Функциональная структура и динамика взора человека

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора психологических наук

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ВЗОРА ЧЕЛОВЕКА

19.00.01 -- общая психология, психология личности, история психологии

Белопольский Виктор Исаевич

Москва 2008

Работа выполнена в Институте психологии РАН

Официальные оппоненты:

доктор психологических наук, профессор, член-корреспондент РАО Панов Виктор Иванович

доктор психологических наук, профессор Прохоров Александр Октябринович

доктор психологических наук Обознов Александр Александрович

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института психологии РАН.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат психологических наук Т.Н. Савченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Посредством зрения человек получает большую часть информации о внешней среде. Зрение обеспечивает человеку ориентировку в пространстве, участвует в построении образов предметов и целостной картины мира, а также направляет его поведение. Усилиями представителей разных наук -- физики и биологии, философии и психологии, медицины и кибернетики собран богатейший фактический материал о структуре и функциях зрительной системы, а также о механизмах, обеспечивающих ее функционирование. Вместе с тем, несмотря на несомненные успехи и мощный методический арсенал, используемый исследователями, некоторые принципиальные проблемы формирования и функционирования зрительного образа до сих пор не имеют общепринятого решения и остаются предметом интенсивных дискуссий. К ним относится, прежде всего, проблема активности зрительного восприятия, тесно связанная с представлением о зрительных направлениях и, в частности, с понятием взора человека. взор человек познавательный двигательный

Традиционно направление взора связывалось с пространственной ориентацией сетчатки глаза (идея «фовеального» взора), которая рассматривалась как анализатор светового потока или, в современных терминах, как настроенный на световые раздражители сенсорный канал. Исследователи приложили немало усилий, чтобы найти передаточную функцию этого канала, обеспечивающую симультанность и панорамность зрительного восприятия (Логвиненко, 1981). Однако неподвижная сетчатка -- это абстракция. Еще в конце 19-го века стало ясно (Мах, 1907; Helmholtz, 1866; Hering, 1879; Сеченов, 1877/1952; Ланге, 1893; Sherrington, 1918), что ни феноменологию, ни развитие, ни регуляторные функции зрения нельзя понять в отрыве от мобильности аппарата зрения -- глаза. Мобильная же сетчатка ставит перед исследователями целый ряд сложных вопросов, связанных с необходимостью перекодирования зрительных направлений и интеграцией отдельных пространственных образов в целостный, стабильный образ внешнего пространства.

Широкое распространение получил подход, привлекающий для объяснения феноменов пространственного восприятия дополнительный, экстрасетчаточный источник информации о позиции и движении глаза (Э.Мах, Г.Гельмгольц, Г.Геринг, Ю.Б.Гиппенрейтер, Р. Грегори, Гуревич, И.Сеченов, Р. Сперри, Н.Ланге, А.Н.Леонтьев, Х. Миттельштат, Д. Тойбер, Э. фон Хольст, Ч. Шеррингтон), однако при этом недостаточно выясненной остается природа этого сигнала (проприоцептивный или эфферентный), его метрика, а также пространственная система отсчета (ретинальная, эгоцентрическая или экзоцентрическая), относительно которой учитывается вся пространственная информация.

В русле другого подхода (Дж. Гибсон, Л. Митрани, Дж. Маккей, Г. Юханссон) в качестве единицы анализа выбирается сенсорное событие, протекающее на временном отрезке до, во время и после движения глаз, но в этом случае за рамками рассмотрения оказываются не только причины, но и закономерности управления системой позиционирования глаза, включающей движения глазного яблока в координатах головы, подвижность головы относительно туловища и самого туловища относительно внешних объектов.

Можно констатировать, что до сих пор не удалось преодолеть противопоставление «сенсорных» и «моторных» теорий зрительного восприятия, свидетельством чему являются не нашедшие пока однозначного решения, но такие важные для общей теории зрительного восприятия вопросы, как взаимоотношение понятий взора и зрительного пространственного внимания, взора и функционального поля зрения, взора и фиксации, соотношение динамики взора и различных форм глазодвигательной активности.

Изучение функциональной структуры взора, его природы, метрики и динамики имеет и важное практическое значение, в частности, для анализа познавательной и исполнительной деятельности человека, а также для медицины, поскольку регистрация глазодвигательной активности широко используется как метод объективации зрительной деятельности при решении различного рода задач, а также как метод выявления аномального функционирования тех или иных мозговых структур. Существующая же в настоящее время методология реконструкции психических процессов по записям движений глаз страдает определенными недостатками, не позволяющими однозначно судить о содержательных аспектах деятельности человека.

Методологические и теоретические основания исследования

В основе работы лежат несколько фундаментальных идей и подходов.

Прежде всего, это принцип активности в психологии. В преломлении к проблеме чувственного восприятия это рефлекторная традиция, идущая с И.М. Сеченова, указывающая на важнейшую роль моторики в «объективации» зрительного образа внешней среды, его дифференциации с последующей интеграцией. Эта традиция получила развитие в работах Б.Ф.Ломова, А.Н.Леонтьева, А.В. Запорожца, В.П.Зинченко, Ю.Б.Гиппенрейтер, Б.Х. Гуревича, Л.И. Леушиной, А.А.Митькина, В.А.Барабанщикова, а также, Д. Хэбба, Л.Старка, Р.Грегори и др. В рамках этого подхода сформулированы, в частности, «моторные теории восприятия», в которых движениям глаз относится роль операций или действий, включенных в ход решения текущей перцептивной задачи, а также важнейшее понятие перцептивной системы (Дж.Гибсон, В.А.Барабанщиков).

Другая традиция, на которую мы опирались, это подход к моторике глаза как к биологической системе автоматического регулирования (П.К.Анохин, Р.Юнг, Э. фон Хольст, Х.Миттельштадт, Д.Робинсон, А.Н.Бернштейн, Н.Ю.Вергилес, Р.Янг, А.Бэхилл, А.Р.Шахнович, А.Ярбус и др.). Описание этой системы в терминах управляющего сигнала прямой и обратной связи, быстродействия, переходного процесса, адаптивности, коэффициента усиления, времени задержки и т.п. позволяет строить ее функциональные модели, предсказывать ее состояние в конкретных условиях функционирования, прослеживать этапы ее онтогенетического становления и искать обеспечивающие ее работу нейрофизиологические механизмы. В этом контексте чрезвычайно важны наблюдения, экспериментальные факты и теоретические обобщения, накопленные в русле исследований генезиса зрительного восприятия и движений глаз (К. фон Хофстейн, Э. Гибсон, А.М.Фонарев, Т. Бауэр, А.А. Митькин, Ж. Пиаже, Е.А.Сергиенко, А.В.Запорожец, Л.А. Венгер).

Объект исследования: зрительная система человека в единстве ее сенсорных, перцептивных и двигательных компонентов.

Предмет исследования: феномен человеческого взора.

Цель исследования: изучение функциональной структуры взора человека, его природы, метрики, динамики и его места в системе познавательных и двигательных процессов.

Согласно основной гипотезы пространственно-временная динамика зрительного восприятия, ее становление, развитие и функционирование не могут быть сведены к закономерностям работы системы моторного позиционирования сетчатки глаза. Идее «фовеального взора» противопоставлено представление о взоре человека как особом функциональном органе, обладающем позиционным чувством (позиция визуального эгоцентра) и обеспечивающем пространственную селективность и пространственно-временную непрерывность процесса зрительного восприятия. Предполагается, что динамика взора (внимания, фокуса сознания) обеспечивается надсетчаточным перцептивным механизмом, который оперирует не в системе координат сетчатки, а в координатах внешнего пространства; при этом моторная подсистема позиционирования взора выполняет вспомогательные функции, связанные с оптимизацией условий считывания информации в зоне актуальной направленности взора. В силу этого, выделение единиц зрительной деятельности должно строиться не на кинематических формах движений глаз, а исходя из циклов управления взором.

Задачи исследования:

1. Собрать и систематизировать данные, противоречащие идее «фовеального взора».

2. Исследовать позиционную динамику взора и ход зрительного процесса в условиях, когда глазодвигательная система (ГДС) работает с систематической позиционной и временной ошибкой (изменение величины зрительной обратной связи).

3. Исследовать возможности управления взором в условиях функциональной неэффективности глазодвигательной системы (сетчаточная стабилизация изображения).

4. Изучить природу позиционного чувства взора в контексте проблемы стабильности видимого мира.

5. Выделить базовые пространственно-временные стратегии зрительного пространственного внимания (взора), связанные обнаружением и фиксацией объектов.

6. Оценить роль торзионных и вергентных движений глаз в системе пространственной ориентации взора человека.

7. Изучить пространственные стратегии взора при обработке лингвистической информации в процессе чтения и поиска в зависимости от условий предъявления и уровня сформированности навыка чтения.

8. Сформулировать концепцию взора человека как функционального органа пространственного восприятия, описать его структуру, функции и место в системе перцептивной, когнитивной и общедвигательной активности человека.

Аппаратурные методы исследования:

1. Методика двухкоординатной регистрации движений глаз (электромагнитный, роговичный инфракрасный блик и электроокулографический методы), используемая для объективизации пространственной и временной динамики внимания.

2. Методика регистрации торзионных движений глаз и головы (фотоэлектрический метод) для измерения компенсационных механизмов в системе стабилизации взора относительно субъективной вертикали.

3. Контактные оптические приборы, устанавливаемые непосредственно на глазное яблоко, для изменения величины зрительной обратной связи в глазодвигательной системе и для ограничения зоны эффективной афферентации сетчатки глаза

4. Компьютерная («Batterfly», «Titler»), проекционная и электромеханическая системы для тахистоскопического и динамического предъявления визуальной информации.

5. Метод ЭЭГ для регистрации потенциалов мозга, событийно связанных с движениями глаз в процессе зрительного восприятия.

Исследовательские процедуры

1. Анализ кинематических (амплитуда, скорость, ускорение), временных и системных (коэффициент усиления, коэффициент прямой и обратной связи) параметров моторной активности глаз, головы и туловища при выполнении различного рода задач.

2. Трансформация зрительной обратной связи в глазодвигательной системе и системе управления движениями головы.

3. Стабилизация рассматриваемого изображения (локальные объекты, реальная сцена, органы тела) относительно сетчатки глаза методом последовательных образов.

4. Психофизические («границ», «да-нет», «установки») методы для определения пороговых значений точности перцептивной активности в задачах опознания, идентификации, обнаружения и чтения.

5. Хронометрические (тахистоскопия, «выигрыш-проигрыш») методы для измерения временных показателей перцептивной деятельности в условиях варьирования вероятностной структурой предъявляемой стимуляции.

6. Феноменологический метод для оценки позиционной стабильности взора при трансформации естественных зрительно-моторных связей в глазодвигательной системе.

7. Электрофизиологический метод регистрации связанного с саккадами мозгового потенциала в режиме непрерывной познавательной деятельности (чтение).

При статистической обработке данных использованы: методы фазово-частотного и амплитудно-частотного анализа; дисперсионный анализ (ANOVA, MANOVA), субъективное шкалирование; параметрические и непараметрические процедуры анализа и сравнения характеристик распределения эмпирических данных; корреляционный и факторный анализ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Взор человека представляет собой перцептивно-моторный функциональный орган, посредством которого реализуется его активность, связанная с пространственной ориентировкой, поиском и локализацией информативных объектов, фокусировкой зоны зрительной обработки, управлением движениями рук и локомоцией, разнообразными коммуникативными задачами. Взор человека представлен в видимой картине мира в форме зрительного эгоцентра (я смотрю, фокусирую, вижу, фиксирую, слежу и т.д.) и оперирует в метрике внешней пространственной системы отсчета, а в случае ее редукции или отсутствия -- в эгоцентрической системе отсчета.

2. Взор включает такие размерности как направление, зона актуальной зрительной обработки (4 измерения: вертикаль, горизонталь, удаленность и ориентацию), напряжение и ритмика, количественные параметры которых меняются закономерным образом, подчиняясь логике решаемых человеком задач и опираясь на характеристики пространственно-энергетического распределения потока визуальной стимуляции. Динамика взора обеспечивается посредством автоматизированных перцептивно-моторных операций (пространственно-временных стратегий), которые лишь частично поддаются сознательному контролю.

3. Двигательные компоненты взора (движения глаз, а также головы и туловища) выполняют важные, но вспомогательные функции в системе позиционирования взора, а также в создании оптимальных условий для функционирования зрительных механизмов различения, идентификации и опознания. Тесная связь между движениями глаз и пространственно-временной динамикой взора не является доказательством их тождества; это подтверждается, кроме несоответствия их размерностей, фактами временного сдвига и пространственного рассогласования между смещением взора и движением глаз, а также возможностями смещать взор без движения глаз и двигать глазами без изменения позиции взора.

4. Цикл управления взором включает генерацию интенционального (центрального, волевого, data-driven) или ориентировочного (внешнего, непроизвольного, stimulus-driven) командного сигнала для изменения параметров взора и обратную связь об изменениях в перцептивной картине мира, связанных с выполнением этой команды и, в частности, с движениями глаз. Собственно глазодвигательная система оперирует на уровне ретино-моторных отношений, отслеживая фовеальной областью сетчатки задаваемый взором позиционный сигнал рассогласования и оптимизируя свои кинематические характеристики в соответствии с требованиями перцептивного процесса. Такая функциональная структура взора человека предполагает, что присущее зрительному эгоцентру позиционное чувство относится к пространственной позиции взора, а не глаза как анатомического органа.

5. Операциональной единицей динамики перцептивного процесса является цикл управления взором. Номенклатура этих циклов достаточно широка и включает фиксацию (пристальную или расслабленную), перевод взора на новый объект, поисковые, контролирующие, прослеживающие движения взора и т.д. (список далеко не полный). Поэтому реконструкция этапов перцептивного процесса по записям движений глаз должна опираться не на кинематические единицы глазодвигательной активности (саккады, дрейфы, плавные движения, нистагм и т.д.), а использовать паттерны глазодвигательной активности, соответствующие тому или иному циклу управления взором.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования

В диссертации обоснована и сформулирована оригинальная концепция взора человека, ассимилирующая и интегрирующая богатейший эмпирический материал, накопленный в разных областях знаний: философии, психологии, физиологии и анатомии, кибернетики и робототехнике. Взор человека описан как функциональный перцептивно-моторный орган, орган «живого» движения (по А.Н. Бернштейну), управляющий выбором локуса активной зрительной переработки в презентированной наблюдателю стабильной и безграничной картине видимого мира.

Для доказательства правомерности и эвристичности такого понимания взора человека:

1. Разработаны новые исследовательские методы: оптический метод изменения величины зрительной обратной связи, фотоэлектрический метод регистрации торзионных движений глаз, метод динамического предъявления символьной информации на экране дисплея, метод измерения связанных с саккадами мозговых потенциаловд в условиях непрерывной деятельности.

2. Получены новые экспериментальные факты, опровергающие концепцию «фовеального взора». Доказано, что моторика глаза работает как следящая система позиционного контроля и что ее единственной функцией является оптимизация условий восприятия текущей визуальной информации. Быстродействие и конкретная кинематическая форма переходного процесса в глазодвигательной системе зависят от параметров сигнала на ее входе и величины зрительной обратной связи.

3. Получены решающие доказательства в пользу существования единого зрительного механизма, пространственно-временная динамика которого и задает сигнал на входе глазодвигательной системы. Выделены базовые формы такого рода динамики и соответствующие им паттерны глазодвигательной активности.

4. Установлены различия в динамике процессов общей активации внимания и процессов ориентировки зрительного пространственного внимания, которые по-разному влияют на эффективность перцептивной деятельности.

5. Получены и исследованы новые феномены нарушения константности локализации и положения объектов в процессе движений глаз и сформулированы принципы новой теории стабильности видимого мира.

6. Впервые в натурных экспериментах, условия которых включали действие гравитоинерционных сил, зарегистрированы торзионные движения глаз и выявлен их вклад в восприятие субъективной вертикали.

7. Получены новые данные, опровергающие гипотезу о конвергенции как источнике информации об удаленности предметов.

8. Проведена работа по уточнению и частичной переформулировке ряда понятий и терминов, используемых для описания зрительной деятельности человека.

Практическая значимость: В диссертации представлены рекомендации для более эффективного использования метода регистрации движений глаз для анализа хода психических процессов при выполнении различных практических задач. Сформулированы требования к оптимизации условий предъявления динамической текстовой информации на экране монитора для повышения качества и скорости чтения у слабовидящих, у детей, страдающих дизлексией, а также у операторов ЭВМ. Результаты и выводы работы имеют важное значение для построения информационных систем отображения пространственной информации, систем искусственного зрения, оптикопротезирования и создания систем зрительного управления внешними устройствами.

Конкретные примеры практического внедрения результатов диссертационной работы:

· Сформулированы рекомендации по оптимизации деятельности операторов, управляющих сложными движущимися объектами, операторов, работающих в условиях гравитоинерционных воздействий, авиадиспетчеров.

· Сделан расчет эффективности восприятия наружной рекламы и разных условиях наблюдения, на основе которого созданы действующие образцы рекламных носителей.

· Создана компьютерная обучающая программа "Учебник по психологии эффективного чтения с тренажером"

Апробация и внедрение результатов исследования

Промежуточные результаты работы докладывались на российских и международных конференциях: на Всесоюзном съезде психологов (Москва, 1977), на Всемирных конгрессах психологов (XXII --ГДР, Берлин, 1980 и XXVI -- Канада, Монреаль, 1996), VIII Закавказской конференции по психологии (Ереван), на Всероссийской конференции по чтению (Москва, 1992), на 5 международной научно-практической конференции по психологии и педагогике чтения. (Москва, 1995), на Всероссийской конференции по инженерной психологии (Ленинград, 1984), на ХХI Гагаринских чтений по авиации и космонавтике (Москва, 1991), на Всесоюзной научно-практической конференции «Психолого-педагогические проблемы обучения технике чтения, смысловому восприятию и пониманию текста» (Москва, 1989), на конференции «Автоматизированные системы реального времени для эргономических исследований» (Тарту, 1988), на конференции «Вопросы психологии межличностного познания» (Краснодар, 1985), на Европейских конференциях по зрительному восприятию (Израиль,1989; Великобритания, 1990; Вильнюс, 1991), на Международной конференции по взаимодействию человека и компьютера Запад-Восток (Санкт-Петербург, 1994), на 5-м международном конгрессе по психофизиологии (Венгрия, Будапешт, 1990), на конференциях Европейского общества когнитивной психологии (Дания, Копенгаген, 1993; Италия, Рим, 1995; Германия, Вюрцбург, 1996; Израиль, Иерусалим, 1998) на 9 Европейской конференции по движениям глаз (Германия, Ульм, 1997), на семинаре «Суперкомпьютеры в исследованиях мозга: от томографии к нервным сетям» (Германия, Юлих, 1994), международном семинаре «Нейрокомпьютеры и внимание» (Пущино, 1989), на 6 Международном симпозиуме «Управление движениями» (Болгария, Албена, на 3-ем Советско-финском симпозиуме по психофизиологии (Москва, 1988), на конференции «Компьютеры в психологии» (Вашингтон, США, 1993), на ежегодной конференции Психономического общества (Вашингтон, США, 1993), на конференции «Психофизика сегодня» (Москва, 2006), на всероссийской конференции «Тенденции развития современной психологической науки» (Москва, 2007), на итоговых научных сессиях и заседаниях ученого совета ИПРАН, методологических семинарах и заседаниях лаборатории системных исследований психики ИПРАН.

Результаты работы включены в справочное руководство по психологии «Современная психология» (М.: Инфра-М, 1999), учебник для вузов «Психология ХХI века» (М.: ПЕР СЭ, 2003), в программу учебного курса «Экспериментальная психология» и спецкурса «Восприятие событий», прочитанных на факультете психологии МГУ им. М.В.Ломоносова.

Исследования, вошедшие в диссертацию, были поддержаны грантами следующих организаций: DAAD, РФФИ, РГНФ, РОСНИИС, Культурная инициатива, фонд СОРОСА, NSF.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 84 работы общим объемом более 90 авторских листов. В их числе 2 монографии, 1 методическое руководство и 13 статей, опубликованных в научных журналах, рекомендованных ВАК, 28 статей в других журналах и книгах, 40 тезисов докладов.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объем работы -- 404 страниц, в ней 96 рисунков и 14 таблиц. Список цитированной литературы содержит 650 источников, 497 из них на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении раскрывается актуальность и новизна работы, подчеркивается противоречивость тех объяснительных принципов, которые лежат в основе современных представлений о макродинамике перцептивного акта. Формулируется гипотеза и цели исследования, ставятся конкретные экспериментальные задачи, перечисляются научная и практическая значимость работы, перечислены положения, выдвигаемые на защиту. Приводятся данные об апробации результатов исследования.

Глава 1. Зрительное восприятие пространства и моторика глаз. Проблема активного зрения

Констатируется, что, несмотря на более чем вековую историю вопроса, огромный эмпирический материал, серьезные достижения в создании регистрирующей и анализирующей аппаратуры, сохраняет актуальность тот круг вопросов, который был поставлен еще классиками сенсорной физиологии: Г. Гельмгольцом, Г. Герингом, И.М. Сеченовым, Ч. Шеррингтоном, а также психологами -- В. Джемсом, В. Вундтом, Н.Н. Ланге и другими. Прежде всего, это вопрос о связи механизмов собственно зрительной переработки информации с моторной составляющей этого процесса, с движением глаз. Анализ различных теорий, приписывающих моторике либо пассивную (установка, рефлекс), либо активную (чувственная канва образа, перцептивное действие), либо тестирующую (дезадаптация, источник проективных трансформаций) роль в процессе зрительного восприятия, показал наличие разрыва в объяснении структуры целостного перцептивного акта, перцептивного события, простирающегося за пределы одной фиксации или одного двигательного акта. Исследователи, изучающие глазодвигательную систему как таковую, концентрируются на переходном процессе этой системы в ответ на сигнал рассогласования, поданный на ее вход, и просто подразумевают существование неких зрительных механизмов, отвечающих выбор цели, определяющий этот сигнал. С другой стороны, исследователи, использующие паттерн глазодвигательной активности для реконструкции познавательных процессов, участвующих в решении тех или иных зрительных задач, рассматривают каждую межсаккадическую паузу как этап съема информации с того места пространства, куда направлена центральная зрительная ось глаза, а в качестве детерминант поворотов глаз рассматривают факторы, связанные со стимуляцией (структура, интенсивность, новизна, выделенность из фона), типом задачи, интенцией и т.п., не конкретизируя, каким образом сформировался сигнал для поворота глаз именно на этот, а не на другой объект в поле зрения.

Проведенный анализ показал, что в литературе описан целый ряд устойчивых представлений и терминов, относящих к функционированию макродинамики перцептивного процесса, т.е. процесса, простирающегося за пределы единичного глазодвигательного акта, которые нуждаются в уточнении, переформулировке или даже в кардинальном пересмотре.

Традиционный ретиноцентрический подход пытается решить эту проблему за счет удвоения зрительных пространственных механизмов -- центрального и периферического, функционирующих одновременно и независимо друг от друга.



Рис.1. Временная и пространственная диаграммы зрительной и моторной динамики, иллюстрирующие традиционное представление об активности восприятия

Однако очевидная и многократно подтвержденная целенаправленность траектории движений глаз указывает на необходимость содержательной взаимосвязи и пространственно-временного перекрытии этих двух направлений зрительной активности.

Противоречивость традиционного представления о пространственной динамике зрительного восприятия можно продемонстрировать на примере существующих классификаций движений глаз. С этой целью используются критерии 2 типов. С одной стороны, это формально-динамические параметры движений глаз:

n Амплитуда (макро- и микродвижения)

n Кинематический тип (саккады, плавные движения, дрейф, нистагм, тремор)

n Направление (горизонтальные, вертикальные, торзионные)

n Степень сопряженности моторики двух глаз (верзионные и вергентные)

С другой стороны, это психологические критерии:

n Степень осознанности (произвольные и непроизвольные)

n Функциональная значимость для зрения (дезадаптирующие, компенсационные, установочные, фиксационные, сканирующие, поисковые, следящие, обводящие т.п.).

При этом попытки сопоставить формально-динамические параметры движений глаз с элементарными актами восприятия, выделив таким образом моторные единицы анализа содержательной перцептивной деятельности, не выглядят достаточно убедительными. Так, часто считают, что все саккады осуществляются как отдельные произвольные акты. При этом оговариваются, что некоторые малоамплитудные саккады, включенные в акт поддержания устойчивой фиксации, относятся к разряду непроизвольных. Более того, и достаточно большие саккады, корректирующие точную первую саккаду из фиксационного поворота, также считают непроизвольными. Непроизвольными считают и высокоамплитудные саккады, включенные в процесс слежения за движущимся объектом, и саккады в структуре оптокинетического и патологического нистагма.

Другими примерами недостаточной обоснованности и противоречивости традиционной точки зрения на соотношение пространственной динамики локуса зрительной переработки (внимания, взора) и динамики движений глаз (соответственно, фовеальной оси сетчатки) являются такие представления как баллистический характер саккадических движений глаз, рефрактерный период глазодвигательной системы в интервале между саккадами, точное соответствие между зрительным углом до цели и углом саккадического поворота глаза на эту цель. Все эти представления подвергаются критике в свете современных данных, полученных с использованием новых экспериментальных парадигм, таких как метод пульсовых и двойных пульсовых стимулов и методов изменения зрительной обратной связи.

На основании проведенного анализа ставится цель исследования, формулируется его основная гипотеза и задачи (См. соответствующие параграфы из раздела Введение).

Во второй главе излагаются методические подходы, процедуры и результаты экспериментальных исследований, посвященных выяснению закономерностей функционирования глазодвигательной системы и ее роли в управление взором человека.

Глава 2. Сенсомоторные и перцептивные механизмы управления взором

В серии экспериментов, изложенных в параграфе 2.1, проверяли принципиальное положение постулата «фовеального взора», согласно которому направление взора всегда совпадает с направлением главной зрительной оси, восстановленной из фовеа. Формализованное описание допущений, вытекающих из постулата «фовеального взора, содержится в дискретной модели Янга и Старка (1962, 1963, 1968), которая исходит из того, что амплитуда каждой саккады точно соответствует величине визуального угла до цели, а зрительный вход ГДС имеет рефрактерный период порядка 200 мс после окончания саккады. Единицей анализа служил фиксационный поворот, т.е. переход взора с одного объекта на другой, находящийся от первого на некотором расстоянии.

Разработанный для этих целей (совместно с Н.Ю.Вергилесом) новый метод оптической трансформации величины зрительной обратной связи обладает рядом преимуществ перед другими существующими методами (внешние оптические системы, оптические рычаги, электронное правление положение стимула на экране дисплея сигналом от перемещения глаза) и позволяет разворачивать отдельный фиксационный поворот глаз во времени и пространстве. При использовании этого метода ГДС начинала работать с систематической ошибкой -- либо с «перерегулированием» (при K_обр > -1), или с «недорегулированием» (при K_обр < -1).

Эксперименты по регистрация движений глаз при ступенчатом возвратно-поступательном смещении световой точки в темноте позволили получить данные 1) о расширенном (относительно прогноза дискретной модели) диапазоне устойчивости ГДС; 2) о наличии адаптационных процессов в ГДС; 3) о появлении в фиксационном повороте на стационарные стимулы как саккадических, так и плавных движений глаз, выполняющих одну и ту же функцию; 4) о зависимости частоты, при которой происходит срыв прослеживания периодического прямоугольного сигнала, от величины K_обр. Взятые вместе, эти результаты убедительно свидетельствуют против представления о дискретном принципе управления ГДС и в пользу утверждения о непрерывности поступления сигнала зрительной обратной связи на вход ГДС, причем время «чистой» задержки на прохождение информации по внутреннему контуру ГДС, по-видимому, не превышает 40 мс, что позволяет этому сигналу включиться в реализацию даже самых быстрых саккадических движений глаз.

Фиксационный поворот глаза, который в наших экспериментах мог состоять из нескольких окуломоторных актов, характеризует переход ГДС из неустойчивого состояния в устойчивое. В то же время переход ГДС из устойчивого состояния в неустойчивое не является собственно параметром ГДС (ее латентностью), а относится скорее к тем процессам и механизмам, которые опосредуют работу ГДС и ответственны за выбор объекта регулирования.

В случае единственного светового объекта в полной темноте, при неожиданном появлении объекта или при движении объекта по периферии поля зрения автоматически срабатывает биологически закрепленная реакция зрительной фиксации, что и влечет за собой соответствующий ответ ГДС. В то же время фундаментальный факт состоит в том, что в условиях рассматривания сложного, структурированного изображения глаз не застревает в оптическом или структурном центре изображения и не «приклеивается» к тому или иному объекту, а свободно перемещается по изображению, последовательно останавливаясь на наиболее информативных его участках, определяемых задачей (Ярбус, 1959).

В связи с этим значительный интерес представляет ситуация, когда наблюдатель, ГДС которого работает в режиме измененной по величине зрительной обратной связи, должен решать перцептивные задачи в условиях естественного, а не обедненного зрительного окружения.

Результаты проведенных по этой схеме экспериментов показали, что сама по себе оптическая структура существенно не влияет на характер фиксационных поворотов, но при этом работа ГДС по точному наведению фовеальной области сетчатки на объект фиксации, являющаяся ее основной биологической функцией, находится под контролем функциональной системы более высокого порядка, а именно, зрительно-гностической системы, определяющей динамику смены объектов фиксации в соответствии с требованиями задачи и ходом ее решения. Ведущая роль перцептивного процесса по отношению к фиксационному повороту глаз проявляется, прежде всего, во влиянии операциональных и пространственных характеристик продуктивного акта восприятия на точность и продолжительность фиксационного поворота, а также в том, что завершение акта восприятия приводит к окончанию данного поворота безотносительно к тому, куда направлена в данный момент фовеальная область сетчатки.

Гипотезу о том, что активная, опосредующая роль зрительного восприятия по отношению к ГДС проявляется в выделении, удержании и смене объекта регулирования проверяли в серии экспериментов, описанных в параграфе 2.2. Изучались кинематические и пространственные характеристики движений глаз в ответ на произвольное управление зоной внимания (взора) при рассматривании одиночных и множественных амбивалентных изображений, стабилизированных относительно сетчатки глаза (K_обр = 0). Чтобы исследовать степень произвольности селективного внимания и соответствующих движений глаз от структуры оптической стимуляции использовали как «равновесные» (в позиционно-энергетическом смысле), так и неравновесные стимульные структуры. Стабилизация изображений достигалась методом последовательных образов.

Результаты показывают, что возможности пространственной настройки зоны внимания не ограничены позицией глаз в тот или иной данный момент времени и лишь частично ограничены структурой оптической стимуляции. Зона внимания может избирательно «накладываться на любой из локальных объектов, либо на целую группу объектов, и ГДС в автоматическом режиме обрабатывает сигнал, соответствующий сетчаточным координатам центра зоны внимания. Фиксируемый объект может занимать в зоне внимания как центральное, так и асимметричное положение, причем степень этой асимметрии меняется в широких пределах. Изменение пространственной позиции зоны внимания происходит плавно, хотя скорость перемещения центра зоны внимания может варьировать в широком диапазоне. Таким образом, подтверждается гипотеза, что динамика зоны внимания (взора) совпадает по своим пространственным и временным характеристикам с динамикой зоны съема содержательной визуальной информации и задает целевой стимул для глазодвигательной системы, который та отслеживает в системе координат сетчатки.

Дополнительные экспериментальные аргументы против традиционной точки зрения на природу взора и механизмы его управления изложены в параграфе 2.3. Постулат «фовеального взора» предполагает, что в естественных условиях саккада всегда осуществляется по типу баллистического движения. В проведенных нами опытах испытуемых просили следить за световой точкой на экране монитора, которая совершала плавные колебания по горизонтали с амплитудой 15є и постоянной скоростью 3є/с. В случайно выбираемые моменты времени точка совершала скачок по вертикали на заданный угол (1є, 3є, 5 є или 10є). Основным результатом этого эксперимента следует считать отсутствие единообразия в дирекциональных и кинематических компонентах переходного процесса ГДС. Другими словами, стандартный внешний стимул вызывал нестандартный переходный процесс в ГДС, включающий как быстрые, так и медленные компоненты, которые в целом обеспечивали приемлемый уровень выполнения поставленной задачи. Особенно впечатляет большой процент криволинейных саккад, меняющих свое направление без предварительной остановки через 20-30 мс после начала движения. Мы рассматриваем эти результаты как подтверждение идеи целостности ГДС, управляемой по единому принципу, использующей один (позиционный) тип входного сигнала. Конкретный амплитудно-кинематический выход системы зависит от динамики этого сигнала и внутренних параметров работы ГДС, тогда как выбор самого объекта регулирования опосредуется механизмами более высокого уровня.

Идею о «зонной» природе взора подтверждают результаты экспериментов, в которых испытуемые должны были прослеживать взором стимульные конфигурации, состоящие из разнесенных в пространстве 2 точек или линии. Оказалось, что хотя в фовеа и не попадало никакой оптической стимуляции, горизонтальные движения глаз плавно отслеживали перемещение целостной стимульной структуры. Аналогичным образом выполняется задача следить за плавными горизонтальными колебаниями вертикальной линии. При выполнении задачи статической фиксации 2 небольших светящихся точек, предъявленных в полной темноте и разнесенных по вертикали на расстоянии от 1° до 10°, среднее положение зрительной оси глаза соответствовало середине отрезка между двумя точками, но она могла отклоняться от этого положения на значительное расстояние, тем большее, чем дальше были разнесены между собой точки. Максимальный размах отклонений от середины составил: при расстоянии между точками 1° -- ±0.5°; 3° -- ±1.1°; 5°-- ±2.2°; 10° -- ±3.9°. При этом, несмотря на значительные колебания зрительной оси, испытуемые переживали статическую фиксацию взора.

Полученные в этих экспериментах записи движений глаз показывают, что зона взора может занимать асимметричную позицию по отношению к стимульной конфигурации и абсолютная величина этой субъективно не замечаемой асимметрии возрастает с размером зоны взора. На основании этого можно предположить, что существует диапазон субъективной нечувствительности к позиционной динамике взора, прямо пропорциональный размеру этой зоны.

Еще один пример относится к задаче фиксации «пустого» пространства между двумя неподвижными точками. В эксперименте, где мы изучали роль глобальных и локальных зрительных признаков при произвольном управлении взором, испытуемые выполняли задачу фракционирования отрезка, обозначенного двумя светодиодами (СД), расположенными вдоль горизонтального меридиана. После фиксации на левом СД предъявляли цифровой указатель (1/4; 1/2 или 3/4), определявший точку внутри пустого интервала между СД. Регистрировали место остановки глаза после первой саккады на «дробную» цель. Наивысшая точность первичных саккад была зарегистрирована при визуальном делении пустого интервала на две равные части, т.е. при фиксации центра отрезка. При делении отрезка на неравные части, точка приземления глаза после первой саккады имела тенденцию отклоняться от заданной позиции в направлении ближайшей световой точки. Эта тенденция была выражена примерно в два раза сильнее для позиции 3/4 по сравнению с 1/4. Величины ошибок по амплитуде, а также дисперсии этих ошибок увеличивались с увеличением величины отрезка (5° или 10°) и способа организации проб в блоке предъявлений (постоянные или смешанные фракции). Результаты подтверждают предположение, что процесс зрительной обработки пространственной информации, участвующий в генерации саккад, интегрирует глобальную и локальную информацию для опережающего определения позиции фокуса внимания на пространственной шкале. При этом смещение взора в направлении оптического «центра тяжести» фигуры точнее определяет параметры управляющего сигнала для саккады, по сравнению с «асимметричным» взором, неосознаваемая позиционного ошибка которого связана с доминированием локальных визуальных стимулов.

Подытоживая результаты экспериментов, описанных в главе 2, следует отметить, что в ней намечены контуры нового подхода к пониманию человеческого взора, трактующего его как активный механизм, обеспечивающий избирательную настройку зрительной системы на те или иные объекты окружающего пространства. В этом смысле взор нельзя считать только афферентным или только эфферентным механизмом. Задача состоит в том, чтобы описать взор как функциональный орган, связывающий человека с внешним миром (по А.А. Ухтомскому; см. Зинченко, 1995). Эта связь не фиксирована в направлении зрительной оси -- любое окулоцентрическое направление или «пучок» этих направлений может сформировать эгоцентр, пространственный локус которого переживается как направление взора.

Третья глава посвящена изучению моторных компонентов, участвующих в перемещении взора по глубине и в сохранении ориентации взора относительно гравитационной вертикали.

Глава 3. Управление взором по глубине и ориентации

В параграфе 3.1 описано экспериментальное исследование, в задачу которого входила оценка вклада вергентных движений глаз в переживание смещения взора по глубине. Имеются простые геометрические аргументы в пользу того, чтобы считать, что угол конвергенции (вершина угла, образованного пересечением зрительных осей двух глаз) отражает абсолютную удаленность объекта от наблюдателя (Graham, 1965). Идею о том, что конвергенция может быть использована наблюдателем для определения абсолютной удаленности наблюдателя от объекта, впервые высказал еще Дж. Беркли (Berkeley, 1709), но только через 150 лет В. Вундту (Wundt, 1862) удалось проверить ее в знаменитом эксперименте с нитью. С тех пор было проведено огромное количество экспериментов, направленных на прояснение роли конвергенции в восприятии удаленности (смотри обзор в работе: Collewijn, Erkelens, 1990). Все они опирались на сходную методологию, пытаясь изолировать конвергенцию как источник информации об удаленности, но полученные здесь результаты были на редкость противоречивы.

Решающий вывод о роли конвергенции в изменении кажущейся удаленности может быть сделан только путем прямой регистрации вергентных движений глаз. Удобнее всего ответить на этот вопрос, используя в качестве тест-объекта заключенную в рамку решетку с вертикальными полосами, равно удаленными друг от друга, при том что точка фиксации находится по центру и дальше от наблюдателя, чем физическая решетка. В этой ситуации испытуемые видят пустую рамку и увеличенные в размере полосы, которые находятся за плоскостью рамки, дальше от наблюдателя (феномен обоев; см. Леонтьев, 1974; Логвиненко, Сокольская, 1975). Цель нашего эксперимента как раз и состояла в том, чтобы зарегистрировать бинокулярные движения глаз в условиях наблюдения иллюзии обоев, когда перед испытуемым ставилась задача сместить точку фиксации с плоскости, где локализовались кажущиеся полосы. Полученные записи вергентных движений глаз показывают, что испытуемый были в состоянии без вреда для качества иллюзии в течение нескольких (до 10) секунд удерживать фиксацию вне плоскости кажущейся решетки на дистанции, соответствующей углу конвергенции более чем 2°. Более того, при выполнении задачи, предписывающей произвольное перемещение взора между плоскостью кажущейся решетки и плоскостью фиксационной точки, разделенных по глубине на 1160 мм (угол конвергенции 1.66°), испытуемый своем субъективном отчете указывал, что мог без труда удерживать фиксацию в течение продолжительного периода времени без нарушения иллюзии. Записи угла конвергенции полностью подтверждают это наблюдение.

Полученные данные относительно диапазона инвариантных изменений точки бификсации, при которых не происходит разрушения феномена обоев, не может объяснить ни теория конвергенции, ни теория диспаратности (Ittelson, 1960). Таким образом, было показано, что конвергенция сама по себе не содержит исчерпывающей информации для кодирования перцептивной удаленности, а зона Панума, характеризующая размерность взора по глубине, может достигать нескольких градусов (до 10°) относительной диспаратности.

В параграфе 3.2 описан цикл экспериментов, посвященных оценке роли торзионных (ротационных) движений глаз в восприятии субъективной вертикали, или, другими словами, в ориентации взора относительно вектора гравитации. Основная функция торзионных движений глаз (ТДГ) связана с компенсацией поворота вертикального меридиана сетчатки, вызванного наклоном головы в сторону от направления прямо-вверх. Есть данные (полученные преимущественно в условиях статического изменения позы), что ориентационная компенсация наклонов головы за счет ТДГ не бывает полной и составляет около 10-20%. Примерно так реагируют ТДГ на изменение направления вектора гравитации (Miller, 1962) и пассивные наклоны тела (Collewijn et al., 1985; Schmid-Priscoveanu et al., 2000). В последние годы стали появляться исследования, где делается попытка измерить динамические параметры системы управления ТДГ при активных наклонах головы (Левашов, Дмитриева, 1981; Belopolsky, 1989a; Diamond, 1979; Ferman et al., 1987; Petrov, Zenkin, 1973; Vieville, Masse, 1987). В этих условиях коэффициент усиления системы ТДГ, измеряемый как отношение между углом наклона головы и величиной противовращения глаза, имеет более высокое значение и зависит при этом от целого ряда переменных: частоты и скорости наклона головы, условий наблюдения (на свету или в темноте) и др. Кроме того, ТДГ сопровождают сканирующие движения глаз (Ferman, Collewijn, Van der Berg, 1987a; 1987b), а также реагируют на оптокинетическую стимуляцию и наклон визуальной системы отсчета (Howard,1982). Таким образом, ТДГ являются неотъемлемой частью системы управления взором, обеспечивающей константное восприятие ориентации окружающего пространства.

Цель проведенного исследования состояла в изучении работы моторной системы ориентации человека относительно гравитационной вертикали в условиях квазипериодических гравитоинерционных воздействий. Особый акцент был сделан на исследовании характеристик торзионных движений глаз (ТДГ) при активных и пассивных наклонах головы и туловища, а также на оценку относительного вклада зрительной обратной связи по ориентации и способов разрешения конфликта между вестибулярной и зрительной информацией. Эксперименты проводились в лабораторных условиях и на плавучем стенде, обеспечивающем условия боковой качки.

Была разработана (Белопольский, Вергилес, 1990) фотоэлектрическая методика регистрации ТДГ, которая позволяет с большой точностью измерять текущее положение вертикального меридиана сетчатки вне зависимости от положения глаза в орбите и положения головы и туловища в пространстве.

Высокая чувствительность примененного метода позволила впервые зарегистрировать фиксационный торзионный нистагм при неподвижной голове. Кроме того, были подтверждены и частично уточнены литературные данные о кинематических характеристики противовращательных ТДГ при активных наклонах головы. Коэффициент усиления и фазовое запаздывание ТДГ показали зависимость от частоты наклонов головы. В естественных условиях наблюдения, т.е. при наличии зрительной обратной связи, изменение этой частоты с 0.3 до 1.1 Гц вело к увеличению коэффициента усиления и уменьшению величины фазового запаздывания ТДГ, вплоть до небольшого (5°-10°) фазового упреждения на максимальных частотах (ср. Tweed et al., 1994; Vieville, Masse, 1987). Однако в том случае, когда зрительная обратная связь отсутствовала, значимого увеличения коэффициента усиления ТДГ с возрастанием частоты наклонов головы установлено не было.

Принципиальные результаты были получены в условиях, когда испытуемые подвергались квазипериодическим гравитоинерционным воздействиям. Было установлено, что в условиях боковой качки с частотой 0.5-0.7 Гц и амплитудой до 10°-15° ТДГ компенсируют прежде всего наклоны головы относительно лонгитюдной оси туловища, а не суммарный вектор отклонения головы от гравитационной вертикали. Это справедливо как для активных наклонов головы, так и для условий, когда наклоны головы возникали как результат непроизвольной коррекции крена туловища. Даже когда такая коррекция была почти полной, т.е. голова оставалась относительно неподвижной в координатах внешнего пространства, ТДГ были направлены против наклонов головы в эгоцентрических координатах и коэффициент усиления достигал значений 0.5-0.8 у разных испытуемых. Напротив, когда голова оставалась неподвижной в эгоцентрических координатах за счет напряжения шейных мышц и пассивно раскачивалась вместе со всем телом, противовращательные ТДГ практически отсутствовали. То же имело место и при задаче рассматривания изображения на экране монитора в условиях качки. Этот факт идет вразрез с данными Х. Крейчова с соавт. (Krejиovб et al., 1971), показавшими равную эффективность наклонов всего тела и одной головы для инициации противовращательных ТДГ, однако наши условия имели одно существенное отличие -- визуальные ориентиры наклонялись вместе с туловищем. Аналогичным образом, в наших лабораторных экспериментах частичная стабилизация визуальных ориентиров при наклонах головы приводила к снижению коэффициента усиления ТДГ.

...