удаленных друг от друга на величину, превышающую диаметр узкого поля зрения, глаз совершает в основном дрейфовые движения; они напоминают те, которые наблюдаются при рассматривании пустого (безориентирного) экрана. Глаз «попадает на объект» лишь случайно, и если такое «попадание» произошло, то он как бы «вязнет», «прилипает» к нему. Перевод взгляда с обнаруженного объекта затруднен. Время остановок (фиксаций) при «попадании на объект» очень большое и не становится меньше 800–1000 мсек. Некоторые испытуемые вообще отказываются в этом случае продолжать поиск.

Если предъявленные объекты однородны, т. е. не имеют различительных признаков, то оценка их количества и пространственного расположения становится практически невозможной. Испытуемый не в состоянии определить, какой из объектов он уже видел, а какой является новым.

В том случае, когда объекты расположены внутри участка, охватываемого симультанно узким полем зрения, движения глаз приобретают скачкообразный характер; при этом величина скачков определяется расстоянием между объектами. Если эти объекты разнородны, то их подсчет (хотя и не очень точный) возможен. Если же объекты однородны, то их подсчет становится невозможным.

Восприятие и опознание контурных и силуэтных изображений. Как показали эти эксперименты, в условиях ограниченного поля зрения глаз испытуемого действительно совершает последовательный обход вдоль контура фигуры. При этом он перемещается так, что линия контура проходит всегда через середину поля зрения. Если же рассматривается силуэтный рисунок, то узкое поле располагается так, что одна его половина находится на самой фигуре (темной), а другая — на прилегающем участке светлого фона (рисунок 1.21 а, б).

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

2

Конечно, в процессе решения задачи наблюдения программа может корректироваться, уточняться и трансформироваться.

3

Имеются в виду прежде всего непроизвольные фиксации. Как известно, длительность произвольной фиксации зависит от решаемой задачи и может регулироваться. Но и здесь возможности регулирования ограничены: длительность произвольной фиксации не может быть меньше времени латентного периода скачка, т. е. времени цикла регулирования (проведение сигнала по контуру глазодвигательной системы). Кроме того, фиксация, как известно, сопровождается рядом непроизвольных движений (дрейф, микросаккады, высокочастотный тремор), программированность которых сомнительна.

4

Поскольку в условиях стабилизации видимый стимул затухает (а видимая яркость, как отмечалось, является детерминантой движения глаз), можно было бы ожидать, что скользящее движение должно совершаться не с равномерной, а с уменьшающейся скоростью. Однако, по-видимому, предполагаемое замедление компенсируется инерцией. Такое объяснение кажется тем более приемлемым, что затухание видимого стимула неравномерно: в начальное время наблюдения, когда движение глаза достигает постоянной скорости, оно незначительно. Кроме того, в комбинации детерминант «угол рассогласования — видимая относительная яркость» основное значение в возникновении управляющего движения, вероятно, принадлежит все же углу рассогласования.

5

Часть экспериментальной работы была выполнена в лаборатории факультета психологии МГУ, руководимой проф. В. П. Зинченко, часть — в лаборатории сенсорных процессов Института общей и педагогической психологии АПН СССР.

6

Осветитель состоит из лампы накаливания мощностью 0,75 вт и напряжением 1,2 В, выходной диафрагмы с величиной отверстия 0,05 мм и линзы объектива с фокусным расстоянием 3,5 мм. Величина светового пятна, создаваемого осветителем на экране, отстоящем на 0,5 м от испытуемого, может изменяться от 5 до 15 мм за счет небольшой расфокусировки осветителя, которая осуществляется при помощи перемещения линзы вдоль тубуса.

7

Если рассматриваемая поверхность имеет сферическую форму, расхождений между центром светового пятна и зрительной осью практически нет; при расстоянии до экрана 0,5 м они не превышают 1 угл. мин. Если эта поверхность плоская, то при повороте глаза на 45° в одну сторону эти расхождения не превышают 15 угл. мин.