С.А.Полевая, Е.В.Еремин, А.В.Зевеке

Нижегородская государственная медицинская академия; ЦНИЛ;
Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород

Компьютерные технологии для исследования структуры субъективного сенсорного пространства человека

Информационный подход к решению разнообразных проблем медицины открывает новые возможности для понимания взаимодействия человека с окружающей средой. Известно, что 80% регистрируемых заболеваний имеют психосоматическую природу, что свидетельствует о патогенном рассогласовании между распознаванием биологически значимых сигналов и формированием стратегии адаптивного поведения. Сложившиеся в процессе эволюции биохимические, физиологические, поведенческие механизмы поддержания гомеостазиса являются неэффективными в новой искусственной среде, созданной человеком. Информация стала фактором, существенно влияющим на здоровье человека. Отсутствие психогигиенических норм, отражающих возможности информационной системы человека по физиологическому усвоению разномодальных сенсорных сигналов, можно рассматривать в настоящее время как одну из главных причин роста количества психосоматических заболеваний. Актуальность приобретают знания о работе специализированных информационных систем — сенсорных систем человека и животных. Ключевое значение в процессе обмена информацией между человеком и окружающей средой имеет первичный субъективный сенсорный образ — ощущение. Очевидна необходимость изучения функциональных систем организма, специализированных для работы с информацией, и механизма формирования сенсорного образа как процесса, имеющего как физиологические детерминанты, так и физиологические последствия.

Рассматривая процесс формирования сенсорных образов с позиции рефлекторной теории Сеченова, мы получаем возможность изучать ощущения как физиологически активный процесс, отражающий функциональное состояние организма и существенно влияющий на интегративные процессы полимодальной адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды.

К настоящему времени созданы теоретические и технологические предпосылки для исследования физиологических механизмов формирования сенсорного образа и управления адаптивными психосоматическими реакциями как единой информационной системы.

С помощью традиционных психофизиологических методов [1,2] получены фундаментальные знания о законах преобразования мира реальных стимулов в мир субъективных образов, ставшие основой современной эргономики, психофизики и психодиагностики. Однако благодаря развитию цивилизации возникла новая среда обитания человека — виртуальная. Актуальность приобретает задача изучения психофизических функций в виртуальном сенсорном пространстве.

Цель работы — исследование точности и пороговых характеристик распознавания цветовых и звуковых стимулов, созданных с помощью компьютерных технологий.

В нашей системе реализован мониторинг пространственного слуха и цветового зрения: на простом наборе стимулов, формируемых в виртуальной среде, мы получаем разнообразные комбинации субъективных сенсорных образов. Несмотря на то, что функции принадлежат разным анализаторам, алгоритм тестирования универсален. Компьютер выступает в качестве генератора стимула и индикатора ответа. В результате реализуется система «компьютер—человек—компьютер», в которой человек занимает место активной «распознающей ячейки» [3, 4].

Для сенсорного мониторинга разработаны программно-аппаратные комплексы на основе операционной системы MS Windows 95/98: для тестирования пространственного слуха — компьютерная латерометрия, для тестирования цветового восприятия — компьютерная кампиметрия. Программное обеспечение построено по универсальной схеме (рис. 1).

Рис. 1. Схема программы тестирования

Данная схема позволяет создавать различные тестирующие системы, изменяя лишь данные в блоке генерации эталонных стимулов. Программы написаны на языке С++ в оболочке MS Visual C++ 6.0. Тестирование происходит в двух режимах работы: интерактивном, с участием экспериментатора, и автоматическом.

Метод компьютерной кампиметрии обеспечивает измерение дифференциальных порогов цветовой чувствительности в разных участках цветового спектра. Генератор стимула (рис. 2)

Рис. 2. Схема генератора звукового стимула

позволяет на экране монитора формировать различные цветовые образцы с широким диапазоном комбинаций по насыщенности (S), яркости (L) и оттенку (H). Для тестирования использовалась наиболее естественная для восприятия человека система координат HSL. Специальный алгоритм генерирует последовательность HLS-компонент и отображает на экране компьютера с помощью видеокарты.

Виртуальные яркость и насыщенность стимула оставались постоянными на протяжении всего эксперимента, в то время как оттенок изменялся в диапазоне от 0 до 250 условных единиц. Множество стимулов состояло из 25 цветовых образцов и воспроизводило цветовой спектр от красного до фиолетового. Цветовые эталоны предъявлялись в случайном порядке.

Процедура тестирования выглядит следующим образом. Испытуемому давалась установка определить форму пятна-стимула (круг, квадрат или треугольник), вписанного в цветовой квадрат на экране — фон. Изначально оттенок фона и пятна были одинаковыми. Испытуемый с помощью клавиатуры получал возможность управлять цветом пятна. В качестве порога цветоразличения мы рассматривали такую разницу между оттенками фона и пятна, при которой испытуемый правильно определял форму пятна. Для регистрации динамического диапазона наряду с задачей поиска формы мы предлагали решать обратную задачу. Как только форма пятна распознавалась правильно, разница между оттенком стимула и оттенком фона автоматически увеличивалась на 10 условных единиц, и испытуемому предлагалось изменять состояние системы до тех пор, пока квадрат вновь не станет однородным. Таким образом, мы фиксировали верхний и нижний пороги цветоразличения.

Этим методом были зарегистрированы спектры цветоразличения в виртуальной цветовой среде и исследованы возрастные особенности восприятия цвета [5], а также влияние стрессовых ситуаций на дифференциальную цветовую чувствительность (рис. 3).

Рис. 3. Спектры цветоразличения для разных испытуемых, по оси X — оттенок фона H, по оси Y — дифференциальный порог; сплошная линия — для задачи поиска, пунктирная — для обратной задачи

В результате исследования было установлено:

1) метод динамической кампиметрии позволяет характеризовать индивидуальные особенности восприятия цвета и выявить влияние психофизиологического статуса на дифференциальные пороги чувствительности к оттенку;

2) структура субъективного цветового пространства неоднородна: дифференциальные пороги по оттенку для чистых цветов значительно больше, чем для смешанных;

3) стрессовая ситуация достоверно влияет на распознавание цвета: выявлен эффект минимизации дифференциального порога цветоразличения в постэкзаменационной ситуации.

Метод компьютерной латерометрии обеспечивает формирование виртуального акустического пространства. Для этого был разработан генератор звукового стимула (рис. 4),

Рис. 4. Схема генератора дихотического стимула

позволяющий генерировать импульсы дли­тельностью до 10 мкс. Аппаратно генератор построен на аналого-цифровом преобразователе L-154 ф. L-Card. Данная плата имеет TTL– выходы и позволяет быстро генерировать последовательность импульсов. Коммуникация платы с программой реализована на основе VXD-драйвера.

Виртуальное акустическое пространство формировалось с помощью изо­лированной стимуляции ушей от двух источников звука через наушники (метод дихотической стимуляции [6, 7]). Это давало возможность создавать управляемую межушную (интерауральную) временную задержку между стимулами (т. е. звуковой сигнал в одно ухо запаздывал относительно звукового сигнала в другое ухо на любую, по усмотрению экспериментатора, величину). В своей работе мы изменяли только интерауральную временную задержку при сохранении одинаковой громкости и продолжительности сигналов в оба уха (т. е. звуковые сигналы были абсолютно идентичны). Формировались шумовые звуковые импульсы с амплитудой 40 дБ над порогом и продолжительностью 50 мкс (см. таблицу, рис.5.).

Характеристика виртуальных источников звука

Рис. 5. Временная диаграмма эталонной (а) и тестирующей (б) дихотических пар при формировании виртуальных источников звука; Т1 — продолжительность звукового импульса; dt — интерауральная временная задержка; T2 — интервал между эталонной и тестирующей дихотическими парами

Изменяя интерауральную временную задержку в диапазоне от 0 до 900 мкс, мы обеспечивали латерализацию, т. е. смещение звукового образа в направлении опережающего стимула от центра межушной дуги (0°) к уху (90°). При этом, если звуковые сигналы в дихотическом стимуле были равны по интенсивности и предъявлялись одновременно в оба уха (для каждого уха — свой канал стимуляции), то формировался единый звуковой образ, который ощущался испытуемым внутри головы, в центре межушной дуги.

Для построения сенсорной шкалы в качестве раздражителей использовалась пара дихотических стимулов (см. рис. 5 и таблицу), формирующих два субъективных звуковых образа на интерауральной дуге: первый, эталонный стимул, состоял из пары бинаурально предъявляемых звуковых сигналов с нулевой задержкой во времени и проецировал звук на средней линии головы, задавая точку отсчета (азимут — 0°); второй, собственно тестирующий стимул, создавал смещенный звуковой образ благодаря изменению времени интерауральной задержки от 0 до 900 мкс, при этом имитировалось изменение азимута источника звука в интервале от 0 до 90° влево и вправо в зависимости от стороны опережающего сигнала. В основной серии время задержки между эталонным и тестирующим дихотическими стимулами составляло 600 мкс.

Испытуемому давали установку внимательно, с закрытыми глазами, слушать звук и по окончании стимуляции сообщать об угловых координатах смещенного звукового образа. Перед началом работы каждый испытуемый тренировался в прослушивании предъявляемых звуковых сигналов и оценивании величины смещения звукового образа. Воспроизводилась ситуация полной определенности, в которой заранее сообщалось о направлении и степени смещения виртуального источника звука. Таким образом, происходило освоение виртуального акустического пространства и сопоставление его с онтогенетически сформированной моделью звукового пространства. В результате короткого обучения испытуемые достаточно уверенно решали задачу определения ориентации и угловых координат субъективного звукового образа. После этого проводили основную часть опытов.

Установлено, что при монотонном изменении азимута тестирующего дихотического стимула распределения угловых координат звукового образа на шкале интерауральных задержек, определённые по словесным отчётам и инструментальным методом, были достоверно сходны у 90 % испытуемых (рис. 6).

Рис. 6. Сенсорная шкала пространственного слуха. По оси абсцисс — величина объективного угла в град; по оси ординат — величина кажущегося угла, в град

Полученные данные свидетельствуют, что cформированная в процессе индивидуального развития модель звукового пространства хорошо активируется для восприятия звукового сигнала в виртуальной акустической реальности, создаваемой методом дихотической стимуляции. Качество распознавания зависит от порядка предъявления звукового сигнала и способа реализации воспринимаемой информации.

Соответствие «звуковой образ — зрительный образ» устанавливается более точно, чем «звуковой образ — слово». При этом инструментальный метод обеспечивает шкалирование ощущения даже в тех случаях, когда психофизический метод отказывает. Выбор в качестве стимула пары дихотических звуковых сигналов обеспечивает получение более четких и легко интерпретируемых данных о пространственно-временных свойствах субъективного звукового пространства по сравнению с другими методиками латерометрии. Результаты тестирования при изменении азимута виртуального источника звука в случайном порядке могут иметь диагностическое значение, поскольку позволяют дать не только качественную, но и количественную оценку характера и степени межполушарной асимметрии.

В дальнейшем планируется реализация предложенной идеи в разработке теста для кожного анализатора. Компьютерная система мониторинга сенсорных функций человека станет основой для полимодального психофизиологического картирования и может быть использована в решении широкого класса задач в физиологии сенсорных систем, медицины (отоларингология, офтальмология, неврология) и психологии.

Литература

1. Забродин Ю.М., Фришман Е.З., Шляхтин Г.С. Особенности решения сенсорных задач человеком. М: Наука; 1981; 198 с.
2. Измайлов Ч.А., Соколов Е.Н., Черноризов А.М. Психофизиология цветового зрения. М: Издательство МГУ; 1989; 206 с.
3. Yakhno V.G. Basic models of hierarchy neuron-like systems and ways to analize some of their complex reactions. Optical Memory & Neural Netork 1995; 4(2): 141—155.
4. Яхно В.Г. Процессы самоорганизации в распределенных нейроноподобных системах. Примеры возможных применений. В кн.: Нейроинформатика 2001. Лекции по нейроинформатике. М: МИФИ; 2001; с. 103—141.
5. Егорова Ю.В., Полевая C.A., Еремин Е.В., Нефедова Т.В., Клюй М.A. Исследование возрастных особенностей цветовой чувствительности в виртуальном зрительном пространстве. В кн.: Материалы Международной конференции по нейрокибернетике. Т. 1. Ростов-на-Дону; 2002; c.155—156.
6. Полевая С.А., Антонец В.А., Ерёмин Е.В. Сенсорная шкала пространственного слуха человека в виртуальном акустическом пространстве. Сенсорные системы 2002; 16 (4): 291—296.
7. Альтман Я.А. Психофизиологические особенности эффекта латерализации. Физиология человека 1997; 23 (2): 80—89.