Сенсорные системы

Мозг получает информацию исключительно через посредство органов чувств, и, воспринимая события окружающего мира, человек реагирует только на узкий диапазон воздействий. Органы чувств являются неким си­том, которое ограничивает поток доступной информации уже на входе. Это связано с тем, что наше представление о мире заключено в рамки, опреде­ляемые диапазоном энергии, на которую настроены рецепторы. Человек мо­жет ощущать лишь те виды энергии, которые органы чувств способны об­наружить и превратить в нервные импульсы. Этот диапазон, по-видимому, сформировался в процессе эволюции и ограничен восприятиями, без кото­рых выживание конкретного вида становится сомнительным.

Рецепторы представляют собой преобразователи, превращающие один вид энергии в другой. Каждый тип рецепторов воспринимает определенную энергию, к которой он максимально приспособлен, и затем превращает ее

120

121

Рис. 5.4. Спектр электромагнитных излучений (Carlson, 1992).

в электрическую энергию нервного импульса. Например, глаза реагируют на электромагнитное излучение в крайне узкой части его спектра — от 350 до 750 нм (нанометр — 1/10 000 000 м) (рис. 5.4). Это малая толика всего ди­апазона электромагнитных волн, но она обусловливает ощущение всего ви­димого человеком света, используемого растениями при фотосинтезе. Толь­ко у отдельных видов животных рецепторы выходят за пределы этого диа­пазона. Некоторые змеи, охотящиеся ночью, воспринимают инфракрасное

122

Рис. 5.5. Спектр солнечного света у земной поверхности имеет меньшую ширину из-за поглоще­ния в атмосфере; диапазон длин волн лежит между 320 и 11000 нм; этот диапазон эффективен для фотобиологических процессов. Спектр солнечного света, достигающий обитателей моря, имеет еще меньшую ширину из-за поглощения морской водой. Сплошная линия указывает длины волн мак­симальной интенсивности; пунктирные линии обозначают границы длин волн, в которых скон­центрировано 90% солнечной энергии на каждом уровне в атмосфере и океане. Буквы над спект­ром длин волн обозначают ультрафиолетовые (УФ), фиолетовые (Ф), синие (С), зеленые (3), жел­тые (Ж), оранжевые (О), красные (К) и инфракрасные (ИК) лучи (Хелд, Ричарде, 1972).

123

излучение своих жертв, а пчелы реагируют на ультрафиолетовые лучи, от­ражающиеся от лепестков цветов.

То, что человек и животные воспринимают именно этот тип электромаг­нитного излучения, не является случайным. При прохождении через атмос­феру земли диапазон электромагнитной энергии солнца вследствие погло­щения ее воздухом сужается и лежит между 320 и 11000 нм; именно он и ока­зывает физиологическое воздействие (рис. 5.5).

Подобные ограничения существуют и в других органах чувств. Так, опти­мальный диапазон частот воспринимаемых человеком звуковых волн опре­деляется особенностями источника звука (голосовых связок), приемника зву­ка (уха), спектром шумов (посторонними источниками звуков, маскирующих сигнал), желаемой разрешающей способностью и дальностью связи.

Для передачи большого количества информации, тесно связанного с раз­решающей способностью передающего канала, лучше подходят высокие ча­стоты. Летучая мышь, например, использует ультразвуковое излучение в ди­апазоне 20-100 кГц. В случаях, когда особая важность придается не качеству, а дальности передачи информации, более приемлемы низкие частоты, по­скольку затухание звуковых волн усиливается примерно пропорционально квадрату их частоты. Факторами, устанавливающими нижнюю границу чз -стоты воспринимаемых звуковых волн, являются звуки, возникающие при движении мышц тела человека. Заткнув уши, каждый может услышать зву­ки, издаваемые мышцами в процессе еды или произнесения слов. Эти низ­кочастотные шумы близки к пороговым значениям слуха в диапазоне низ­ких частот. Следовательно, слух человека невосприимчив ровно настолько, чтобы не слышать звуки своего тела (Бекеши, 1974).

Оптимальным для человеческого восприятия являются частоты от 200 до 4000 Гц. В этом диапазоне уши и голосовые связки человека максимально приспособлены для речевого общения, причем полоса частот достаточно широка, чтобы их модуляцию можно было использовать в качестве носите­ля информации.

Механорецепторы (реагирующие на механическое воздействие), по-види­мому, возникли в процессе эволюции одними из первых. Они позволяли примитивным морским животным сохранять ориентацию по отношению к силе тяжести, обнаруживать препятствия и ощущать вибрацию, вызванную другими животными. Приспособление к жизни на суше привело к развитию механорецепторов, чувствительных к колебаниям воздуха. Формирование специализированных органов и появление потребности в быстрых регуля-торных механизмах привело к возникновению рецепторов, чувствительных к внутренним механическим раздражениям. Механорецепторы у человека есть во всех органах, где происходят пассивные или активные движения, например, в пищеварительном тракте, легких, сердце, кровеносных сосудах, коже и скелетной мускулатуре. Эти рецепторы передают в нервную систе­му информацию сдвижении, напряжении, давлении (Левенстайн, 1974).

Наиболее примитивные органы чувств человека — обоняние и вкус, посколь­ку обучение на их основе протекает труд нее всего. Если для слуха и зрения внеш­нее воздействие на рецептор можно охарактеризовать с помощью определен-

124

ной физической шкалы (длина элект­ромагнитных волн), то относительно запаха и вкуса это пока невозможно осуществить. Субъективно человек различает четыре вкуса — сладкий, со­леный, горький, кислый и около семи основных запахов — камфарный, мус­кусный, цветочный, мятный, эфир­ный, едкий и гнилостный. Однако не обнаружено единого свойства, которое можно было бы положить в основу классификации веществ, вызывающих ощущения вкуса и запаха.

В 1949 г. Р. Монкрифф (Эймур и др., 1974) сформулировал предполо­жение о том, что молекулы пахучих веществ воздействуют на рецептор благодаря точному совпадению с формой воспринимающего участка. Таким образом, форма и величина молекулы являются ее свойствами, предопределяющими ощущения.

Для человека химическая инфор­мация не является ведущей, в отли­чие от некоторых животных. У боль­шинства насекомых химический способ взаимодействия имеет пре­имущество перед другими, и феромо­ны (химические вещества, с помо­щью которых передаются сигналы) воспринимаются ими даже на рас­стоянии километров (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Мирмикофильные гусеницы эксплу­атируют социальное и симбиотическое поведе­ние муравьев в собственных интересах. Специ­ализированные “муравьиные” органы гусениц способствуют симбиозу с муравьями, либо имитируя их коммуникационные сигналы, либо выделяя, подобно симбиотическим расте­ниям, съедобные жидкости (Врис, 1992).

Человек не ощущает отсутствия каких-то видов восприятия (кроме тех, утрата которых препятствует эф­фективной адаптации), если не имел их от рождения, пока какие-то об­стоятельства не укажут ему на это. Люди не страдают от цветовой сле­поты, глухоты на некоторые тоны и отсутствия вкусовой чувствительности, пока не узнают от других об этом дефекте. То, что человек не воспринима­ет, не является объектом его желания (Хелд, Ричарде, 1974).

Рецепторы только воспринимают информацию с той или иной степенью точности, ограниченной разрешающей способностью сенсорного датчика. Далее эта информация передается в центральную нервную систему для об­работки. Вместе взятые, рецепторы, воспринимающие информацию, не-

125

рвные пути, передающие ее в мозг, и области мозга, обрабатывающие и ана­лизирующие эту информацию, составляют анализатор. Восприятие требу­ет целостности всех частей анализатора. Задачей анализатора является не только принять поступивший на рецептор сигнал, но и соединить отдель­ные ощущения в образ, уже известный или никогда доныне не восприни­маемый человеком. В течение своей жизни человек накапливает эти обра­зы, что позволяет все более быстро решать задачу по идентификации того или иного объекта (Соколов, 2000).

Информация, прошедшая процесс переработки и анализа, далее либо осознается, либо остается на неосознанном уровне, но, тем не менее, мо­жет в той или иной степени влиять на поведение человека.

Одной из нерешенных проблем в современной психофизиологии явля­ется кодирование информации, получаемой рецепторами, и ее интерпрета­ция в головном мозге.

Предполагается, что сенсорная информация может кодироваться часто­той ПД. Все рецепторы преобразуют свойственный им тип энергии в энер­гию электрического импульса. Он генерируется нейронами однотипно — по принципу “все или ничего”. Нервы, идущие от рецепторов, также не обла­дают специфичностью. Специфичность свойственна областям коры, в ко­торые, в конечном счете, и поступает информация. Предполагается, что ко­дирование сигналов возможно частотой разрядов нейронов, плотностью импульсного потока, особенностью организации импульсов в группе (пач­ке), интервалами между отдельными импульсами, периодичностью пачек, их длительностью, числом импульсов в пачке.

В коре головного мозга, в свою очередь, находятся высокоспециализиро­ванные клетки — детекторы, избирательно реагирующие не просто на воз­буждение в точке, а на отдельное свойство стимула — контраст, движение, кривизну линии. Д. Хьюбел и Т. Визел обнаружили в зрительной коре кош­ки самые разнообразные детекторы, анализирующие любые наклоны линий. Позднее аналогичные детекторы были обнаружены во всех других анализа­торах. Эти нейроны организованы в иерархические структуры в соответствии со сложностью анализа, который они производят. Ю.М.Конорски (1970) ввел понятие “гностическая единица” для нейрона, селективно настроенного не на элементарный признак, а на сложную конфигурацию признаков. Он пред­сказал возможность существования таких нейронов, а позднее они были най­дены в нижневисочной коре и избирательно реагировали на такие сложные стимулы, как лицо человека. По-видимому, элементарные детекторы выяв­ляют отдельные признаки. Затем следует синтез таких элементарных детек­торов в сложную комбинацию, и эта информация вновь анализируется, но уже на более высоком уровне во всех анализаторах. Выделение отдельных ча­стотных составляющих нейронами-детекторами сменяется их синтезом, за которым следует анализ на уровне нейронов-гностических единиц, выделя­ющих отдельные образы (зрительные, слуховые, тактильные и т.д.). Оконча­тельный образ складывается, по-видимому, не на основе активности одной клетки, располагающейся на самой вершине такой иерархической структу­ры, а благодаря функционированию групп нейронов — нейронных ансамблей.