Психофизиологические аспекты восприятия и моделирование иерархического процесса обработки сенсорных стимулов

Проект, в котором я принимаю участие, направлен на развитие принципов и экспериментальных методов исследования когнитивных функций человека и механизмов их реализации. Главная конкретная задача проекта заключается в разработке инструментальных методов количественного исследования системы «слух – мозг – фонетика звуков речи». Проект актуален с точки зрения решения прагматических задач, связанных с необходимостью использовать количественные сведения о когнитивных характеристиках человека при проектировании современных человеко-компьютерных систем, а также при профессиональном отборе и клинической диагностике и реабилитации когнитивных функций человека.

В статье[22],посвященной изучению лингвистической системы отдельного индивидуума, содержится утверждение: «Человек… производит сборку слова «здесь и сейчас», из чего следует, что внутренними (т.е. хранящимися в мозге) являются не слова, морфемы или что-то им подобное, но средства продуцирования таких форм». Человек обладает двумя инструментами предъявления этих языковых форм – письмом и акустической речью. Представляется естественным, что оба эти инструмента наследуют свойство лингвистической системы быть не хранилищем коллекции каллиграфических символов и фонетических единиц, а инструментом их продуцирования. Акустическая речь представляет собой цепь последовательных фонетических актов, обеспеченных соответствующей артикуляцией. С физиологической точки зрения эти акты являются одновременно и мышечными моторными актами. В этом смысле генерация звуков речи тождественна локомоции. Однако о локомоциях, включая удержание позы, начиная с известных работ Гурфинкеля с соавторами (например,[23]), достоверно известно, что они являются исполняемой программой не только в случае произвольных (осмысленных), но и непроизвольных (автоматических) движений. Эта программа использует хранящуюся в центральной нервной системе внутреннюю модель тела и интерпретатор афферентных (центростремительных) потоков данных, поступающих от систем экстра- и интерорецепторов, сигнализирующих о текущем физическом состоянии внешней и внутренней среды, соответственно. Сопоставление исполняемой программой текущего положения тела с желаемым приводит к генерации эфферентных потоков и последующим мышечным моторным актам. При этом если модель тела не соответствует реальности или если потоки эфферентных данных интерпретируются неадекватно, то и двигательный акт становится неадекватным. Например, известно, что при поражении органа слуха и вестибулярного аппарата после скарлатины движения руки, похожие на замах при метании камня, могут приводить к падению. Также известно, что при компенсациях проявлений остеохондроза, человек воспринимает как эквитонометрическое искривленное положение своего тела. Известны и другие двигательные иллюзии, в частности, связанные с действием невесомости.
Представляется естественным полагать, что производство фонетических актов происходит примерно по такой же схеме, как и реализация локомоций, но главный афферентный поток данных поступает не от мышечного, вестибулярного и зрительного анализаторов, а от слухового анализатора. Таким образом, деятельность слухоречевого аппарата можно интерпретировать как деятельность акусто-моторной динамической системы (систем). Такая точка зрения весьма распространена (см., например,[24]).

Таким образом, в предлагаемом подходе достигаются две возможности: во-первых по-новому исследуется механизм функционирования слухоречевой системы, во-вторых, поскольку слухоречевая система является одним из «интерфейсов» мозга, то создается новый инструмент для его исследования. В значительной степени уверенность авторов в продуктивности предложенного подхода связана с результатами выполненных проектов. В частности, удалось создать объективные методы исследования восприятия чувственных стимулов, основанные на инструментальном контроле ошибок моторной системы человека при управлении им виртуальными зрительными и звуковыми объектами – стимулами. Далее, на основе выполненных измерений, для некоторых систем, например для системы распознавания пространственной ориентации отрезков прямой, были идентифицированы параметры динамической нейросетевой системы, осуществляющей это распознавание[25].Аналогичным образом, по наблюдаемым данным об отклонениях в фонетике, что в определенной степени изоморфно отклонениям в моторике, можно рассчитывать на идентификацию параметров динамической системы «слух – мозг – артикуляционный аппарат». Обладая параметрами нейроподобных систем, представляется возможным построить симулятор психофизического образа звукового воздействия. Формализованное рассмотрение механизмов такого симулятора требует соответствующего инструментария. Модельное описание должно учитывать все элементы архитектуры «мыслящих» когнитивных систем, чтобы уметь воспроизводить (хотя бы качественно) особенности протекающих процессов. Попробуем использовать в рассмотрении возможных механизмов неадекватной реакции комплекс моделей, используемых при конструировании распознающих систем [26-30].Цель данного подхода состоит в рассмотрении наиболее очевидных механизмов, базирующихся на использовании такого набора функциональных операций, который используется для технических систем распознавания. Очень важно, однако, пытаться сформулировать и альтернативные варианты модельных интерпретаций, чтобы в процедуре верификации модельных подходов с экспериментальными данными существовал выбор. Рассмотрение проводится в рамках предположения, что люди представляют собой детерминированные устройства, и все необходимые функциональные операции выполняются с помощью различного вида иерархически взаимосвязанных систем, или модулей распознавания. Модули такого типа ориентированы на выполнение операций преобразования и сопоставления внешних и внутренних сенсорных данных, позволяющих настроить и обучить систему так, чтобы уметь эффективно распознавать его в дальнейшем (рис.1) С их помощью можно формализовать описание различных режимов осознанного, бессознательного, интуитивного восприятия сигналов, предложить механизмы восприятия времени, и ряд других процессов, нечётко определённых в биофизике, медицине, лингвистике, философии и т.д.[31-34].

Рис.1. Базовый модуль распознавания сенсорного стимула

Возможность совместного функционирования подсистемы кодирования и дополнительной подсистемы «внутренней имитации» ожидаемого входного сенсорного сигнала (опережающего отражения действительности) и рекурсивные процессы позволяют обеспечить выбор наиболее подходящей фильтрующей маски на входное изображение, а также подобрать наиболее точный алгоритм кодирования «информационного объекта». Фильтрующие маски позволяют убрать из входного изображения мешающие «шумовые» фрагменты. Наиболее точно работающий механизм кодирования выбирается в результате циклического динамического режима кодирования-восстановления, ориентированного на минимизацию величины ошибки-невязки, вычисленной при сравнении ожидаемого системой сигнала с фактическим на её входе. Такой процесс настройки и повышения точности работы можно определить как элементарный процесс «осознания» образа входного информационного сигнала. Важно обратить внимание, что такая распознающая система «осознаёт» именно ту свою внутреннюю интерпретацию, которая точнее всего соответствует входному сенсорному сигналу. Такое определение процесса «осознания» позволяет снять элементы многозначности и избежать путаницы в терминологии.

Бессознательная обработка входного сигнала соответствует случаю отсутствия циклов, когда решение принимается без дополнительных проверок и используется наиболее оптимальный режим работы, который уже был найден и проверен в предыдущем опыте работы модуля. Важной интегральной характеристикой распознающего модуля является зависимость величины «мотивирующего» сигнала от величины невязки, вычисленной при сравнении ожидаемого и фактического сигнала на входе системы. Если величина полученной невязки оказывается меньше значения некоторого порога, то система принимает «бессознательное» решение. Таким образом, режимы бессознательной обработки и принятия решений опираются на позитивный предыдущий опыт функционирования распознающей системы, когда используются все необходимые данные для точного распознавания объектов.

При величинах невязки больше некоторого второго порога, который больше первого, система не воспринимает входной сигнал. Этот режим можно назвать состоянием «комы» распознающего модуля для данного вида входного сигнала. Он также относится к «бессознательному» принятию решений. Система не замечает входной сенсорный сигнал, например, для экономии ее ресурсов. Значения нижнего и верхнего порогов зависят от предыдущего опыта, целевых функций и характера взаимодействия с другими распознающими модулями в полной иерархической системе.

Таким образом, определяющий признак живой системы заключается в возможности внутренней интерпретации распознающей системой входного сигнала и использовании этой интерпретации для оптимизации текущего решения на основе прошлого опыта. При этом оптимизация текущего решения реализуется в тех динамических процессах, которые аналогичны осознанному, бессознательному или интуитивному принятию решений, оценкам времени в «эпизодической памяти», внутренней динамике выбора целевых функций, использованию когнитивных фильтров и других, свойственных живому, процессов. Для более подробного обоснования сформулированного утверждения требуются дополнительные обсуждения. Работоспособность изложенного подхода была проверена на соответствие данным некоторых психофизических экспериментов [35,36], включающих описание бессознательных реакций, осознанную настройку, уходы

в состояние «комы», разные комбинации с переключениями между такими состояниями и т. п. Подход использовался также при разработке версий симуляторов для ряда прикладных операций распознавания, воспроизводящих способности живых систем (например, [37-39]).

Можно полагать, что точка зрения, согласно восприятие существует только для обеспечения и контроля действий и моторных актов, является некорректной. Восприятие необходимо для комплексного адаптивного поведения, поскольку задаёт обучающий базис, на который в дальнейшем будет ориентироваться система, и здесь стоит вспомнить об упомянутом представлении восприятия как вида знания. Отсутствие полноты данных в сигналах, передаваемых между взаимодействующими индивидами, служит причиной возникновения феномена «когнитивной слепоты». Она реализуется на уровне бессознательных процессов отнесения сигнала информационного объекта к шумовому сигналу. Известно, что примерно 75% людей, участвовавших в экспериментах, продемонстрировали «слепоту к изменениям»[40].

Следующий шаг, на пути уточнения возможных причин «когнитивной слепоты», связан с необходимостью рассмотрения иерархической архитектуры распознающих модулей из простейших «когнитивных систем». В этом случае полное описание входных сигналов по любому выбранному сенсорному каналу должно включать частные описания для различных понятийных уровней (на каждом уровне могут работать несколько однотипных модулей, иерархически расположенных ниже). В таких моделях может реализовываться динамика, аналогичная высшим уровням поведения для живых систем. На этом уровне настройка на более точное принятие решений соответствует психологическим режимам, в которых для анализа сенсорной информации приходится оперировать с иерархическими наборами образов. Соответственно возрастает и число вариантов возможного непонимания, когда формируются различные комбинации внутренних представлений. Для более реалистичной интерпретации экспериментальных наблюдений и данных на основе модельных представлений, необходимы их дальнейшие уточнения. Они связаны с формированием следующего уровня иерархии из взаимодействующих модулей. Данные экспериментов указывают, что в живых аналогах осуществляется совместное функционирование, как минимум, четырех однотипно устроенных модулей[27]: информационного, мышечного, эмоционального и вегетативного. Взаимное влияние состояний параметров в этих модулях друг на друга позволяет формировать большое разнообразие состояний интегральной системы, которые позволяют ей оптимизировать свое поведение в соответствии с текущей ситуацией и запоминать их в блоках «эпизодической памяти». Для реалистичности описания следует также учитывать, что интегральные иерархические системы могут быть настроены на выполнение операций с образами и ассоциативным принятием решений («правополушарные» функции), с детальным описанием внутренней конструкции образов («левополушарные» функции), либо на совместную работу «лево- и правополушарных» систем. Эти особенности работы интегральных систем также влияют на режимы их взаимодействия.

В автономных устройствах необходимы распознающие модули, описывающие интегральные модельные представления о внешней ситуации и состояния самого устройства. Эти модули собирают, обрабатывают и принимают решение по набору самых необходимых показателей, которые в выбранной конкретной ситуации характеризуют интегральное состояние иерархической системы. Этот процесс контроля модулей верхних уровней над состоянием и функционированием модулей нижних уровней можно определить как понятие, которое в психологии связывают с функционированием того, что ассоциируется с «Я» — ЭГО всей автономно выделенной живой системы. В таком модуле «Я» предполагается одновременная работа распознающих систем, связанных с алгоритмами сценариев поведения [41].Как показывает анализ психофизических данных, объем потока информационных сигналов к блоку «Я», по-видимому, определяется той ситуацией, в которой работает живая система, и осознавать она может только те сигналы из поступающего в него интегрального потока, которые пропустит фильтр на входе модуля «Я». Именно поэтому в интегральной иерархической системе оптимизационные процессы анализа прошлых ошибочных решений могут восприниматься в блоке «Я» как в «осознанном», так и в «бессознательном» режимах. При этом в каждом из нижележащих модулей анализ прошлых ошибочных решений из «эпизодической» памяти происходит в «осознанном» режиме.

Эффект индуцированной шепелявости, который стабильно наблюдается в процессе звукового воздействия на испытуемого в процессе того, как он говорит, также может быть представлен как особая форма «когнитивной слепоты». С учётом того, что значительный эффект наблюдается как у экспериментаторов-людей, в значительной степени «испорченных» знанием о воздействии эффекта, не раз его испытывавшим, так и у ранее не задействованных испытуемых. По всей видимости, реакция осуществляется стабильно организованным моторным актом, при этом частоты спектра воздействия компенсируют частоты спектра речи человека в нормальных условиях, от чего у него исчезает необходимость продуцировать их самому. В таких условиях приоритетной становится задача, на которой сосредоточено внимание – произнесение текста, в то время как к условиям передачи информации по остальным сенсорным каналам человек может становиться «слеп».