Методика изучения сравнительных

УДК 612.82:621.84
Е.Ю. Шульга, Э.А. Золкина
Донецкий государственный институт искусственного интеллекта
2Ш
Методика изучения сравнительных характеристик
переработки зрительной информации в связи с
асимметрией мозга человека
В статье представлена методика изучения переработки зрительной информации в связи с
асимметрией мозга человека при унилатеральном предъявлении вербальных зрительных стимулов
группе испытуемых. Приводятся пробные результаты эксперимента. Делаются выводы о
дальнейшем применении данной методики для исследования проявлений межполушарной
асимметрии в зависимости от ряда условий, способных повлиять на зрительные процессы
опознания (яркость стимула, длительность предъявления, наличие и цвет маскировки).
Актуальность
Проблема межполушарной асимметрии стала в последние годы
одной из актуальных и интенсивно разрабатываемых. Асимметрия
функций больших полушарий мозга человека общепризнана, однако
конкретные принципы, обуславливающие неравноценность полушарий,
продолжают интенсивно обсуждаться [1-4].
Функциональная асимметрия полушарий мозга является одной из
важнейших психофизиологических закономерностей в деятельности
головного мозга человека. Исследования последних двух десятилетий
продемонстрировали различия специализации полушарий в зависимости от
вербальных/невербальных характеристик предъявляемых стимулов, их
эмоциональности, а также от способов переработки информации. В нормальных условиях неповрежденный мозг работает как единое целое,
полушария взаимосвязаны и взаимодополняют друг друга. Связь между
правым и левым полушариями осуществляется пучками нервных волокон,
которые образуют комиссуры. Из них наиболее массивной является
мозолистое тело – это основная комиссура. При нормальной работе мозга по
этим коммуникациям легко передается информация. Поэтому можно
говорить лишь об относительной независимости полушарий, о доминировании одного из них в условиях интеграции их функций. Сочетание
полушарной асимметрии и межполушарной интерференции создает текущую мозаичную картину проявления мозговой деятельности. И если в
отношении речи, языковых функций и геометрического восприятия мира
отмечается выраженная латерализация, то все другие картины мира «смешаны» уже в отношении внешних сигналов: чаще всего мозгу преподносится комбинированная информация, направляемая в оба полушария.
102
«Искусственный интеллект» 1’2001
Методика изучения сравнительных характеристик переработки зрительной
информации…
Обоснование темы исследования
На сегодняшний день мы располагаем данными, которые позволяют
частично ответить на вопрос, поставленный И.П. Павловым: «Что значит эта
парность? Как понимать, как представлять себе одновременную деятельность
больших полушарий? Что рассчитано в ней на замещаемость и что, какие
выгоды и излишки дает постоянная деятельность больших полушарий?»
Известно, что переработка информации является одним из
фундаментальных свойств живого организма. Практически всю значимую
информацию человек получает через зрительный канал. В связи с этим
анализ процесса переработки зрительной информации головным мозгом
человека имеет первостепенное значение среди проблем, изучаемых в
физиологии сенсорных систем.
Несмотря на многочисленные исследования, выполненные в данном
направлении, многие вопросы, связанные с переработкой зрительной
информации, остаются недостаточно изученными. В первую очередь это
касается особенностей работы левого и правого полушарий головного
мозга человека. В частности, представляют интерес такой аспект проблемы,
как сравнительная характеристика работоспособности головного мозга в
зависимости от типа зрительной информации, скорости переработки
информации при наличии помех [5].
Значительное доминирование одного из полушарий проявляется резче
при напряжении в работе мозга – психическом утомлении, процессе адаптации. Таким образом, функциональная асимметрия полушарий выступает
в виде гибкого и динамичного механизма, благодаря которому возможна
передача информации из одного полушария в другое. В связи с этим
изучение физиологической значимости механизмов межполушарного
взаимодействия в процессе анализа предъявляемых сигналов становится
все более значимым для понимания принципов обработки информации на
уровне целого мозга [6]. Данные, которые будут нами получены, могут
использоваться при решении практических задач, таких, как оптимизация
операторской деятельности человека, проблема научения, для диагностики
и прогнозирования состояния человека и животных в различных условиях.
Нельзя также недооценить значение этих данных для развития кибернетики, бионики, нейролингвистики, робототехники и др.
Цель исследований
Одним из направлений исследований в физиологии сенсорных систем
является выявление различий при обработке зрительной информации
разного типа в связи с асимметрией мозга [1,2,4]. При исследовании
зрительной асимметрии представляет интерес процесс маскировки
изображения вспышкой [5], т.к. при хороших условиях видения буквы
«Штучний інтелект» 1’2001
103
2Ш
Шульга Е.Ю., Золкина Э.А.
2Ш
лучше распознаются в ППЗ (правое поле зрения). Предполагается, что,
применяя последующую маскировку вспышкой параллельно с вербальным
стимулом, возможно изменить направление асимметрии. В связи с этим
авторами была разработана методика для изучения данного вопроса.
Целью данной статьи является представление и апробация методики по
изучению скорости переработки зрительной информации при разных
условиях, а также получение предварительных результатов по одному из
направлений исследования (маскировка вербального изображения
вспышкой). Общее направление исследования, в котором в будущем будет
использована данная методика – предъявление вербальных и невербальных
зрительных стимулов в условиях:
 отсутствия и наличия помех;
 различных цветов фона;
 различных цветов зрительных стимулов.
В связи с обозначенными аспектами проблемы были поставлены
следующие задачи исследования:
1. Проведение серии экспериментов по изучению влияния маскировки на
процесс опознания зрительных вербальных стимулов с использованием
предложенной методики.
2. Получение предварительных результатов и их анализ.
Методика
Традиционно при изучении подобного рода проблем наибольшей
эффективностью обладает экспериментальный метод. Как правило, при
постановке такого рода задач применяется один из наиболее широко
известных методов – тахистоскопический [1,2], основанный на естественном разделении зрительных путей (перекрест зрительного нерва в хиазме).
Предъявление зрительного стимула слева или справа от точки
фиксации в течение короткого времени как раз и предоставляет
возможность латеризовать [7] входы или предъявлять стимулы только
одному полушарию [8-11]. Для осуществления поставленной задачи
исследования был создан программный продукт, реализующий ход и
условия эксперимента. Алгоритм проведения эксперимента представлен
блок-схемой.
Описание установки
В качестве экспериментальной установки служил монитор ПК
«Pentium-120», на экран которого подавались зрительные стимулы в
произвольном порядке слева и справа от точки фиксации, расположенной в
104
«Искусственный интеллект» 1’2001
Методика изучения сравнительных характеристик переработки зрительной
информации…
центре экрана. Испытуемый располагался на расстоянии 50 см от экрана
монитора. Стимулы на экран подавались на расстоянии 70 мм от точки
фиксации взгляда глаз.
ЛПЗ
Лп
Пп
ППЗ
70мм
2Ш
50см
1
2
Рис. 1. Схема установки
3
где 1- голова испытуемого
2- экран монитора ПК
3- точка фиксации
Лп и Пп –левое и правое полушария
-открытый глаз
- закрытый глаз
Испытуемый
Устройство предъявления
визуальной информации
Эталон
Сбор и обработка
ответов испытуемого
Блок
сравнения
Блок оценки
местоположения символов
Блок управления параметрами
предъявляемой информации
Блок оценки
эффективности
Рис. 2. Блок-схема проведения эксперимента
«Штучний інтелект» 1’2001
105
Шульга Е.Ю., Золкина Э.А.
Ход эксперимента
2Ш
Зрительные стимулы предъявляли монокулярно правому, а потом
левому глазу. Другой глаз в это время прикрывался черной
светонепроницаемой повязкой.
Эксперимент состоял из 2 этапов (для левого и правого глаза по очереди):
1-й этап: распознавание стимулов при хороших условиях видения.
2-й этап: распознавание стимулов при наличии маскирующей помехи.
Помехой
служила
вспышка,
имитирующая
вспышку
от
фотографического аппарата. Исследование проведено на 4 испытуемых
обоего пола с нормальным зрением, в возрасте от 20 до 25 лет, трое из
которых обладают правым ведущим глазом и один – левым ведущим
глазом. Использовали вербальные стимулы (буквы русского алфавита) для
предъявления их на экране на расстоянии 70 мм от точки фиксации взгляда,
в случайном порядке, с экспозицией 0.1 сек. Раздражение осуществляли
унилатерально [2,9] слева и справа от точки фиксации, на расстоянии 8° с
нарастанием яркости стимула от1 до 30 у.е.
Расстояние от глаз испытуемого до экрана составляло 50 см.
Предъявлению стимулов предшествовало затемнение экрана в течение 1
мин., требовавшее от испытуемого фиксации взора на центральной точке
экрана. Испытуемый должен был опознать предъявляемую букву при
минимальной яркости ее экспозиции и сразу же нажать клавишу «мышки»
и назвать ее вслух. Интервалы между стимулами составляли 3 сек. При
обработке результатов для каждого испытуемого подсчитывали число
правильных ответов и время реакции, а также определяли распределение
числа правильных ответов мужчин относительно женщин. Рассматривали
процент правильных реакций, в зависимости от экспозиции предъявления
стимулов.
Результаты исследования
Результаты эксперимента представлены в таблицах 1, 2, 3, 4. В
отсутствие помехи все испытуемые с правым ведущим глазом опознавали
вербальные стимулы на высоком уровне (до 80 % правильных реакций),
причем мужчины (Ф.Е.И. и А.А.И., рис.2) делали это точнее, чем женщины
(Ш.Е.Ю. и З.Э.А., рис.1).
Из таблицы 2 видно, что со вспышкой (при наличии помехи) у женщин
(З.Э.А.) менялось направлении асимметрии: увеличилось число правильных
ответов в ЛПЗ для правого и левого глаз, произошло увеличение среднего
времени ясного различения для левого глаза на 0.14 сек.
Таким образом, результаты нашего эксперимента подтвердили работы
авторов [3,4].
106
«Искусственный интеллект» 1’2001
Методика изучения сравнительных характеристик переработки зрительной
информации…
5
4
3
2
Ш.Е.Ю
1
З.Э.А
0
Ф.Е.И
л2
лпз
л2
ппз
л3
лпз
л3
ппз
п2
лпз
п2
ппз
п3
лпз
п3
ппз
2Ш
А.А.И
Рис.3. Распределение числа правильных ответов женщин (Ш.Е.Ю., З.Э.А)
относительно мужчин (Ф.Е.И.), (А.А.И.)
Предъявление стимулов:
л – левый глаз открыт, п – правый глаз открыт;
2 – без вспышки, 3 – со впышкой;
лпз – левое поле зрения, ппз – правое поле зрения;
л 2 лпз – левый глаз открыт, без вспышки, в левом поле зрения.
Для испытуемой Ш.Е.Ю. (ведущий левый глаз, табл. 1) характерно
изменение направления асимметрии без вспышки как по числу правильных
ответов (для обоих глаз), так и по времени правильного опознания для
левого глаза. При наличии помехи число правильных ответов, как и время
правильного опознания, сохраняется в ЛПЗ, таким образом сохраняя
направление асимметрии.
Отметим также меньшее время реакции у женщин при опознавании
каждым из полушарий вербальных стимулов, чем у мужчин.
Наибольшее число правильных ответов испытуемых наблюдалось при
экспозиции стимула в интервалах от 1.0 до 2.3 сек. (рис.3) предположительно из-за того, что при образовании временной связи между
вербальным зрительным стимулом и вербальным ответом существенно
меняются межполушарные функциональные отношения. И согласно
концепции о взаимодополняющем «сотрудничестве» двух полушарий более
быстрая обработка информации левым полушарием функционально
оправдана. Таким образом, изначальное предположение о том, что
направление межполушарной асимметрии изменится при использовании
маскирующей вспышки, подтвердилось для всех испытуемых с правым
ведущим глазом.
«Штучний інтелект» 1’2001
107
Шульга Е.Ю., Золкина Э.А.
Таблица 1
Распознавание вербальных стимулов
Испытуемая Ш.Е.Ю. Пол жен. лев. глаз ведущий
Определяемые величины
1
2
3
2Ш
Число правильных ответов
Среднее время ясного
различения
Среднее время
правильного опознания
Левый глаз
Без вспышки
ЛПЗ
ППЗ
2
1
1.86
2.22
сек
сек
1.65
2.8 сек
сек
Правый глаз
Со вспышкой
ЛПЗ
ППЗ
1
0
1.46
1.40
сек
сек
0.9
_
сек
Без вспышки
ЛПЗ
ППЗ
2
2
1.58
1.50
сек
сек
1.5
1.05
сек
сек
Со вспышкой
ЛПЗ
ППЗ
4
1
1.42
1.74
сек
сек
1.00
1.2
сек
сек
Таблица 2
Распознавание вербальных стимулов
Испытуемая З.Э.А. Пол жен. Прав. глаз ведущий
Определяемые величины
1 Число правильных ответов
2 Cреднее время ясного
различения
3 Среднее время правильного
опознания
Левый глаз
Без вспышки
ЛПЗ
ППЗ
2
4
1.62
1.46
сек
сек
1.45
1.28
сек
сек
Правый глаз
Со вспышкой
ЛПЗ
ППЗ
4
3
1.28
1.42
сек
сек
1.28.
1.1
сек
сек
Без вспышки
ЛПЗ
ППЗ
2
4
1.54
1.42
сек
сек
1.1
1.42
сек
сек
Со вспышкой
ЛПЗ
ППЗ
4
3
1.26
1.22
сек
сек
1.25
1.3
сек
сек
Таблица 3
Распознавание вербальных стимулов
Испытуемый Ф.Е.И. Пол муж. Прав. глаз ведущий
Определяемые величины
1 Число правильных ответов
2 Среднее время ясного
различения
3 Среднее время правильного
опознания
Левый глаз
Без вспышки
Со вспышкой
ЛПЗ
ППЗ
ЛПЗ
ППЗ
0
3
2
3
2,78
2,52
1,72 1,46
сек
сек
сек
сек
0
2,23
1,90
1,47
сек
сек
сек
сек
Правый глаз
Без вспышки
Со вспышкой
ЛПЗ
ППЗ
ЛПЗ
ППЗ
2
4
2
4
1,58
1,34
1,58
1,50
сек
сек
сек
сек
1,60
1,25
1,55
1,48
сек
сек
сек
сек
Таблица 4
Распознавание вербальных стимулов
Испытуемый А.А.И. Пол муж. Прав. глаз ведущий
Определяемые величины
1
2
3
Число правильных ответов
Среднее время ясного
различения
Среднее время
правильного опознания
108
Левый глаз
Без вспышки
ЛПЗ
ППЗ
1
3
1,58
2,50
Со вспышкой
ЛПЗ
ППЗ
2
3
1,62
1,40
Правый глаз
Без вспышки
Со вспышкой
ЛПЗ
ППЗ
ЛПЗ
ППЗ
2
3
3
2
1,38
1,34
1,56
1,54
1.47
сек
1,20
сек
1,3
сек
1,23
сек
1,27
сек
1,5
сек
1,35
сек
1,28
сек
«Искусственный интеллект» 1’2001
Методика изучения сравнительных характеристик переработки зрительной
информации…
Обсуждение результатов
Результаты исследования подтвердили эффективность предложенной
методики исследования по изучению сравнительных характеристик переработки
зрительной информации в различных условиях.
4
Ш.Е.Ю
3
З.Э.А
2
Ф.Е.И
1
А.А.И
2Ш
0
л2 л2 л3 л3 п2 п2 п3 п3
лпз ппз лпз ппз лпз ппз лпз ппз
Рис.4. Сравнение числа правильных ответов испытуемых
Полученные результаты также дают возможность проследить зависимость
успешности решения визуальной задачи от следующих параметров:
- специфики зрительного стимула (степень его вербализации);
- продолжительности экспозиции стимула (длительность вспышки) и
межстимульного интервала;
- характера выполнявшейся задачи;
- пола испытуемого.
Проанализировав результаты эксперимента по маскировке зрительных
вербальных стимулов вспышкой, мы пришли к выводу, что значение степени
вербализации стимулов отчетливо выявилось в поставленной нами задаче
унилатерального опознания. При хороших условиях видения буквы лучше всего
идентифицировались левым полушарием, что соответствует литературным
данным [4,5,6]. Выявили, что пороговое время предъявления единичного
вербального стимула (буквы), необходимое для его узнавания, короче, когда
буква предъявлена левому полушарию (рис. 3, 4). Но если по окончании
предъявления буквы дается маскирующая вспышка света, ограничивающая время
переработки зрительной информации и восприятия, то обнаруживается
преимущество правого полушария.
Таким образом, правое полушарие оказывается ведущим при применении
маскирующей помехи (табл. 2, 3). Дополнительная световая невербальная помеха
существенно изменяла опознание стимулов и направление межполушарной
асимметрии. Согласно литературным данным [5, 6, 7], если маскировка является
неструктурированным зрительным стимулом (вспышка света), предполагается,
что она интерферирует тестовый сигнал, главным образом, на относительно
периферических звеньях зрительного анализатора, в которых осуществляется
извлечение сенсорных или физических характеристик тестового стимула. Она
обрывает, главным образом, передачу высоких частот, делает их недоступными
для дальнейшего анализа, и это, почти всегда, приводит к преимуществу правого
полушария (т.е. к смене направления асимметрии).
«Штучний інтелект» 1’2001
109
Шульга Е.Ю., Золкина Э.А.
При опознавании зрительных стимулов выявили различия. Мужчины
преобладали по числу правильных ответов, а женщины – по минимальной
яркости и пороговому времени предъявления тестового стимула (рис.2).
Таким образом, наши данные показывают, что функциональная
асимметрия больших полушарий головного мозга человека – явление в
значительной
мере
динамичное,
а
рассматривая
проявление
межполушарной асимметрии в зависимости от ряда условий, влияющих на
зрительные процессы (яркость стимула, длительность предъявления,
наличие маскировки), можно выявить, как будет меняться ее характер.
2Ш
Выводы
1. В связи с тем, что предложенная авторами методика показала свою
эффективность, представляет интерес дальнейшее изучение вопроса о
межполушарной асимметрии с ее использованием.
2. Полученные результаты позволяют предположить, что функциональная
межполушарная асимметрия будет меняться как от характера зрительных
стимулов (например, невербальных), так и от поставленной задачи, которая
может включать в себя сочетание вербальных характеристик стимула и его
цветовые варианты.
Литература
1.
Брагина Н.Н., Доброхотова Т.А. Функциональные асимметрии человека. – М.: Медицина,
1981.
2. Деглин В.Л. Лекции о функциональной асимметрии мозга человека. – К.: Ассоциация
психиатров Украины, 1996.
3. Ильюченко Р.Ю. и др. Взаимодействие полушарий мозга у человека. – М.: Наука, 1989.
4. Леушина Л.И. и др. Различия способов обработки зрительной информации в правом и левом
полушариях // Психология. – 1981. – №2.
5. Леушина Л.И., Невская А.А., Павловская М.Б. Сравнительное исследование закономерностей
зрительного опознания в правом и левом полушариях // Сенсорные системы: сенсорные
процессы и асимметрия полушарий. – Л.: Наука, 1985. – С. 21.
6. Черній В.І., Городник Г.А., Шевченко А.І. Головний мозок при термінальному стані. – Д.:
ДонДІШІ, 2000. – 220 с.
7. Удалова Г.П., Кашина И.А. Функциональная межполушарная асимметрия при опознании
зрительных стимулов разных классов // Физиология человека. – 1984. – №10. – С. 578-587.
8. Невская А.А., Леушина Л.И. Асимметрия полушарий и опознание зрительных образов. – Л.:
Наука, 1990.
9. Цветовский С.Б Специализация полушарий при опознании зрительной информации //
Физиология человека. – 1994. – №2. – Т. 20. – С. 23-29.
10. David H. Hubel. Eye, Brain and Vision. М.: Мир, 1990.
11. Симерницкая Э.Г. Доминантность полушарий. – М.: МГУ, 1987.
Материал поступил в редакцию 07.11.00.
110
«Искусственный интеллект» 1’2001