Измерение интенсивности ощущений. Психофизика

В субъективной сенсорной физиологии мы имеем дело с высказыва­ниями, которые человек делает относительно внешних событий. Как экспериментаторы мы предъявляем ему специфические сенсорные сти­мулы и регистрируем, что он говорит. В тех пределах, в которых гипо­тезы, выдвигаемые на основе этих высказываний, проверяемы результа­тами следующих экспериментов, т.е. до тех пор, пока эти гипотезы имеют возможность быть подтвержденными или отвергнутыми экспе­риментально (см. принцип опровержимости К. Р. Поппера), субъектив­ная сенсорная физиология представляет собой область естественных на­ук; как таковая она часто называется психофизикой. Сенсорный опыт также можно трактовать способом более ориентированным на челове­ческую природу, как это делается в гештальт-психологии, эстетике или гносеологии. Здесь мы будем рассматривать только психофизическую сторону субъективной сенсорной физиологии.

С точки зрения методологического подхода к субъективной сенсор­ной физиологии мы можем в принципе игнорировать все, что мы знаем об органах чувств, рецепторах и мозговых центрах,-наш интерес направлен целиком на реакцию человека, испытуемого на сенсорный стимул. Тем не менее, субъективная и объективная сенсорная физиоло­гия взаимно обогащают друг друга в чрезвычайной степени. Большин­ство вопросов, поставленных в объективной сенсорной физиологии, пер­воначально были сформулированы в фазе открытий в субъективной ветви исследований; во многих областях эти два подхода дают резуль­таты, которые могут быть сопоставлены, и часто новые данные, полу­ченные в объективных экспериментах, могут быть проверены путем по­становки субъективных опытов.

Оставшаяся часть этой главы может служить лишь кратким введе­нием в общую субъективную сенсорную физиологию. В главах, касаю­щихся отдельных органов чувств, будут представлены конкретные ре­зультаты из области субъективной сенсорной физиологии. Здесь мы рассмотрим лишь несколько принципов и проиллюстрируем их приме­рами. В этом разделе мы будем обращать особое внимание на измере­ние интенсивности ощущений, а в следующем вернемся к простран­ственным и временным аспектам.

Субъективные измерения. Вобъективной сенсорной физиологии как сила стимула, так и амплитуда реакции могут быть измерены физиче­скими или химическими способами. Так, например, интенсивность вку­сового стимула может быть задана в виде концентрации стимулирую­щего вещества в растворе, в миллимолях на литр, а реакция на стимул может быть определена как частота потенциалов действия в нерве, иду­щем от языка. В противоположность этому в субъективных эксперимен­тах невозможно использовать физические или химические измери­тельные системы для установления интенсивности ощущения, поро­ждаемого стимулом. Следовательно, нужно ввести новую систему субъективных измерений.

Любая система измерений должна иметь определенную элементар­ную единицу и фиксированную процедуру, посредством которой опре­деленное число таких единиц может быть приписано величине, которая должна быть измерена. Следовательно, для различных ощущений дол­жны быть установлены подходящие единицы. Одна из таких субъек­тивных единиц, часто используемая, это абсолютный порог ощущения; она берется в качестве эталонной интенсивности ощущения, и другие степени ощущения выражаются числами, показывающими, во сколько раз они превосходят это пороговое ощущение. Но эталонное ощущение можно также установить, взяв в качестве единицы ощущения тот уро­вень, который порождается каким-то определенным стимулом. Теперь мы опишем три важных метода, используемых для количественного описания интенсивности ощущения.

Оценка отношения интенсивности ощущения к эталонному.Один из возможных способов определения интенсивности ощущения-это опре­деление по оценке испытуемого, во сколько раз данное измеряемое ощущение больше, чем эталонная единица ощущения. Поскольку эта процедура включает определение отношения между ощущением и еди­ницей ощущения, она также называется установлением шкалы отноше­ний. На рис. 1-6 приведен пример такой процедуры. Испытуемым пред­лагали пробовать растворы лимонной кислоты или сахара в концентра­циях, указанных на абсциссе. Затем испытуемые говорили, во сколько раз тестовый раствор кажется им сильнее, чем некоторый стандартный раствор, предложенный для сравнения. Полученные таким путем значе­ния субъективных интенсивностей ощущения отложены (по ординате) красными крестиками. Эти наборы точек могут быть довольно хорошо аппроксимированы прямыми линиями. И по ординате, и по абсциссе масштаб здесь логарифмический, так что прямые линии соответствуют степенным функциям; интенсивность ощущения / пропорциональна п-й степени надпороговой части стимула (S — S₀):

I~k(S-S₀)ⁿ [1-1]

где k-константа, a S₀-пороговая интенсивность стимула. Чтобы по­нять, почему эта формула представляет прямую линию, заметим, что если взять логарифм от обеих частей [1-1], то получится

logI = nlog(S-S₀) + k', [1-2]

где к'-(равное logk)-другая константа; таким образом logI явля­ется линейной функцией log(S - S₀). Наклон прямой, получающейся при откладывании интенсивности как стимула, так и ощущения по лога­рифмическим шкалам (как на рис. 1-6), задается показателем степени и. В случае лимонной кислоты п = 0,85, а для сахарного раствора n = 1,1; эта разница обнаруживается систематически даже на разных испы­туемых.

Степенные функции типа [1-1] могут описывать соотношения между стимулом и интенсивностью ощущения в весьма широких диапазонах; по

Рис. 1-6. Зависимость интенсивности субъек-тивного вкусового ощущения (красный цвет, крестики) и частоты потенциалов действия в волокнах вкусового нерва (чер-ный цвет, кружочки) от концентрации лимон-ной кислоты и раствора сахара. Шкалы как по ординате, так и по абсциссе-логарифмические. Наклон линий соответствует степенным функциям с показателями п = 0,80 и п =* 1,1 (Borg et all., J. Physiol., 192, 13-20, 1967.)

имени открывшего их исследователя они называются степенными функциями Стивенса. В области объективной сенсорной физиологии со­отношение между стимулом и реакцией также часто может быть описа­но уравнением [1-1]. Для сравнения на рис. 1-6 приведен пример таких результатов.

Мы имеем в виду, что на рис. 1-6 показаны не только зависимость интенсивности ощущения от интенсивности стимула, но и характери­стики нейронной реакции на тот же стимул. Эти данные удалось полу­чить на больных, которым была показана операция на среднем ухе (вос­становление подвижности стремечка) по поводу снижения слуха. На одном из этапов этой хирургической операции обнажается нерв (chorda tympani), в составе которого идут вкусовые волокна, направляющиеся от языка. Во время операции возможна регистрация потенциалов дей­ствия этого нерва, которые могут служить количественной мерой нерв­ной реакции на вкусовые стимулы. Определенная таким образом часто­та потенциалов действия отложена на графике рис. 1-6 в виде черных кружков. Эти данные также могут быть аппроксимированы прямыми линиями с теми же самыми коэффициентами наклона п, которые были найдены в субъективных измерениях. Это значит, что при данном мате­матическом описании наблюдается очень хорошее согласие между субъективно оцениваемой интенсивностью ощущения и объективно определяемой интенсивностью реакции сенсорных нейронов.

Интермодальное сравнение интенсивностей. В эксперименте, предста­вленном на рис. 1-6, интенсивность ощущения оценивалась в единицах, кратных ощущению, вызываемому некоторым эталонным стимулом. Многие пытуемые затруднялись давать численные оценки таких соотношений.

Рис. 1-7. Интенсивность ощу-щения как функция интенсивности сти-мула.

Интен­сивность ощущения измеряли путем интермо-дального сравнения, ис-пользуя си­лу давления на ручной динамометр (ордината). По абсциссе в произвольных единицах отложены интенсивности стимулов различного рода. Шкалы как по ординате, так и по абсциссе-логарифмические, так что прямые линии соответ­ствуют степенным функциям. (Stevens, Am. Sci., 48, 226-253, 1960).

Эту трудность можно обойти, используя процедуру, в кото­рой сравниваются интенсивности двух модальностей; соответствующий пример дан на рис. 1-7. В этом эксперименте испытуемого просили жать рукой на силомер (ручной динамометр) с такой силой, чтобы дав­ление соответствовало (субъективно) интенсивности ощущения, вызы­ваемого тестовым стимулом, например тоном. Громкость звука, ощу­щаемая испытуемым, измерялась через давление, оказываемое его рукой, т.е. интенсивности сравнивались интермодально. На рис. 1-7 приведены интенсивности ощущений, измеренные таким путем для мно­гих модальностей; соответствующие значения «давления руки» отло­жены по ординате для разных значений интенсивностей различных сти­мулов, указанных на абсциссе. Данные для каждой модальности, графически представленные в логарифмической шкале, ложатся на одну прямую; это значит, что они могут быть описаны степенными функция­ми. Самый крутой наклон получен в случае ощущения боли, вызывае­мого действием на кожу электрического тока. Этот наклон соответ­ствует показателю п (в степенной функции), превышающему 1. Самая пологая прямая представляет ощущения света; здесь показатель намно­го меньше 1.

Величины показателей для различных модальностей обсуждаются в главах об отдельных органах чувств. Здесь же мы просто укажем, что эти соотношения поддаются функциональной интерпретации. Так, например, когда возрастают болевой или тепловой стимулы, интенсив­ность ощущения нарастает заметным образом (п больше или равно 1); такие ощущения имеют характер предупреждающих от более сильного повреждения. Вместе с тем с функциональной точки зрения выгодно, чтобы в случае световых стимулов, диапазон интенсивности которых составляет 5-6 порядков, интенсивность ощущения нарастала сравни­тельно медленно и благодаря этому позволяла данному диапазону ощу­щений соответствовать более широкому диапазону стимулов.

Таким образом, интермодальные сравнения интенсивностей позво­ляют осуществить точные и в широком диапазоне измерения интенсив­ности ощущения для различных модальностей. Как видно из рис. 1-7, эта процедура дает для степенной функции показатели п, очень хорошо согласующиеся с теми, которые получаются при процедуре, описанной выше,-оценке отношений к стандартному стимулу. Другим примеча­тельным свойством является то, что соотношение между нейронными реакциями и стимулами, измеренное методами объективной сенсорной физиологии, выявляет показатели, очень похожие на те, которые полу­чают при субъективных процедурах, представленных как на рис. 1-6, так и на рис. 1-7.

. Измерение посредством дифференциально-пороговых шагов.Третья процедура, используемая в субъективной сенсорной физиологии, состоит в том что интенсивность ощущения выражается числом диффе­ренциально-пороговых шагов, требующимся для того, чтобы пройти от абсолютного порога (или иного стандартного уровня) к той интенсив­ности, при которой должно быть измерено ощущение. Дифферен­циальные пороги (или пороговые различия)-это наименьшие изменения стимула, которые еще могут быть обнаружены. Их часто называют «едва заметными различиями». Измерения интенсивности на этой осно­ве производятся следующим образом. Сначала оценивается пороговая интенсивность того вида стимула, который будет использоваться для данного конкретного испытуемого. Ощущению при этом абсолютном пороге приписывается значение 1. Затем интенсивность стимула увели­чивают, пока испытуемый не обнаружит изменение. Ощущению при но­вой интенсивности приписывают значение 2. Эту процедуру повторяют N раз до тех пор, пока не будет достигнута заданная интенсивность стимула i; ощущению при этой интенсивности стимула приписывается значение Ni. Если таким способом определить N_i для разных интенсив­ностей ощущения, можно построить график зависимости интенсивности ощущения от интенсивности стимула. Здесь опять получается степен­ная функция с показателем, близким к найденным с помощью двух дру­гих психофизических процедур и путем объективных измерений.

Таким, образом, в отношении определения интенсивности психофи­зические измерения, выполненные путем подсчета числа дифферен­циально-пороговых шагов, дают результаты, эквивалентные тем, ко­торые получаются при рассмотренных выше процедурах. Но эту процедуру можно также применить и к другим параметрам стимула-к

Рис. 1-8. Определение числа JV дифференциально-пороговых ша-гов для стимула «давление на кожу», характеризующегося площадью а и интенсивностью i; данные получены на двух испытуемых (черные и красные стрелки).

По ординате откладывали давление, а по абсциссе-площадь, на которую действует стимул, то и другое-в произвольных единицах. Длина стрелок в каждом случае отра­жает величину дифференциально-порогового шага. Дальнейшие объяснения см. в тексте. (Bergstrom, Lindfors, Acta Physiol., Scand., 44, 170-183, 1958.)

размерностям ощущения, отличным от интенсивности. Дифферен­циальные пороги могут быть определены не только для интенсивности, но и для протяженности во времени, смещения в пространстве, протя­женности по площади и т.д. Для каждой из этих размерностей диффе­ренциальный порог должен рассматриваться как единица, специфическая для каждого субъекта, так что могут быть даны количественные соот­ношения между величинами различных размерностей.

Таким образом, определяя ряд дифференциальных порогов, можно количественно изучать комбинированные изменения различных параме­тров или размерностей стимула. Такой эксперимент представлен на рис. 1-8. На графике приведены результаты, полученные на двух испы­туемых (черные и красные стрелки); варьировали площадь а, и интен­сивность i некоторого стимула (состоящего в давлении на область воз­вышения большого пальца кисти - thenar); эти параметры откладыва­лись в произвольных единицах по ординате и абсциссе соответственно. Начиная с давления 6,7 и площади 1 площадь контакта увеличивали и шаги стимула, равные дифференциальным порогам, получаемым во время этого увеличения, изображали горизонтальными стрелками. «Черному» испытуемому понадобилось N_а =10 шагов, чтобы добраться до площади стимула 97. Затем, сохраняя площадь стимула постоянной на значении 97, увеличивали интенсивность i и дифференциальные поро­ги изображали вертикальными стрелками. «Черному» испытуемому понадобилось Ni = 10 пороговых шагов, чтобы достичь давления 10,5.

Теперь начинается интересующая нас часть эксперимента: давление и площадь стимула можно также увеличивать одновременно, что позво ляет определять комбинированные дифференциальные пороги для одно­временного изменения интенсивности и площади. Такие одновременные добавки в эксперименте рис. 1-8 начинаются от значений: площадь кон­такта = 1, интенсивность давления = 6,7. Последовательные дифферен­циальные пороги изображены диагональными стрелками. В конечном итоге в результате одновременного изменения давления и площади кри­вая приближается к финишу, достигнутому в первой части эксперимен­та,-давлению 10,5 и площади 97. Чтобы достичь этой точки, потребова­лось N_ai = 14 шагов, равных комбинированным дифференциальным порогам.

Итак, в этом эксперименте мы получили результаты JV„ = 10, N_t = 10 и N_ai = 14. Можно видеть, что эти цифры приблизительно удовлетво­ряют следующему соотношению:

^N_ai = √^Na + ^Ni = √100+100 = 14,1. [1-3]

Но это-формула для гипотенузы прямоугольного треугольника, имею­щего катеты N_a и N_i. Числа дифференциальных порогов математически соответствуют длинам сторон треугольника, образованного стрелками на рис. 1-8.

«Красный» испытуемый оказался менее чувствительным, чем «черный»: у него такие же увеличения площади и интенсивности стиму­ла были достигнуты всего за 4 и 5 дифференциально-пороговых шагов соответственно. В согласии с этим и значение N_ai = 6 для этого испы­туемого оказалось меньше, чем для первого. Причем N_ai = 6 опять же достаточно хорошо соответствует длине гипотенузы прямоугольного треугольника со сторонами 4 и 5: j/4² + 5² = √41 = 6,4.

Таким образом, оказывается, что можно описывать одновременные изменения в различных размерностях ощущения посредством прямоу­гольной системы координат. Далее, можно сказать, что эти размерности ортогональны друг другу и для них справедлива теорема Пифагора. Пригодность ортогональных соотношений такого рода в определенном диапазоне интенсивностей была продемонстрирована для разных раз­мерностей таких модальностей как зрение, ощущение давления и слух. Тот факт , что одновременные изменения по разным размерностям ощу­щения могут быть описаны соотношениями, справедливыми для орто­гональных величин, делает возможным приложение субъективной сен­сорной физиологии к изучению отношений между ощущениями и сложными видами стимулов, приближающимися по свойствам к есте­ственным стимулам из окружающей нас среды. Так, например, когда мы прикасаемся к какому-нибудь объекту, давление и площадь контак­та меняются одновременно и непрерывно.

Анализ дифференциальных порогов по рис. 1-8 открывает нам еще одну закономерность, имеющую большое значение в общей сенсорной физиологии. Длины отдельных стрелок указывают величину изменения стимула AS, которая соответствует дифференциальному порогу. Видно, что по мере того, как амплитуда стимула возрастает, стрелки становятся все длиннее; в среднем, они примерно пропорциональны амплитуде стимула. В прошлом веке на основании подобных наблюдений Вебер сформулировал правило, которое получило название правила Вебера:

∆S/S═const.

[1-4

Если применить его к случаю давления на кожу, это правило будет означать, что как бы ни менялась величина стимула, дифференциальный порог всегда будет составлять 3% от исходного уровня.

Если принять, что правило Вебера справедливо всегда, можно сде­лать заключение, что реакция на стимул пропорциональна логарифму амплитуды стимула. Это соотношение называют законом Вебера-Фех-, нера и часто ссылаются на него как на «основной закон психофизики», i Однако этот «закон» справедлив только в ограниченном диапазоне ин­тенсивности и применим не ко всем модальностям. Другое соотноше­ние-уже упоминавшаяся степенная функция Стивенса F = k(S — S₀)ⁿ-имеет гораздо более широкую область применения.

Давайте проиллюстрируем эту разницу примером из области зрения. Реакции клеток зрительной коры могут быть описаны функцией Сти­венса в диапазоне яркостей 1:10000 (см. рис. 1-7), тогда как закон Вебе­ра-Фехнера выдерживается с хорошим приближением лишь для сред­него диапазона яркостей, соответствующего отношению интенсивностей 1:100.

В 1.8. Перечислите основные размерности восприятия.

В 1.9. Какая из следующих процедур может быть использована для измерения интенсивности ощущения?

а) Специальное психофизическое определение субъективной ин­
тенсивности.

б) Измерение времени, протекающего до исчезновения ощуще­
ния.

в) Определение числа дифференциально-пороговых шагов, необ­
ходимых для увеличения стимула от абсолютного порога до
той интенсивности, при которой оценивается ощущение.

/г) Оценка отношения интенсивностей эталонного ощущения
и того, которое должно быть измерено.
В 1.10. Для измерения светового ощущения в ответ на предъявление
яркого пятна могла быть применена следующая процедура: сна­
чала интенсивность точечного источника света увеличили за
Ni = 3 дифференциально-пороговых шага, а затем площадь ис-
— точника света увеличили за N_a = 4 дифференциально-пороговых

п шага. Сколько дифференциально-пороговых шагов потребуется

для достижения той же интенсивности ощущения, если яркость и площадь увеличить одновременно начиная от абсолютного порога?