Глаз и мозг. Психология зрительного восприятия

Рис. 4, 16. Когда эти случайные структуры предъявляются правому и левому глазу, они смешиваются мозгом и воспринимаются как случайный фон с лежащими на нем квадратами. Эти структуры созданы с помощью вычислительной машины, причем, чтобы выделить квадраты из фона, необходима кросс-корреляция. Джулез, предложивший такой эксперимент, использовал этот технический прием для исследования способности мозга воспринимать глубину.

Этот тонкий эксперимент показывает, что мозговые механизмы, обеспечивающие стереоскопическое восприятие глубины, могут интегрировать наборы линий, воспринимаемые каждым глазом отдельно, синтезировать объекты из двух случайных структур и эффективно находить диспаратность. Эта методика, предложенная Джулезом, видимо, будет иметь большое значение для исследования зрительного восприятия. Она является первым примером использования электронных вычислительных машин в исследовании зрительной системы.

5. Мозг

Мозг гораздо сложнее, чём любая звезда, и еще более таинствен. Если бы мы смогли мысленно проникнуть в механизмы мозга, связанные с работой зрительной системы, мы открыли бы тайны, столь же важные, как и тайны внешнего мира, раскрытые глазом и мозгом.

Не всегда было очевидным, что мозг связан с мышлением, памятью или ощущением. В древнем мире — включая великие цивилизации Египта или Месопотамии — мозг считался несущественным органом. Мышление и эмоции рассматривались как функции желудка, печени и желчного пузыря. Отзвуки этого еще сохранились в современном языке в таких словах, как «флегматик». Когда египтяне бальзамировали умерших, они не заботились о том, чтобы сохранить мозг (его извлекали через левую ноздрю), в то время как другие органы сохранялись отдельно в специальных сосудах, которые помещались в саркофаг. После смерти мозг обычно обескровлен, и, по-видимому, он казался мало пригодным для того, чтобы быть вместилищем жизненного духа. Субстратом жизни, теплоты и чувства считалось активно пульсирующее сердце, а не холодное немое вещество мозга, заключенное в костный футляр.

Существенная роль мозга в контроле над движениями конечностей, речью и мышлением, ощущением и переживанием стала выясняться постепенно благодаря наблюдению над последствиями повреждений мозга. Позже начали тщательно изучать последствия небольших локальных поражений мозга — опухолей и огнестрельных ранений. Результаты этих исследований чрезвычайно важны для нейрохирургов, ибо если в одних областях мозга можно оперировать относительно свободно, то другие надо щадить, иначе пациент умрет или у него возникнут необратимые дефекты.

Мозг можно определить как «единственный материальный субстрат, который мы знаем изнутри». С внешней стороны это розово-серый предмет, размеры которого приблизительно равны двум сложенным кулакам. Основные части мозга показаны на рис. 5, 1. Мозг состоит из так называемого белого и серого вещества, причем белое вещество создают волокна, связывающие тела клеток, а серое образуют эти клетки.

Рис. 5, 1. Мозг. Показана зрительная область — area striata, — находящаяся сзади (в затылочной коре). Стимуляция небольшого участка этой области вызывает ощущение вспышки света в соответствующих частях зрительного поля. Стимуляция окружающих участков зрительной коры (в зрительной ассоциативной области) приводит к более сложным зрительным ощущениям.

B процессе эволюции мозг развился из центральных отделов, которые у человека связаны прежде всего с эмоциями. Поверхность мозга — или кора — вся в своеобразных извилинах. Функция коры состоит, главным образом, в контроле над движениями конечностей и работой сенсорных органов. Можно получить карты, отражающие значение отдельных областей коры мозга для тактильных ощущений; такая схема уродливого человечка — гомункулуса — дана на рис. 5, 2. Зрительные ощущения представлены в особом отделе коры мозга, о котором будет идти речь дальше.

Рис. 5, 2. «Гомункулус» — рисунок, показывающий, какова площадь коры, связанная с анализом ощущений, поступающих от различных областей тела. Обратите внимание, какой огромный большой палец руки. У различных животных различные «гомункулусы», соответствующие сенсорному значению различных частей тела.

Нервные клетки мозга состоят из тел; каждое из них имеет длинный тонкий отросток — аксон, проводящий импульсы, возникающие в клетке. Аксоны могут быть очень длинными, распространяясь иногда от головного мозга До спинного. Тела нервных клеток имеют также большое число более тонких и коротких волокон — дендритов, которые проводят сигналы к клетке (рис. 5, 3). Клетки с их сетью дендритов и аксонами кажутся иногда расположенными хаотично, но в некоторых областях мозга, особенно в зрительной, они образуют отчетливо организованные ряды.

Рис. 5, 3. Нервная клетка. Тело клетки имеет длинный аксон, изолированный от окружающих тканей миэлиновой оболочкой и обычно посылающий управляющие сигналы к мускулам. Тело клетки получает информацию от многих тонких отростков-дендритов, одни из которых возбуждают, а другие тормозят клетку. Эта система аналогична простому элементу вычислительной машины. Взаимодействие элементов обеспечивает управление активностью организма и обработку информации, поступающей при восприятии.

Нервные сигналы представляют собой электрические импульсы, которые возникают при изменении ионной проводимости клеточной мембраны (рис. 5, 4).

Рис. 5, 4. Механизм проведения электрического импульса в нерве. Ходкин, Хаксли и Катц обнаружили, что ионы натрия проходят внутрь нервного волокна, меняя отрицательный заряд на положительный. Ионы калия выходят наружу, восстанавливая потенциал покоя. Этот процесс может протекать со скоростью тысяча раз в секунду при передаче спайковых потенциалов, бегущих по нерву в виде сигналов, с помощью которых мы познаем мир и управляем мышцами.

В покое центр нервного волокна заряжен отрицательно по отношению к его поверхности, однако, когда это соотношение нарушается, как, например, при стимуляции светочувствительных рецепторов сетчатки светом, центр волокна становится положительным, что и приводит к возникновению электрического тока, который распространяется по нерву в виде волны. Скорость его распространения значительно меньше, чем скорость электрического тока в проводах: в крупных волокнах электрическая волна распространяется со скоростью 100 м/сек, в наиболее мелких — менее 1 м/сек. Крупные быстропроводящие волокна имеют специальную жировую оболочку — миэлиновую оболочку, которая ограничивает каждое волокно от соседнего и повышает скорость проведения электрических потенциалов.

Нейроны соединяются с помощью синапсов, которые являются узловыми пунктами, где происходят химические процессы, являющиеся своего рода пусковыми механизмами. Большая часть, а может быть, и все нейроны имеют как возбуждающие, так и тормозящие синапсы, которые действуют как переключатели.

Существует много изощренных технических приемов для исследования нервной системы. Можно регистрировать электрическую активность отдельных клеток или групп клеток; можно посредством электрической стимуляции получать не только двигательные ответы, но и ощущения, как, например, у больных при мозговых операциях. Изучая изменения в поведении, возникающие в результате поражения отдельных участков мозга, можно определить, в чем именно состоит патология данной области. Можно изучать действие лекарств или результаты непосредственного воздействия на поверхность мозга различных химических веществ; эта область исследования становится особенно важной, поскольку она дает возможность установить, имеют ли новые препараты нежелательные побочные психические эффекты, а также найти новые методы преднамеренного изменения состояния мозга.

Преимущество этих методов перед методом разрушения отдельных областей мозга заключается в том, что здесь мы имеем возможность получать обратимые изменения и изучать степень и качество таких воздействий.

С помощью этих методик, а также исследований морфологических связей различных областей мозга было установлено, что различные зоны мозга связаны с совершенно различными функциями. Однако, когда дело доходит до раскрытия процессов, происходящих в каждой из этих зон, даже самые тонкие приемы оказываются довольно грубыми.

Может показаться, что самый прямой путь к изучению мозга — это исследование его структуры, стимуляция и регистрация полученных результатов. Но, как и в электронных устройствах, вовсе не так просто вывести способ работы мозга из анализа его строения; при отсутствии общего представления о том, как работает мозг, трудно интерпретировать результаты раздражения и удаления отдельных его частей. Для того чтобы оценить результаты раздражения или разрушения отдельных областей мозга, необходимо провести соответствующие эксперименты по изучению поведения. Результаты регистрации активности отдельных клеток мозга также особенно интересны, если они связаны с анализом поведения или отчетом испытуемого. Это значит, что для исследования функций мозга очень важны данные психологии животных и человека, так как они необходимы для установления связи между деятельностью мозга и поведением, а это требует специально продуманных психологических экспериментов.

Мозг, конечно, — чрезвычайно сложная совокупность нервных клеток, но в некотором отношении он похож на электронные устройства, и поэтому общие технические соображения могут быть весьма полезны при его изучении. Как и вычислительные машины, мозг получает информацию и принимает решение в соответствии с этой информацией, однако он не имеет полного сходства о современными вычислительными машинами, сконструированными инженерами, хотя бы потому, что в противном случае мы могли бы получить массу относительно дешевых мозгов, которые можно было бы легко изготовлять апробированным методом.

Легче заставить машину решать математические или логические задачи или научить ее переводить с одного языка на другой, чем научить ее видеть. Проблема создания машин, которые могли бы различать структуры, была решена различными способами, но только для относительно небольшого числа структур; что же касается машин, которые приближались бы к возможностям человеческого восприятия по объему и скорости, то здесь мы далеки еще от сколько-нибудь удовлетворительного решения проблемы. Отчасти поэтому детальное исследование человеческого восприятия является важной задачей. Анализ возможностей человеческого восприятия может подсказать приемы, с помощью которых можно моделировать это восприятие на машинах. Это было бы полезно с многих точек зрения, начиная с чтения документов или книг и кончая изучением космоса роботами.

Одна из трудностей в понимании функций мозга заключается в том, что он более всего похож на бесформенную массу. При исследовании механических систем обычно можно сделать правильное заключение о функции этой системы, изучая строение отдельных ее частей; то же самое можно сказать и относительно исследования функций отдельных органов тела. Кости конечностей похожи на рычаги. Места прикрепления мышц ясно указывают на их функции.

Механические и оптические системы имеют части, формы которых тесно связаны с их функциями, что и дает возможность сделать заключение или хотя бы предположение о функциях тех или иных частей на основании анализа их строения. Кеплер, анализируя форму хрусталика, сделал вывод о том, что по существу он — линза. Шейнеру нетрудно было обнаружить образ на сетчатке, потому что он знал, куда смотреть. Однако, к сожалению, мозг в этом отношении создает гораздо более трудную проблему, хотя бы только потому, что физическое расположение его частей и их формы почти несущественны с точки зрения их функций. Если функции не отражаются в структуре, мы не можем сделать заключения о назначении той или иной части мозга, просто глядя на нее. Мы должны обратиться к более тонким методам.

Регистрация электрической активности мозга физиологами исключительно важна, но, к сожалению, подобным методом очень трудно получить детальную информацию об изолированной активности одновременно более чем нескольких нервных клеток. Это составляет техническую проблему огромной сложности.

Общие принципы конструкции мозга могут быть заимствованы из техники. Если какая-либо из возможных технических конструкций имеет определенные ограничения и эксперименты над животными или человеком обнаруживают у них сходные ограничения, тогда подобные опыты будут служить подтверждением гипотез, первоначально взятых из области техники. В частности, исследования восприятия могут стать важным средством раскрытия общих принципов функционирования мозга и проверки предложенных моделей. Мозг воспринимает мир с помощью глаз; изучая работу зрительной системы посредством соответствующих экспериментов, мы можем понять работу мозга как функциональной системы с ограничениями физического и конструктивного порядка.

ЗРИТЕЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ МОЗГА

Нервная система, ответственная за зрение, начинается с сетчатки. Сетчатка, как мы уже видели, является в сущности, вынесенным вовне кусочком мозга, содержащим как типичные мозговые клетки, так и специализированные светочувствительные детекторы. Сетчатка делится по вертикали на две части; от наружных отделов сетчатки волокна идут к той же стороне затылочной области мозга в то время как волокна от внутренней, назальной стороны сетчатки перекрещиваются сразу позади глаз — в chiasma opticum (зрительный перекрест) — и направляются к затылочной области противоположного полушария (рис. 5, 5).

Рис. 5, 5. Зрительные пути мозга. В области хиазмы зрительный нерв раздваивается; правая половина сетчатки обоих глаз представлена в зрительной коре правого полушария, левая половина — в зрительной коре левого полушария. Наружные коленчатые тела представляют собой промежуточные между глазами и зрительной корой станции, где происходит переключение импульсов.

Эта зрительная область, находящаяся в задних отделах мозговой коры, известна под названием area striata, потому что эта часть коры имеет ярко выраженное слоистое строение (см. рис. 5, 6).

Рис. 5, 6. Цитоархитектоника первичной зрительной коры (area striata).

Мозг как целое подразделяется в центре на два полушария, каждое из которых представляет собой, в сущности, более или менее цельный мозг; оба полушария соединены массивным пучком волокон — corpus callosum (мозолистое тело) — и меньшей по размерам связкой — chiasma opticum. Волокна зрительного тракта от хиазмы идут в переключающие ядра каждого полушария, в область, называемую corpus geniculatus lateralis (наружное коленчатое тело).

Центральная область — area striata — известна как зрительное проекционное поле. При электрической стимуляции отдельных участков этой области человек видит вспышку света. При небольшом изменении положения стимулирующих электродов вспышка видна в другой части зрительного поля. Таким образом, имеется пространственное представительство обеих сетчаток в зрительной коре. Стимуляция отделов коры, примыкающих к зрительному проекционному полю, тоже ведет к появлению зрительных ощущений, но вместо вспышек света возникают более сложные зрительные ощущения. Иногда пациент видит ярко окрашенные шары, как бы парящие в пространстве. Стимуляция участков, расположенных еще дальше, может вызывать зрительные воспоминания и даже целые сцены, живо проходящие перед глазами.

Среди наиболее впечатляющих открытий, сделанных в последнее время, можно назвать открытия двух американских физиологов — Хьюбела и Визела, которые регистрировали электрическую активность отдельных клеток зрительной области коры мозга кошки при предъявлении ей простых зрительных фигур. Использовались светлые полосы, проецируемые с помощью проектора на экран, расположенный перед кошкой. Хьюбел и Визел обнаружили, что в некоторых клетках электрическая активность возникает, когда полоса света предъявляется кошке под определенным углом. Только при данном наклоне полосы клетка мозга отвечала возбуждением в виде длительного потока импульсов, а при изменении угла она «молчала». Разные клетки отвечают на разные утлы наклона. Клетки, расположенные в глубине мозга, отвечают на более общие характеристики раздражения, причем ответ возникает независимо от того, какая часть сетчатки стимулируется светом. Другие клетки зрительной области кошки чувствительны только к движению, причем к движению, осуществляемому в одном направлении (рис. 5, 7).

Рис. 5, 7. Хьюбел и Визел обнаружили, что отдельные клетки мозга (кошки) возбуждаются движением стимула, осуществляющимся относительно глаза лишь в определенном направлении. Стрелки обозначают различные направления движения полосы света, которые предъявлялись глазу. Регистрация электрических импульсов показывает, что определенные клетки возбуждаются только при движении глаз в одном направлении.

Рис. 5, 8. Запись электрической активности отдельных клеток зрительной коры кошки (из работы Хьюбела и Визела). Кошке предъявлялись различным образом ориентированные линии, (они изображены слева). Отдельная клетка мозга возбуждалась только при определенной ориентации линии. Это видно из записи электрических спайковых потенциалов.

Эти открытия имеют величайшее значение, так как они показывают, что в мозгу существуют анализирующие механизмы, выделяющие определенные признаки предметов.

У нас постоянно возникают мысленные картины, однако это еще не значит, что им соответствуют определенные электрические картины в самом мозге. Можно представлять вещи в символах, однако символы обычно весьма отличны от предметов, которые они замещают. Представление о существовании соответствующих картин в мозгу опасно с теоретической точки зрения. Оно может привести к мысли, что эти предполагаемые картины в свою очередь рассматриваются неким внутренним взором. Таким образом, создается бесконечная цепь картин и рассматривающих их взоров.

Во всяком случае, вряд ли можно предположить, что звуки, запахи или цвета представлены в мозгу в виде соответствующих картин или образов — они должны быть закодированы в какой-то другой форме. Есть все основания думать, что сетчаточные структуры возбужденных элементов представлены в мозгу в виде закодированных комбинаций клеточной активности. Хьюбел и Визел, а также другие электрофизиологи начинают сейчас расшифровывать эти коды.

B основную задачу этой книги не входит анализ электрической или какой-либо другой активности мозга. Книга посвящена явлениям восприятия и экспериментальным исследованиям, целью которых является изучение различных аспектов восприятия. В конечном счете эти исследования сомкнутся с физиологическими работами, и, когда это произойдет, мы придем к более глубокому пониманию работы глаза и мозга.

6. Восприятие яркости

Известно, что существует примитивное скотоводческое племя, в языке которого нет слова «зеленый», однако есть шесть слов для обозначения разных оттенков красного. Люди этого племени, занимающиеся различными ремеслами, вкладывают в каждое из них специфическое значение. Прежде чем перейти к рассмотрению проблемы восприятия яркости и цвета, мы остановимся на минуту, чтобы уточнить некоторые понятия, подобно тому как плотник не приступит к работе, пока не отточит свои инструменты.

Мы говорим об интенсивности света, раздражающего глаз; это качество светового раздражителя дает ощущение яркости. Интенсивность — это физическая энергия света, которая может быть измерена с помощью различного рода фотометров, включая хорошо известный фотографам экспонометр. Яркость — это субъективное ощущение интенсивности света. Мы уверены, что знаем, что имеет в в виду человек, говоря: «Какой яркий день!» Он имеет в виду не только то, что он может фотографировать на малочувствительную пленку, но также и то, что он испытывает слепящее ощущение. Это ощущение — только грубое отражение интенсивности света, доходящего до глаза.

Когда мы говорим о восприятии цвета, мы, собственно, говорим не столько о цветах, сколько об оттенках. Это делается попросту для того, чтобы избежать трудности, так как в самом деле под «цветами» мы имеем в виду те ощущения, которые могут быть обозначены словом «красный» или «синий». Таким образом, специалисты говорят скорее о «спектральных оттенках», чем о «спектральных цветах», однако в этом не всегда есть необходимость. Гораздо важнее различие между интенсивностью ж яркостью.

Другое важное различие, которое следует делать, это различие между цветом как ощущением и цветом как длиной волны (или группой длин волн), доходящей до глаза. Строго говоря, свет сам по себе не окрашен: он вызывает ощущение яркости и цвета, однако только при наличии соответствующего глаза и нервной системы. Язык специалистов смешивает эти понятия: мы говорим иногда об «окрашенном свете», например, о «желтом свете», хотя это неточно. Правильнее было бы говорить о свете, который обычно вызывает ощущение, обозначаемое большинством людей как «желтое».

Не пытаясь объяснить, каким образом физические качества — интенсивность и длина волны света — вызывают различные ощущения (в конечном счете мы еще не знаем, как ответить на этот вопрос), мы должны отчетливо представить себе, что без соответствующей нервной системы не было бы яркости и цвета. Пока не возникла жизнь, все было безмолвно, хотя горы рушились.

Наиболее простым из зрительных ощущений является ощущение яркости. Нельзя описать это ощущение. Слепой человек ничего не знает о нем, но для остальных людей мир создается через яркость и цвет. Противоположное ощущение темноты такое же сильное — мы говорим о «плотной стене темноты, которая давит на нас», однако для слепого это ощущение просто не существует. Ощущение, возникающее при отсутствии света, и есть ощущение темноты, слепой же полностью лишен зрительных ощущений. Мы ближе всего подошли бы к описанию мира слепых, у которых нет ощущения яркости и темноты, представив себе то, что находится позади нашей головы. Мы не ощущаем темноты позади нас, мы не ощущаем ничего, а это совсем другое.

Яркость не просто ощущение интенсивности света, раздражающего сетчатку. Ощущение яркости, возникающее при данной интенсивности, зависит от степени адаптации глаза, а также от целого ряда различных сложных условий, определяющих явление контраста объектов пли пятен света. Иными словами, яркость — это функция не только интенсивности света, попадающего на определенный участок сетчатки в данный момент, но также функция интенсивности света, который возбуждал сетчатку в недавнее время, как и функция интенсивности света, падающего на другие участки сетчатки.

Рис. 6, 1. Явление одновременного контраста. Та часть серого круга, которая находится на черном фоне, кажется несколько светлее, чем другая, расположенная на белом фоне. Этот эффект усиливается, если на границе белого и черного фона на круг положить тонкую нить.

АДАПТАЦИЯ К СВЕТУ И ТЕМНОТЕ

Если глаз находится некоторое время в темноте, он становится более чувствительным, и данное освещение начинает казаться более ярким. Эта так называемая темновая адаптация возникает в течение первых нескольких минут пребывания в темноте. Палочковые и колбочковые рецепторные клетки адаптируются с различной быстротой: адаптация колбочек завершается в пределах семи минут, в то время как адаптация палочек продолжается в течение часа или больше. Это можно видеть на рис. 6, 2, который показывает, что существуют две адаптационные кривые: одна — для палочек, другая — для колбочек. Можно сказать, что в глазу имеются две переплетающиеся друг с другом сетчатки.

Рис. 6, 2. Увеличение чувствительности глаза в темноте, известное под названием темновая адаптация. Заштрихованная кривая показывает ход адаптации колбочек, черная — ход адаптации палочек; последняя протекает медленнее, но приводит к большей чувствительности глаза. При тусклом освещении функционируют только палочки, в то время как при ярком свете, когда активны колбочки, они, вероятно, затормаживаются.

Механизмы темновой адаптации становятся более понятными благодаря остроумным и технически блестящим экспериментам английского физиолога Раштона. В течение многих лет предполагалось, что адаптация является результатом регенерации зрительного пигмента глаза, который «обесцвечивается» при воздействии света; это «обесцвечивание» каким-то неизвестным пока еще образом вызывает стимуляцию фоторецепторов, после чего электрический сигнал передается в зрительный нерв. Фотохимический родопсин был извлечен из глаза лягушки, и его плотность при воздействии света была измерена во время «обесцвечивания» и при регенерации. Эти данные были сопоставлены с кривыми темновой адаптации человеческого глаза, которые приведены на рис. 6, 2. И действительно, они почти совпадают друг с другом, что указывает на существование тесной связи между фотохимией родопсина и изменяющейся чувствительностью палочкового аппарата глаз. По-видимому, яркость ощущения должна быть связана с количеством фотохимического родопсина, «обесцвечиваемого» под воздействием света. Смысл работы Раштона состоит в том, что он произвел измерение плотности фотохимического родопсина непосредственно в живом глазе во время темновой адаптации или во время воздействия какого-либо окрашенного света, который он применял в опыте. В сущности, методика этого опыта заключается в том, что глазу предъявляется короткая вспышка света и с помощью высокочувствительного фотоэлемента измеряется количество света, отраженного от глаза. Сначала казалось невозможным сделать это с человеческим глазом, так мала масса отраженного света в связи с почти полной абсорбцией света фотохимическими элементами ы черным пигментом, расположенным позади рецептором; поэтому экспериментатор использовал глаз кошки; задний отражающий слой сетчатки (tapetum) служил зеркалом для отражения света на фотоэлемент. Этот метод оправдал себя в эксперименте на кошачьем глазе, и Раштону затем удалось так его усовершенствовать, что он стал достаточно чувствительным, чтобы улавливать и измерять очень слабый свет, отражаемый от человеческого глаза. Он нашел, что по мере адаптации происходит «обесцвечивание» фотохимического вещества, причем отношение между энергией света и массой обесцвечиваемого фотохимического вещества выражается логарифмической зависимостью. Таким образом, он открыл механизм действия светочувствительного пигмента.

КОНТРАСТ