Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра БМПЭ

Реферат

Биофизические механизмы распознавания образов у живых организмов

Выполнил ст. гр. 432М:

Алёшин С.И.

Проверил доц. каф. БМПЭ:

Мельник О.В.

Рязань 2014



Содержание

Введение

1. Распознавание образов

2. Механизмы распознавания

2.1 Зрительный анализатор

2.2 Детекторные функции нейронов

2.3 Сенсорная зона коры головного мозга

2.4 Распознавание лиц

3. Восприятие как сложный перцептивный процесс

3.1 Общая характеристика восприятия

3.2 Физиологические основы восприятия

3.3 Психические процессы

Заключение

Список используемых источников



Введение

Связь организма с окружающей средой осуществляет нервная система с помощью органов чувств - зрения, слуха, обоняния, вкуса, осязания. Эти органы чувств позволяют человеку принять разнообразную информацию внешней среды и соответствующим образом отреагировать на происходящие вокруг события.

Известно, что 80-90% информации об окружающем мире поступает в мозг через зрительный анализатор. Благодаря зрению человек способен различать: окружающие предметы; движение и действие живых существ; перемещение неживых объектов; цветовые сигналы; предвидеть опасность, а также оценить её величину и силу. Бинокулярное зрение обеспечивает стереоскопическое восприятие предметов (форма, объем глубина).

Таким образом, зрение позволяет человеку определить степень опасности того или иного предмета, явления или сложившейся ситуации в данном месте и в данный момент. Например, увидев красный сигнал светофора, человек останавливается. [1]

С задачей распознавания образов живые организмы, в том числе и человек, сталкиваются постоянно с момента своего появления. В частности, информация, поступающая с органов чувств, обрабатывается мозгом, который в свою очередь сортирует информацию, обеспечивает принятие решения, а далее с помощью электрохимических импульсов передает необходимый сигнал далее, например, органам движения, которые реализуют необходимые действия. Затем происходит изменение окружающей обстановки, и вышеуказанные явления происходят заново. И если разобраться, то каждый этап сопровождается распознаванием.

Первоначальная регистрация стимула (восприятие) неотделима от памяти и может рассматриваться как первая ступень в непрерывном процессе переработки информации.



1. Распознавание образов

Распознавая тот или иной образ, мы извлекаем смысл из некоторых сенсорных данных.

Процесс распознавания образов имеет фундаментальное значение для нашего поведения, поскольку он составляет часть взаимодействия между реальным миром и сознанием субъекта.

Для распознания данного образа информация, находящаяся в одном хранилище памяти, сенсорном регистре, должна быть сопоставлена с информацией, находящейся в другом хранилище - долговременной памяти. Информация первого рода только что поступила в виде некоторого стимула, информацию второго рода составляют приобретенные ранее сведения об этом стимуле. Если, например, нам предъявлен стимул, состоящий из трех линий (/, \ и -), то мы распознаем в нем букву А.

В таком случае мы можем дать этому стимулу название из одного или нескольких слов, например, "это буква А". Распознание образа не всегда означает словесную формулировку; нередко мы распознаем образы, не называя их (мы можем, например, распознать некое лицо как знакомое; какой-то запах может напомнить нам о месте, где мы его раньше ощущали).

Так или иначе, информация, поступающая от органов чувств (о контурах, лицах, запахах и т.п.), сопоставляется и соотносится со всем тем, что нам известно об окружающем мире. [2]

Упрощенная схема распознавания образов представлена на рисунке 1.



Рисунок 1 - Основные компоненты системы распознавания образов: сенсорный регистр; сравнивающее устройство, сопоставляющее сенсорную информацию с известными образами; долговременная память (ДП), в которой хранятся известные образы; устройство для принятия решения, выбирающее наиболее подходящий образ.

Можно видеть, что этот процесс слагается из нескольких этапов. Прежде всего подлежащий распознаванию стимул поступает, в сенсорный регистр. Поскольку след сохраняется "здесь очень недолго, процесс распознавания должен быстро завершиться, пока в регистре еще есть информация о стимуле. Сам процесс распознавания заключается в сопоставлении входного стимула с закодированной информацией, находящейся в ДП, а это означает, что информация должна быть представлена в такой форме, чтобы стимул можно было сравнивать. Иначе говоря, хранящееся в ДП закодированное представление о стимуле должно быть в некотором смысле похожим на этот стимул или как-то описывать его внешний вид или форму. После сравнения входного стимула с содержащимися в ДП кодами принимается решение о том, какой из этих внутренних кодов наилучшим образом соответствует данному стимулу. От этого решения зависит выходной сигнал распознающей системы - сообщение о результате принятого решения конечно, после того как образ распознан, из ДП может быть извлечена дополнительная информация о нем, например, распознав в предъявленном стимуле букву А, мы можем затем припоминать все, что нам о ней известно: это первая буква алфавита; с этой буквы начинается слово "арбуз"; это обозначение футбольных команд высшего класса и так далее.

Итак, процесс распознавания образов состоит из нескольких сложных субпроцессов. [2]



2. Механизмы распознавания

2.1 Зрительный анализатор

Зрительный анализатор представляет собой совокупность структур, воспринимающих световую энергию в виде электромагнитного излучения с длиной волны 400-700 нм и дискретных частиц фотонов, или квантов, и формирующих зрительные ощущения. С помощью глаза воспринимается 80-90% всей информации об окружающем мире. [3]

Благодаря деятельности зрительного анализатора различают освещенность предметов, их цвет, форму, величину, направление передвижения, расстояние, на которое они удалены от глаза и друг от друга. Все это позволяет оценивать пространство, ориентироваться в окружающем мире, выполнять различные виды целенаправленной деятельности. Наряду с понятием зрительного анализатора существует понятие органа зрения (рисунок 2).

Рисунок 2 - Орган зрения.

Орган зрения - это глаз, включающий три различных в функциональном отношении элемента: 1) глазное яблоко, в котором расположены световоспринимающий, светопреломляющий и светорегулирующий аппараты; 2) защитные приспособления, т.е. наружные оболочки глаза (склера и роговица), слезный аппарат, веки, ресницы, брови; 3) двигательный аппарат, представленный тремя парами глазных мышц (наружная и внутренняя прямые, верхняя и нижняя прямые, верхняя и нижняя косые), которые иннервируются III (глазодвигательный нерв), IV (блоковый нерв) и VI (отводящий нерв) парами черепных нервов.

Рецепторный (периферический) отдел зрительного анализатора (фоторецепторы) подразделяется на палочковые и колбочковые нейросенсорные клетки, наружные сегменты которых имеют соответственно палочковидную ("палочки") и колбочковидную ("колбочки") формы. У человека насчитывается 6-7 млн колбочек и 110-125 млн палочек.

Место выхода зрительного нерва из сетчатки не содержит фоторецепторов и называется слепым пятном. Латерально от слепого пятна в области центральной ямки лежит участок наилучшего видения - желтое пятно, содержащее преимущественно колбочки. К периферии сетчатки число колбочек уменьшается, а число палочек возрастает, и периферия сетчатки содержит одни лишь палочки.

Различия функций колбочек и палочек лежит в основе феномена двойственности зрения. Палочки являются рецепторами, воспринимающими световые лучи в условиях слабой освещенности, т.е. бесцветное, или ахроматическое, зрение. Колбочки же функционируют в условиях яркой освещенности и характеризуются разной чувствительностью к спектральным свойствам света (цветное или хроматическое зрение).

Палочки и колбочки состоят из двух сегментов - наружного и внутреннего, которые соединяются между собой посредством узкой реснички.

В рецепторных клетках сетчатки находятся светочувствительные пигменты (сложные белковые вещества) - хромопротеиды, которые обесцвечиваются на свету. В палочках на мембране наружных сегментов содержится родопсин, в колбочках - йодопсин и другие пигменты. Родопсин и йодопсин состоят из ретиналя (альдегида витамина А1) и гликопротеида (опсина). Имея сходство в фотохимических процессах, они различаются тем, что максимум поглощения находится в различных областях спектра.

Фотохимические процессы в сетчатке протекают весьма экономно. Даже при действии яркого света 23 расщепляется только небольшая часть имеющегося в палочках родопсина (около 0,006%).

Особое значение в фотохимических процессах имеет пигментный слой сетчатки, который образован эпителием, содержащим фусцин. Этот пигмент поглощает свет, препятствуя отражению и рассеиванию его, что обусловливает четкость зрительного восприятия.

Отростки пигментных клеток окружают светочувствительные членики палочек и колбочек, принимая участие в обмене веществ фоторецепторов и в синтезе зрительных пигментов.

Вследствие фотохимических процессов в фоторецепторах глаза при действии света возникает рецепторный потенциал, который представляет собой гиперполяризацию мембраны рецептора. Это отличительная черта зрительных рецепторов, активация других рецепторов выражается в виде деполяризации их мембраны.

Синаптические окончания фоторецепторов конвергируют на биполярные нейроны сетчатки.

При этом фоторецепторы центральной ямки связаны только с одним биполяром.

Первый нейрон проводникового отдела зрительного анализатора представлен биполярными клетками сетчатки.



Рисунок 3 - Схема строения сетчатки (по данным электронной микроскопии).

Совокупность фоторецепторов, посылающих свои сигналы к одной ганглиозной клетке, образует ее рецептивное поле. Вблизи желтого пятна эти поля имеют диаметр 7-200 нм, а на периферии -- 400-700 нм, т.е. в центре сетчатки рецептивные поля маленькие, а на периферии сетчатки они значительно больше по диаметру. Рецептивные поля сетчатки имеют округлую форму, построены концентрически, каждое из них имеет возбудительный центр и тормозную периферическую зону в виде кольца.

В сетчатке глаза, где локализуется рецепторный отдел зрительного анализатора и начинается проводниковый отдел, в ответ на действие света происходят сложные электрохимические процессы, которые можно зарегистрировать в виде суммарного ответа - электроретинограммы - ЭРГ (рисунок 4).

Рисунок 4 - Электроретинограмма (по Граниту):

a, b, с, d-волны ЭРГ; стрелками указаны моменты включения и выключения света.



ЭРГ отражает такие свойства светового раздражителя, как цвет, интенсивность и длительность его действия. ЭРГ может быть зарегистрирована от целого глаза или непосредственно от сетчатки. Для ее получения один электрод помещают на поверхность роговой оболочки, а другой прикладывают к коже лица вблизи глаза или на мочку уха.

На ЭРГ, зарегистрированной при освещении глаза, различают несколько характерных волн. Первая негативная волна а представляет собой небольшое по амплитуде электрическое колебание, отражающее возбуждение фоторецепторов и горизонтальных клеток. Она быстро переходит в круто нарастающую позитивную волну b, которая возникает в результате возбуждения биполярных и амакриновых клеток. После волны b наблюдается медленная электроположительная волна с - результат возбуждения клеток пигментного эпителия. С моментом прекращения светового раздражения связывают появление электроположительной волны d.

Проводниковый отдел, начинающийся в сетчатке (первый нейрон - биполярный, второй нейрон - ганглиозные клетки), анатомически представлен далее зрительными нервами и после частичного перекреста их волокон - зрительными трактами. В каждом зрительном тракте содержатся нервные волокна, идущие от внутренней (носовой) поверхности сетчатки глаза одноименной стороны и от наружной половины сетчатки другого глаза. Волокна зрительного тракта направляются к зрительному бугру (собственно таламус), к метаталамусу (наружные коленчатые тела) и к ядрам подушки. Здесь расположен третий нейрон зрительного анализатора. От них зрительные нервные волокна направляются в кору полушарий большого мозга.

При рассмотрении объектов, находящихся на разном удалении от наблюдателя, ясному видению способствуют следующие процессы:

1. Конвергенционные и дивергенционные движения глаз, благодаря которым осуществляется сведение или разведение зрительных осей. Если оба глаза двигаются в одном направлении, такие движения называются содружественными.

2. Реакция зрачка, которая происходит синхронно с движением глаз. Так, при конвергенции зрительных осей, когда рассматриваются близко расположенные предметы, происходит сужение зрачка, т. е. конвергентная реакция зрачков. Эта реакция способствует уменьшению искажения изображения, вызываемого сферической аберрацией.

Сферическая аберрация обусловлена тем, что преломляющие среды глаза имеют неодинаковое фокусное расстояние в разных участках. Центральная часть, через которую проходит оптическая ось, имеет большее фокусное расстояние, чем периферическая часть. Поэтому изображение на сетчатке получается нерезким. Чем меньше диаметр зрачка, тем меньше искажения, вызываемые сферической аберрацией. Конвергентные сужения зрачка включают в действие аппарат аккомодации, обусловливающий увеличение преломляющей силы хрусталика. [3]

2.2 Детекторные функции нейронов

Нейрон-детектор - высокоспециализированная нервная клетка, способная избирательно реагировать на тот или иной признак сенсорного сигнала. Нейроны-детекторы выделяют или обнаруживают в сложном раздражителе его отдельный признак или значение этого признака. Разделение сложного сенсорного сигнала на отдельные признаки для их раздельного анализа является необходимым этапом операции опознания образов в сенсорных системах. [4]

Нейроны-детекторы были открыты в 1958-1959 гг. Ж. Леттвином, X. Матурано, У. Мак-Калоком и У. Питсом в сетчатке лягушки и Д. Хьюбелем и Т. Визелем в зрительной коре кошки. У низших позвоночных нейроны-детекторы локализованы в ганглиозных клетках сетчатки глаза, а у хищных и приматов практически полностью вытеснены в кору. Это обеспечивает огромные пластические возможности анализаторов и их способность к сенсорному обучению.

Наиболее детально нейроны-детекторы исследованы в зрительной системе. Это прежде всего ориентационно- и дирекционально- селективные клетки. Первые генерируют максимальный по частоте и числу импульсов разряд при определенном угле поворота одиночной световой (или темновой) полоски или решетки из чередующихся полос в пределах своего рецептивного поля, т.е. определенной пространственной области фоторецепторов сетчатки. При других ориентациях эти клетки отвечают на стимул плохо или не отвечают совсем. По кривой зависимости ответа от ориентации стимула оценивают остроту настройки и предпочитаемую нейроном ориентацию. Дирекционально-селективные нейроны избирательно реагируют на движение стимула через их рецептивное поле по одному из возможных направлений. В большой части случаев нейроны зрительной коры обладают одновременно и ориентационной, и дирекциональной селективностью.

В зрительной коре выделены три типа нейронов-детекторов по степени их сложности и месту в цепи последовательной обработки сигнала: простые, сложные и сверхсложные клетки. Первые -- в основном звездчатые клетки IV слоя коры, первично получающие сигналы из наружного коленчатого тела. У них небольшие рецептивные поля, острая ориентационная настройка, предпочтение к низким скоростям движения стимулов. Нейрон-детектор сложного типа - в основном пирамидные нейроны II-III и V-VI слоев коры, с более широкими рецептивными полями и не столь острой ориентационной настройкой; они чувствительны к более быстрым движениям стимула. Сверхсложные нейроны (пирамиды II-III слоев) во многом схожи с простыми, но чувствительны к ширине и длине световой полоски и сильно реагируют на острые углы и изломы на контурах изображений.

Нейроны-детекторы сложных признаков изображений: наиболее интенсивно возбуждаемые движущейся по экрану тенью руки; циклическими движениями, напоминающими взмахи крыльев; реагирующие лишь на приближение и удаление объектов. Общий принцип работы систем нейронов-детекторов, по-видимому, заключается в формировании нейрона-детектора все более обобщенных и полимодальных (зрительно-слуховых, зрительно-соматосенсорных и т.п.) признаков сенсорного сигнала при удалении от первичных корковых проекций. При этом острота селективности детектирования снижается.

Получены убедительные данные о большой пластичности свойств корковых нейронов-детекторов. Так, в раннем онтогенезе удается значительно модифицировать свойства отдельных детекторов и их системы путем избирательной тренировки. Избирательная зрительная тренировка котят в течение первых четырех недель жизни приводит к тому, что в коре у них не формируются детекторы тех ориентации, которые не предъявлялись, и одновременно выявляется поведенческая слепота к изображениям с этими же ориентациями. У взрослых животных свойства зрительных нейронов-детекторов значительно изменяются при смене условий адаптации или уровня бодрствования. [4]

2.3 Сенсорная зона коры головного мозга

Экстирпация (искоренение) различных участков коры у животных позволила в общих чертах установить локализации сенсорных (чувствительных) функций.

Затылочные доли оказались связанными со зрением. [5]



Рисунок 5 - Проекции частей тела человека на область коркового конца анализатора.

Зона коры, куда проецируется данный вид чувствительности, называется первичной проекционной зоной.

Зрительная зона коры находится в затылочной доле. При раздражении ее возникают зрительные ощущения - вспышки света; удаление ее приводит к слепоте. Удаление зрительной зоны на одной половине мозга вызывает слепоту на одной половине каждого глаза, так как каждый зрительный нерв делится в области основания мозга на две половины (образует неполный перекрест), одна из них идет к своей половине мозга, а другая - к противоположной.

При повреждении наружной поверхности затылочной доли не проекционной, а ассоциативной зрительной зоны зрение сохраняется, но наступает расстройство узнавания (зрительная агнозия). Больной, будучи грамотным, не может прочесть написанное, узнает знакомого человека после того, как тот заговорит. Способность видеть - это врожденное свойство, но способность узнавать предметы вырабатывается в течение жизни. Бывают случаи, когда от рождения слепому возвращают зрение уже в старшем возрасте. Он еще долгое время продолжает ориентироваться в окружающем мире на ощупь. Проходит немало времени, пока он научится узнавать предметы с помощью зрения. [5]

В 1930-х годах испанский цитолог Рафаэль Лоренте де Но, впервые занявшийся детальным изучением ориентации нейронов коры, высказал предположение, что корковые процессы имеют локальный характер и происходят в пределах вертикальных ансамблей, или колонок, т. е. таких структурных единиц, которые охватывают все слои коры снизу доверху. В начале 60-х годов эта точка зрения получила убедительное подтверждение. Наблюдая реакции кортикальных клеток на сенсорные стимулы при медленном продвижении тонких электродов сквозь толщу коры, американский физиолог Верной Б. Маунткасл сравнивал характер регистрируемых ответов внутри вертикально организованных структур. Первоначально его исследования касались тех областей коры, где имеется проекция поверхности тела и нейроны реагируют на сигналы от рецепторов, находящихся в коже или под кожей, но в дальнейшем справедливость полученных выводов была подтверждена и для зрительной системы. Главный вывод заключался в том, что сенсорные сигналы, идущие от одного и того же участка, возбуждают группу нейронов, расположенных пo вертикали. [6]

Вертикальные колонки нейронов более или менее сходного типа распространены во всей коре больших полушарий, хотя размеры и плотность клеток в них варьируют. Поэтому ученые считают, что переработка информации в коре зависит от того, как эта информация достигает кортикальной зоны и как ee передают связи между клетками внутри данной вертикальной колонки. Продукт деятельности любой такой колонки можно приближенно сравнить с результатами многоступенчатых математических вычислений, при которых одни и те же операции выполняются в одинаковом порядке независимо от того, какие исходные данные были введены. Например, "возьмите номер вашего дома, отбросьте последнюю цифру, разделите оставшееся число на 35, округлите частное, и вы получите в ответе номер ближайшей поперечной улицы".

Информация, с которой имеют дело кортикальные колонки (зрительная, тактильная, слуховая и т.д.), конечно, уже была подвергнута частичной переработке первичными воспринимающими и интегрирующими центрами. Результаты деятельности одной корковой колонки с помощью специфических внутрикортикальных синаптических связей передаются затем другой колонке для дальнейшей обработки данных.

Любая корковая колонка содержит примерно одинаковое число клеток - 100 или около того, будь то мозг крысы, кошки, обезьяны или даже человека. Большие способности отдельных особей внутри вида с определенным строением коры обусловлены большим числом колонок в коре и нервных волокон, связывающих их между собой внутри отдельных корковых зон. Колонки - последовательность так называемых детекторов элементарный образов, обеспечивающих распознавание этих образов, таких, например, как простейшие геометрические фигуры, на основе которых следующие ряды в колонке, распознают более сложные элементы. Принцип действия таких структур моделируется персептронами. [6]

При рождении животное не способно различать объекты, хотя способно реагировать, например, на яркий свет, так как глаза у котенка устроены так же, как и у взрослой кошки, есть связи, передающие сигнал от светочувствительных клеток к зрительной коре, но структура этих связей еще не такая, как у кошки. После рождения, та часть коры головного мозга, которая отвечает за зрительное и другие типы восприятия претерпевает изменения. От глаз, светочувствительных клеток идут цепи нейронов к структуре, называемой боковым коленчатым телом, от них сигналы поступают к зрительной коре противоположной части головного мозга. Сигналы, поступающие в мозг, обрабатываются на каждой стадии поступления, то есть если в самом глазном яблоке миллионы рецепторов, то в боковом коленчатом теле на порядок меньше нервных связей, соответственно каждый нейрон получает сигнал от нескольких рецепторов. То, как формируется распознавание объектов в зрительной коре, было изучено на котятах. У новорожденного котенка, зрительные нервные связи перекрываются, но по мере накопления зрительного опыта оказывается, что глаза посылают сигналы в не перекрывающиеся участки коры, то есть остаются только те чередующиеся связи, которые идут только к одному глазу отдельно. Эти структуры называются колонками глазодоминантности. На рисунке 6 они показаны на примере макаки. Они видны, потому что макаке ввели в глаз радиоактивное вещество, которое распространилось только в тех клетках коры, которые отвечают за зрительное восприятие, то есть имеют нервные связи с этим глазом. [7]

Рисунок 6 - Колонки глазодоминантности в стриарной коре макаки: такие колонки формируются в результате конкуренции потоков нервных импульсов от левого и правого глаза.

Исследование того, как сигнал с сетчатки глаза последовательно передается в структуры мозга и как он обрабатывается в каждой из них, что приводит в конечном итоге к восприятию изображения, провели лауреаты Нобелевской премии Дэвид Хьюбел и ТорстенВизел. Они провели серию экспериментов по так называемой монокулярной депривации у котят. Один глаз у новорожденного котенка закрывали на несколько недель. Сигналы от этого глаза поступали в кору. Было показано, что соответствующие этому глазу колонки глазодоминантности были очень узкими, в то время как от другого - очень широкими. Таким образом, тот глаз, который был закрыт, представлен в коре головного мозга небольшим числом нервных связей. Если через месяц глаз открыть, то новые нервные связи уже не образуются, хотя глаз и нервные структуры не повреждены. Это говорит о существовании сензитивного (чувствительного) периода, когда клетки компетентны и способны образовывать нервные связи, соответствующие получаемому опыту. После этого периода такие нервные связи не образуются. До того, как были проведены эксперименты с котятами, когда врачи лечили врожденную катаракту (помутнение хрусталика) у детей, операцию откладывали на более поздний возраст, когда ребенок легче перенесет операцию. В результате после операции зрение не восстанавливалось. После проведения опытов с котятами стало ясно почему - у детей проходил сензитивный период, когда еще был смысл проводить операцию. Если котятам в течение сензитивного периода закрывать глаза по очереди, то у котят не формировалось бинокулярное зрение, то есть они видели, но не могли оценить перспективу.

Есть концепция, основанная на ряде проведенных опытов, что процесс образования колонок глаза доминантности является конкурентным, идет конкуренция потоков сигналов от левого и правого глаза. Так же конкурентный характер носит формирование связей в других участках коры, принимающих сигналы от других рецепторов. Представление о конкурентном формировании нервных структур мозга разработана Джеральдом Эдельманом (лауреат Нобелевской премии за серию работ по структуре антител). Эдельман показал, что при поступлении сигналов между нейронами, которые активируются одновременно, образуются нервные связи. Они образуют группы нейронов, которые на следующем этапе обучения животного, образуют группы более высокого порядка и так далее.

Рисунок 7 - Схема различных типов связей в группах нейронов.

Таким образом, в результате приобретения жизненного опыта изначально одинаковые нейроны делятся на группы (рисунок 7), которые взаимодействуют и работают вместе при поступлении какого-либо сигнала. Например, если одна группа нейронов отвечает за вкус, другая - за цвет, третья - за запах, четвертая - за форму, то при возникновении связей между этими группами можно создать целостное представление o яблоке. На каждом этапе образование нервных связей между группами нейронов идет за счет конкуренции, то есть если сигналы не поступают, то нервные связи отмирают, и наоборот. Свою концепцию Эдельман назвал нейро-дарвинизмом, так как процесс конкурентного отбора нервных связей очень похож на естественный отбор, происходящий в процессе эволюции и образования видов.

Следующая серия экспериментов была проведена с совами Э. Кнудсеном. У сов очень хорошо развиты зрительная и слуховая системы. На совенка надевали призматические очки, в которых все образы смещались на двадцать градусов в сторону. Происходило рассогласование между слуховыми и зрительными сигналами. Через некоторое время после того, как зрительная кора сделала пересчет на двадцать градусов назад, слуховая система подстроилась под зрительную, и совенок без проблем ловил мышей. Но это происходило только в том случае, если совенку было не больше 70 дней. Если после этого очки снять, то слуховая кора может опять подстроиться под зрительную, но только если совенку не больше 200 дней. Однако если совенка держать в вольере, где много других сов, сензитивный период увеличивался, они больше времени были способны к обучению. Из этих экспериментов был сделан вывод: богатая сенсорная среда продлевает сензитивный период.

Похожие опыты проводились и на крысах. Оказывалось, что у крыс, у которых была интересная, богатая среда, в коре сформировано больше нервных связей, у них более разветвленные дендриты на аксонах, на нейронах больше синапсов. Уже давно известно, что с младенчества ребенку надо давать много разных игрушек, погремушек, ярких картинок, чтобы он тренировал тактильные, зрительные и слуховые системы восприятия, у таких детей в дальнейшем лучше развиваются интеллектуальные способности.

В следующей серии экспериментов котят помещали в так называемую вертикальную среду (котята сидели в темноте, и свет зажигали ненадолго, при этом в пустом помещении имелись только вертикальные полоски на стенах). По окончании сензитивного периода их помещали в обычную среду. Оказалось, что такие котята не видят горизонтальные предметы, то есть если швабра стоит, то котенок может ее обойти, если она лежит, то он на нее натыкается. Это происходит потому, что в коре не образовались связи, реагирующие на горизонтальные предметы. То есть сигнал, поступивший через глаза и далее через боковое коленчатое тело, просто не может быть обработан в коре, он не распознается. Этот пример говорит о том, что животное, в частности человек, который в сензитивный период (до 3-5 лет) не получил богатый сенсорный опыт, будет ограничен в развитии своих интеллектуальных способностей. Пример - дети-Маугли, которых находили в возрасте 5-7 лет, не способных уже научиться говорить. [7]

2.4 Распознавание лиц

Механизм узнавания лиц человеком и животными - одна из труднейших проблем нейрофизиологии. Как показывают эксперименты и повседневный опыт, человек, высшие приматы и хищные млекопитающие способны идентифицировать знакомое лицо за доли секунды. У человека эта удивительная способность формируется в первые два года жизни. Известно, что для этого используется участок передней нижневисочной коры больших полушарий головного мозга. До последнего времени было совершенно непонятно, как нейронные сети мозга успевают решить эту сложнейшую задачу за такое короткое время. [8]

Было предложено несколько теорий, объясняющих эту способность мозга. Одна из них предполагает, что распознавание происходит путем сравнения с хранящимся в мозгу эталоном лица. Этот эталон может быть врожденным, а может формироваться на основе усреднения статистики лиц, увиденных человеком на протяжении его жизни. В ходе последних исследований ученые получили данные, подтверждающие "эталонную" гипотезу.

Международная группа исследователей, которую возглавляет доктор Давид Леопольд из Лаборатория нейропсихологии Национального института психического здоровья в Бетезде (штат Мэриленд, США), и в которую входят доктор Игорь Бондарь из Института Макса Планка и доктор Мартин Гизе - руководитель Лаборатории представления действий и обучения в Тюбингене (Германия) - выяснили, как узнают лица макаки.

Оказалось, что макаки, видя лицо своего товарища или человека, не перебирают в памяти все известные им лица, а сравнивают видимый ими образ со "среднестатистическим лицом", хранящимся в памяти. На основе найденных отличий отыскивается лицо, наиболее близкое к видимому в данный момент.

Исследование нейрофизиологии мозга макаки позволило понять, как работает механизм распознавания лица. Ученые показывали двум макакам (Macacamulatta) человеческие лица на экране компьютера. Изображения генерировались из набора реальных фотографий при помощи специальной программы-преобразователя. Эта программа может, как генерировать новые лица, так и строить усредненные изображения по имеющемуся набору лиц. При этом у животных при помощи тончайших электродов регистрировали активность нейронов передней нижневисочной коры больших полушарий - области мозга, отвечающей за распознавание лиц. Были выявлены нейроны, возбуждающиеся при показе индивидуальных лиц. Некоторые нейроны "вспыхивали" в ответ на каждое из нескольких лиц, другие - только на одно определенное. Эти нейроны реагировали именно на узнавание лица, не зависимо от его положения и масштаба.

Оказалось, что большинство из найденных таким образом нейронов сильнее всего реагировали на наиболее усредненное лицо. Чем из большего количества фотографий генерировалось усредненное лицо (то есть чем ближе оно было к истинному человеческому среднему), тем сильнее возбуждались эти нейроны. В то же время отдельные нейроны усиливали свои ответы при отклонении лица от среднестатистического вида. Это показывает, что в передней нижневисочной коре хранится эталон "среднего лица", с которым сравниваются все лица, видимые обезьяной.

Доктор Леопольд говорит: "Увидев новое лицо, обезьяна мысленно сравнивает его с уже имеющимся средним образом, а затем выделяет различия. Это проясняет вопрос, как мозгу удается столь быстро и без видимых усилий, за какие-то сотни миллисекунд, узнавать лицо".

Психологические исследования на людях позволяют предположить, что человек для узнавания лиц пользуется такой же или близкой стратегией. [8]



3. Восприятие как сложный перцептивный процесс

3.1 Общая характеристика восприятия

Восприятие - это целостное отражение предметов, ситуаций, явлений, возникающих при непосредственном воздействии физических раздражителей на рецепторные поверхности органов чувств. [9]

Понятия "ощущение" и "восприятие" взаимосвязаны между собой, однако между ними существуют и коренные различия. Содержание ощущений не выходит за пределы элементарных форм отражения, а суть процессов ощущения заключается в отражении лишь отдельных свойств объектов и явлений окружающего нас мира. Однако реальные процессы отражения внешнего мира выходят далеко за пределы элементарных форм. Человек живет не в мире изолированных световых или цветовых пятен, звуков или прикосновений, он живет в мире вещей, предметов и форм, в мире сложных ситуаций. Все, что бы человек ни воспринимал, неизменно предстает перед ним в виде целостных образов.

Отражение образов выходит за пределы изолированных ощущений. Опираясь на совместную работу органов чувств, происходит синтез отдельных ощущений в сложные комплексные системы. Этот синтез может протекать как в пределах одной модальности (например, когда мы смотрим кинокартину, происходит объединение отдельных зрительных ощущений в целые образы), так и в пределах нескольких модальностей (воспринимая апельсин, мы фактически объединяем зрительные, осязательные, вкусовые ощущения, присоединяя к ним и наши знания о нем). Лишь в результате такого объединения изолированные ощущения превращаются в целостное восприятие, переходят от отражения отдельных признаков к отражению целых предметов или ситуаций. Поэтому основным отличием восприятия от ощущения является предметность осознания всего, что воздействует на нас, т.е. отображение объекта реального мира в совокупности всех его свойств или, иными словами, целостное отображение предмета.

Восприятие включает в себя ощущение и основывается на нем. При этом всякий перцептивный образ включает в себя целый ряд ощущений, так как любой предмет или явление обладают многими и различными свойствами, каждое из которых способно независимо от других свойств вызвать ощущение. Однако было бы ошибочным полагать, что такой процесс (от относительно простых ощущений - к сложному образу восприятия) является простым суммированием отдельных ощущений. На самом деле восприятие (или отражение) целых предметов или ситуаций гораздо сложнее. Помимо ощущений в процессе восприятия задействован предыдущий опыт, процессы осмысления того, что воспринимается, т.е. в процесс восприятия включаются психические процессы еще более высокого уровня, такие как память и мышление. Поэтому восприятие очень часто называют перцептивной системой человека.

В настоящее время существуют различные теории процесса распознавания образов. В этих теориях основное внимание уделено следующему вопросу: как внешние сигналы, воздействующие на органы чувств, преобразуются в осмысленные перцептивные образы? Как правило, мы опознаем окружающие нас предметы и события легко и быстро; поэтому может создаться впечатление, что связанные с распознаванием операции просты и непосредственны. Однако это совсем не так. Попытки инженеров создать машины, которые были бы способны распознавать символы и звуки, обычные для окружающей нас среды, в большинстве случаев заканчиваются неудачей. Системы восприятия животных, даже самых примитивных, по своим возможностям далеко опережают подобные машины.

Исследования психофизиологов показывают, что восприятие является очень сложным процессом, требующим значительной аналитико-синтетической работы. Прежде всего, получаемая нами информация об объектах и явлениях окружающего нас мира ни в коей мере не является результатом простого раздражения органов чувств и доведения до коры мозга возбуждения от периферических воспринимающих органов. В процесс восприятия всегда включены двигательные компоненты (ощупывание предметов и движение глаз при восприятии конкретных предметов; пропевание или проговаривание соответствующих звуков при восприятии речи). Поэтому восприятие правильнее всего обозначать как воспринимающую (перцептивную) деятельность субъекта. Результатом этой деятельности является целостное представление о предмете, с которым мы сталкиваемся в реальной жизни.

В свою очередь, целостное отражение предмета требует выделения из всего комплекса воздействующих признаков (цвет, форма, вес, вкус и т.д.) основных ведущих признаков с одновременным отвлечением (абстракцией) от несущественных. Вероятно, мы не ошибемся, если выскажем предположение о том, что на данном этапе восприятия в формировании перцептивного образа может принимать участие мышление. В то же время следующий этап восприятия требует объединения группы основных существенных признаков и сопоставления воспринятого комплекса признаков с прежними знаниями о предмете, т.е. в процессе восприятия участвует память. Если при таком сопоставлении гипотеза о предлагаемом предмете совпадает с поступающей информацией, возникает узнавание предмета и происходит его восприятие. Если гипотеза не согласуется с реально доходящей до субъекта информацией, поиски нужного решения продолжаются до тех пор, пока субъект не найдет его, т.е. пока он не узнает предмет или не отнесет его к определенной категории. Причем следует иметь в виду, что восприятие знакомых предметов (чашка, стол), их узнавание происходит очень быстро - человеку достаточно объединить два-три воспринимаемых признака, чтобы прийти к нужному решению. Однако при восприятии новых или незнакомых предметов узнавание их протекает гораздо сложнее и в более развернутых формах. Полное восприятие таких предметов возникает как результат сложной аналитико-синтетической работы, при которой выделяются одни, существенные, признаки, тормозятся другие, несущественные, и воспринимаемые признаки объединяются в одно осмысленное целое. Поэтому скорость узнавания или отражения объекта реального мира во многом определяется тем, насколько восприятие, как процесс, активно, т.е. насколько активно идет отражение этого объекта.

Следовательно, огромную роль в восприятии играет наше желание воспринимать тот или иной предмет, сознание необходимости или обязанности воспринять его, волевые усилия, направленные на то, чтобы добиться лучшего восприятия, настойчивость, которую мы в этих случаях проявляем. Таким образом, в восприятии предмета реального мира задействованы внимание и направленность (в данном случае желание).

Говоря о роли желания воспринимать объекты окружающего нас мира, мы невольно доказываем то, что наше отношение к тому, что мы воспринимаем, имеет большое значение для процесса восприятия. Предмет может быть интересен или безразличен для нас, т.е. он может вызывать у нас различные чувства. Естественно, что интересный для нас предмет будет восприниматься нами более активно, и наоборот, безразличный для нас предмет мы можем даже не заметить.

Таким образом, необходимо сделать вывод, что восприятие - это весьма сложный, но вместе с тем - единый процесс, направленный на познание того, что в данный момент воздействует на нас. [9]

3.2 Физиологические основы восприятия

Физиологической основой восприятия являются процессы, проходящие в органах чувств, нервных волокнах и центральной нервной системе. Так, под действием раздражителей в окончаниях нервов, имеющихся в органах чувств, возникает нервное возбуждение, которое по проводящим путям передается в нервные центры и, в конечном итоге, в кору головного мозга. Здесь оно поступает в проекционные (сенсорные) зоны коры, которые представляют собой как бы центральную проекцию нервных окончаний, имеющихся в органах чувств. В зависимости от того, с каким органом связана проекционная зона, формируется определенная сенсорная информация. [9]

Следует отметить, что описанный выше механизм является механизмом возникновения ощущений. И действительно, на уровне предложенной схемы формируются ощущения. Следовательно, ощущения могут быть рассмотрены как структурный элемент процесса восприятия. Собственные физиологические механизмы восприятия включаются в процессе формирования целостного образа па последующих этапах, когда возбуждение от проекционных зон передается в интегративные зоны коры головного мозга, где и происходит завершение формирования образов явлений реального мира. Поэтому интегративные зоны коры головного мозга, завершающие процесс восприятия, часто называют перцептивными зонами. Их функция существенно отличается от функций проекционных зон.

Это различие отчетливо обнаруживается при нарушении деятельности той или иной зоны. Например, при нарушении работы зрительной проекционной зоны наступает так называемая центральная слепота, т.е. при полной исправности периферии - органов чувств - человек полностью лишается зрительных ощущений, он ничего не видит. Совсем иначе обстоит дело при поражениях или нарушении работы интегративной зоны. Человек видит отдельные световые пятна, какие-то контуры, но не понимает, что он видит. Он перестает осмысливать то, что воздействует на него, и не узнает даже хорошо знакомые предметы. Аналогичная картина наблюдается при нарушении деятельности интегративных зон других модальностей. Так, при нарушении слуховых интегративных зон люди перестают понимать человеческую речь. Подобные заболевания получили название агностических расстройств (расстройства, приводящие к невозможности познания), или агнозий. распознавание образ зрительный восприятие

Физиологическая основа восприятия еще более усложняется тем, что оно тесно связано с двигательной деятельностью, с эмоциональными переживаниями, разнообразными мыслительными процессами. Следовательно, начавшись в органах чувств, нервные возбуждения, вызванные внешними раздражителями, переходят в нервные центры, где охватывают собой различные зоны коры, вступают во взаимодействия с другими нервными возбуждениями. Вся эта сеть возбуждений, взаимодействующих между собой и широко охватывающих разные зоны коры, и составляет физиологическую основу восприятия.

Поскольку восприятие тесно связано с ощущением, можно предположить, что оно, как и ощущение, является рефлекторным процессом. Рефлекторную основу восприятия раскрыл И.П. Павлов. Он показал, что в основе восприятия лежат условные рефлексы, т.е. временные нервные связи, образующиеся в коре больших полушарий головного мозга при воздействии на рецепторы предметов или явлений окружающего мира. При этом последние выступают в качестве комплексных раздражителей, так как при обработке вызванного ими возбуждения в ядрах корковых отделов анализаторов протекают сложные процессы анализа и синтеза. И.П. Павлов писал: "В гармонии с беспрерывно и многообразно колеблющейся природой, агенты в качестве условных раздражителей то выделялись полушариями для организма в виде крайне мелких элементов (анализировались), то сливались в многообразные комплексы (синтезировались)". Анализ и синтез обеспечивают выделение объекта восприятия из окружающей среды, и на этой основе все его свойства объединяются в целостный образ.

Временные нервные связи, обеспечивающие процесс восприятия, могут быть двух видов: образуемые в пределах одного анализатора и межанализаторные. Первый вид имеет место при воздействии на организм комплексного раздражителя одной модальности. Второй вид нервных связей, образуемых при воздействии комплексного раздражителя, - это связи в пределах разных анализаторов, возникновение которых И.М. Сеченов объяснял существованием ассоциаций (зрительных, кинестетических, осязательных и т.д.). Эти ассоциации у человека обязательно сопровождаются слуховым образом слова, благодаря которому восприятие приобретает целостный характер. Благодаря связям, образуемым между анализаторами, мы отражаем в восприятии такие свойства предметов или явлений, для восприятия которых нет специально приспособленных анализаторов (например, величина предмета, удельный вес и др.).

Таким образом, в основе сложного процесса построения образа восприятия лежат системы внутри анализаторных и межанализаторных связей, обеспечивающих наилучшие условия видения раздражителей и учет взаимодействия свойств предмета как сложного целого.

3.3 Психические процессы

С практической точки зрения главная функция восприятия заключается в обеспечении распознавания объектов, т.е. их отнесении к той или иной категории: это - рубашка, это - кошка, это - ромашка и т.д. Аналогично происходит распознавание. [9]

По сути, распознавая объекты, мы делаем выводы о множестве скрытых свойств объекта. Таким образом, распознавание - это то, что позволяет выйти за пределы чувственного отображения свойств предмета.

Любой объект обладает определенной формой, величиной, цветом и т.д. Все эти свойства важны для его распознания. Тем не менее, чашку мы узнаем независимо от того, большая она или маленькая, белая или коричневая, гладкая или с рельефом. Тогда возникает вопрос: как эти свойства используются в распознавании?

В настоящее время принято выделять в процессе распознавания объектов несколько этапов, одни из которых предварительные, другие - завершающие. На предварительных этапах перцептивная система использует информацию с сетчатки глаза и описывает объект на языке элементарных составляющих, таких как линии, края и углы. На завершающих этапах система сравнивает это описание с описаниями форм разного рода объектов, хранящихся в зрительной памяти, и выбирает наилучшее ему соответствие. Причем при распознавании большая часть обработки информации как на предварительных, так и на завершающих этапах распознавания недоступна сознанию.

Многое из того, что на сегодня известно об элементарных признаках объекта восприятия, было получено в биологических экспериментах над животными с применением регистрации активности отдельных клеток зрительной коры. В этих исследованиях изучалась чувствительность специфических нейронов коры во время предъявления различных стимулов на те участки сетчатки глаза, которые связаны с этими нейронами; такой участок сетчатки принято называть рецептивным полем кортикального нейрона.

Первые исследования с регистрацией активности отдельных клеток зрительной коры были проведены Хьюбелем и Визелем в 1968 г. Они выделили в зрительной коре три типа клеток, различающихся по признакам, на которые они реагируют. Простые клетки реагируют, когда глазу предъявляют стимул в виде линии (тонкой полоски или прямой грани между темным и светлым участками), имеющей определенную ориентацию и положение в рецептивном поле. Другие простые клетки настроены на другие ориентации и положения. Сложные клетки тоже реагируют на полоску или край определенной ориентации, но для них не обязательно, чтобы стимул находился в определенном месте рецептивного поля. Они реагируют на стимул, находящийся в любом месте их рецептивного поля, и реагируют непрерывно, пока стимул перемещается по их рецептивному полю. Сверхсложные клетки реагируют на стимул не только определенной ориентации, но и определенной длины. Если длина стимула выходит за пределы оптимальной, реакция ослабляется и может совсем прекратиться. Позднее были обнаружены клетки, реагирующие на другие формы стимулов, помимо полосок и краев. Например, были обнаружены сверхсложные клетки, реагирующие на углы и кривые линии определенной длины.

Все вышеописанные типы клеток называются детекторами признаков. Поскольку края, полоски, углы и изломы, на которые реагируют эти детекторы, могут использоваться для аппроксимации множества форм, есть основание рассматривать детекторы признаков как кирпичики, из которых строится воспринимаемая форма.

Однако получаемая детекторами информация в дальнейшем проходит сложную систему обработки. В настоящее время нет единой точки зрения на то, как это происходит. Одна из гипотез основывается на предположении о том, что данные клетки образуют целые сети. Каждый элемент этой сети отражает какую-то определенную характеристику воспринимаемого объекта (линию, кривую, угол и т.д.). В результате возникает целостный образ объекта. Конечно, это весьма упрощенное понимание данной концепции.

Вероятно, эти сети сложны по своей структуре, но пока мы знаем о них еще слишком мало.

Вместе с тем имеющиеся экспериментальные данные позволяют говорить о том, что форма естественных объектов (например, лицо человека) состоит из более сложных признаков, чем линии и кривые, и скорее напоминает простые геометрические фигуры. Эти признаки таковы, что их комбинация позволяет создать форму любого узнаваемого объекта.

В состав признаков объектов входят некоторые геометрические фигуры, такие как цилиндры, конусы, параллелепипеды и клинья. Такие признаки можно назвать геонами. Это предположение было высказано Бидерманом в 1987 г. Он считает, что набора из 36 геонов в сочетании с небольшим набором пространственных отношений будет достаточно для описания формы всех объектов, которые человек способен опознать. Всего из двух геонов можно составить 3636 различных объектов (сформировать объект можно из любых двух геонов, а из трех геонов - 363636 объектов). Эти числа дают в сумме уже около 30000, а еще надо учесть возможные объекты из четырех и более геонов. Кроме того, геоны, показанные на рисунке 8, различаются только своими простейшими признаками. Например, геон 2 (куб) отличается от геона 3 (цилиндра) тем, что у куба прямые края, а у цилиндра - изогнутые; прямые и изогнутые линии являются простыми признаками.

Рисунок 8 - Представление объекта в виде совокупности геонов.

То, что геоны являются опознавательными признаками объектов, подтвердилось в экспериментах, в которых испытуемым предлагали распознать нарисованные объекты, предъявляемые на короткое время. Общий результат был таков, что объект распознается настолько хорошо, насколько хорошо воспринимаются его геоны.

Имеется значительно больше информации о принципах осуществления процесса распознавания. В частности, известно, что распознавание естественных объектов осуществляется по принципу "сверху-вниз", а также известно, что контекст, в котором мы воспринимаем объект, существенно влияет на характер его распознания. Почему это происходит именно так?

Дело в том, что в восприятии есть принципиальное различие между процессами обработки, протекающими "снизу-вверх" или "сверху-вниз". Процессы "снизу-вверх" управляются только входными сигналами, а процессы "сверху-вниз" - знаниями и ожиданиями человека. Например, когда на основе только геонного описания объекта последний узнается как лампа, то здесь участвуют только процессы "снизу-вверх"; все начинается с появления на входе простых признаков этого объекта, далее определяется геонная конфигурация входных данных, и затем это описание сравнивается с хранящимися в памяти описаниями форм. Наоборот, если мы узнаем в некотором объекте лампу отчасти потому, что она находится на ночном столике рядом с кроватью, то в этом участвуют процессы "сверху-вниз"; здесь привлекается не только та информация, которая поступила на сенсорный вход, но и контекст, в котором воспринимается тот или иной объект.

...