Субъективное восприятие окружающего мира
advertisement
Наука и образование коэффициенты критериев обозначаются векторами w1 , w2 ,..., wj. Затем для каждой альтернативы рассчитывается величина si = Σ(xij ,wj), i=1, 2, ..., n; j=1, 2, ..., m. Принимается правило: чем больше значение si, тем лучше альтернатива ai. Процесс по приему новаторских предложений от персонала предприятия в предлагаемых координатах является наиболее понятным для широкого круга сотрудников. Заключение Построение подобной среды позволяет эффективно решать практические проблемы, оперативно реагировать на изменения и подстраиваться под новые ситуации, так как современные динамично меняющиеся рыночные условия требуют совершенствовать инструменты и технологии управления предприятиями в целях повышения эффек- тивности их хозяйственной деятельности и максимизации прибыли. Какие проекции описывать в информационной модели – зависит от руководителя, который будет ее использовать. В планах нашего коллектива построить информационную маркетинговую систему для анализа различных аспектов деятельности предприятий на основе разработанных моделей. В настоящее время существует множество программных продуктов зарубежного производства, которые исследуют маркетинговую деятельности организаций. Но такие программы не дают нужного эффекта в российских условиях. Поэтому разработка моделей для построения отечественных программных продуктов актуальна. Литература 1. Маренко В. А., Кипаева Н. Г. Динамика развития экономической системы //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2006. – № 10. – С. 65- 67. 2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Краткий курс теоретической физики. – Т.1, Механика. Электродинамика. – М.: Наука, 1969. – 200 с. 3. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений /Пер. с англ. Ринго Н.И. – М.: Мир, 1976. – 162 с. 4. Лучко О. Н., Маренко В. А. Нечеткая логика в управлении компонентами маркетинга //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2007. – № 7. – С. 56- 58. 5. Орлов А. И. Интеллектуальный капитал компании как инструмент менеджмента // Менеджмент сегодня. – 2003. – № 4. – С. 18–24. СУБЪЕКТИВНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА: НЕЙРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И СМЫСЛ В.Я. Сергин, д.ф.-м.н., заслуженный деятель науки РФ, ведущий научный сотрудник Лаборатории нейронных сетей Тел.: 8(499) 150-21-49; E-mail: v.sergin@mail.ru Институт математических проблем биологии РАН http://www.impb.ru Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 07-01-00218) The article offers a new outlook on the organization of the processes of human perception. The postulated mechanisms agree well with the neurobiological and psychological data. The proposed model make it possible to understand the physiological nature of subjective perception. The theoretical implications of the model are of diverse nature and are formulated in a concrete form which makes them experimentally verifiable in laboratory conditions. 1. Введение Восприятие – это окно в окружающий мир, в мир накопленного человечеством знания, в мир людей и в собственный внутренний мир. Восприятие вовлекает нас в поток жизни во всем его многообразии. Поэтому так важно и интересно знать природу Открытое образование • 1/2009 восприятия, его смысл, механизмы и возможности. Следует заметить, что несмотря на длительную историю изучения восприятия [1,2,3,4,5], нейробиологические механизмы его многих важных свойств пока еще достоверно не установлены. Известно, например, 33 Наука и образование что данные о цвете, движении, форме и других зрительных свойствах окружающего мира обрабатываются в различных зрительных областях коры, число которых, возможно, достигает нескольких десятков. Возникает вопрос, как и посредством каких механизмов мозг связывает сенсорные данные в целостные образы и сцены? Сенсорные признаки, обнаруженные на первых уровнях обработки, комбинируются в объекты на вышележащих уровнях. С увеличением количества признаков быстро растет число возможных комбинаций, что ведет к проблеме комбинаторного взрыва. Как мозг отбирает единственный образ, адекватный реальности, из необозримо большого числа возможных комбинаций? Как известно, сенсорные данные образуют восходящий поток от рецепторов к ассоциативной коре. Тогда должна существовать нейронная структура, пусть даже весьма обширная, куда стекаются все сенсорные данные, – некий «познающий гомункулус». Но такой структуры не обнаружено, и от «гомункулуса» пришлось отказаться. Возникает вопрос, как мозг, не имеющий центрального процессора, осуществляет целостную деятельность? За минувшие десятилетия на этот вопрос так и не получено убедительного ответа. Поэтому, несмотря на официальное отречение, «гомункулус» продолжает неявно присутствовать во многих современных теориях под масками центрального координатора, задающего генератора и пр. Требует объяснения инвариантность восприятия. Например, мы воспринимаем летящую птицу как ту же самую, хотя ее геометрическая форма, размеры, экспозиция, освещенность, положение в поле зрения и другие физические характеристики изменяются. Почему мы воспринимаем объект как тот же самый, даже если характеристики светового потока, падающего на сетчатку глаз, кардинально изменяются? Существует и множество других пока еще не решенных проблем восприятия. Среди них особое место занимает вопрос о соотношении физиологического и психическо- го в восприятии [6]. Каким образом материальная, объективно регистрируемая нейронная активность мозга порождает идеальный субъективный образ? Почему в процессе эволюции возникла способность биологических структур порождать субъективные переживания? Какова функциональная роль психических феноменов в организации восприятия? В статье предлагается новый взгляд на организацию процессов восприятия, который позволяет лучше понять природу и механизмы его важнейших свойств [7]. Вводятся конструктивные представления, основанные на нейробиологических фактах, и строится модель восприятия. Адекватность и когнитивные возможности модели подтверждены компьютерными экспериментами. Теоретические следствия модели хорошо соответствуют экспериментальным данным нейрофизиологии и психологии восприятия [8, 9]. 34 Открытое образование • 1/2009 2. Объемлющие сенсорные характеристики Известно, что сетчатка глаза проецируется в первичную зрительную кору с высокой топографической точностью. Нейроны проекционной коры имеют минимальные рецептивные поля (рецептивное поле нейрона – это угол, под которым он «видит» окружающий мир), что обеспечивает наилучшее пространственное разрешение деталей окружающего мира. При движении вверх по зрительному пути рецептивные поля нейронов увеличиваются, а точность топографического отображения падает. Это правило справедливо для всей сенсорной коры: размеры рецептивных полей нейронов растут от проекционных к ассоциативным областям. Поэтому нейронные структуры вышележащих уровней обработки не могут отображать деталей окружающей среды, которые отображаются на нижележащих уровнях и требуют высокого пространственного разрешения. Но тогда, что именно могут отображать нейронные структуры вышележащих уровней обработки? Мы полагаем, что нейронная структура каждого последующего уровня обработки может порождать собственную характеристику, объемлющую данные нижележащего уровня в некотором адаптивно важном аспекте. Объемлющая характеристика может выражать некоторую целостность, обладающую качественной специфичностью на более высоком уровне восприятия. Например, наборы линий образуют решетку, по- Наука и образование следовательность звуков – ритм, глаза и нос – лицо и т. п. Требования к точности отображения целого ниже, чем требования к точности отображения деталей. Поэтому формирование иерархии объемлющих характеристик хорошо согласуется с тем фактом, что размеры рецептивных полей нейронов растут от проекционных к ассоциативным областям. Объемлющая характеристика – это перцептивная гипотеза о том, что данное специфическое сочетание признаков соответствует определенному объекту или событию. Объемлющая характеристика выражает специфическую организацию компонент, порождающую значимую целостность, и сама является компонентой объемлющей характеристики более высокого уровня восприятия. Если идентификация объекта или сенсорного события дает организму новые адаптивные преимущества, то характеристика, объемлющая соответствующие им признаки, может быть построена в процессе обучения. Объемлющая характеристика не обязательно выражает наиболее важные или физически реальные свойства сенсорного объекта, которые организму не известны. Объемлющая характеристика выражает витально значимые свойства объекта и представляет собой адаптивную реакцию организма на этот объект. Это значит, что объемлющая характеристика изначально субъективна и должна быть чувствительной к индивидуальным различиям. Объемлющая характеристика является ответом данного перцептивного уровня на специфическое сочетание признаков, выделенных из множества других посредством обучения. Из множества признаков нижележащего уровня отбираются только те, пространственная организация или специфическая временная последовательность которых составляет значимую целостность. Например, из множества отрезков разных размеров и ориентаций, расположенных на плоскости, отбираются те, которые образуют треугольники, квадраты или другие геометрические фигуры. При восприятии речи из множества звуков и шумов отбираются только специфические звуки человеческой речи, которые образуют слоги, слова и фразы – адаптивно значимые целостности. Целостность и качественная специфичность сенсорного объекта порождаются не сходством частей и не их физической связанностью, а адаптивным смыслом данного Открытое образование • 1/2009 сочетания для воспринимающего субъекта. Например, сцена может включать разнородные части, не имеющие устойчивых связей, тем не менее, адаптивный смысл ситуации порождает целостность и качественную специфичность сцены. Качественная специфичность целого не вытекает из свойств его компонент. Например, если отрезки, образующие решетку, заменить дугами, все равно это будет решетка. Даже если отрезки заменить произвольными узорами, качественная специфичность решетки сохранится: сквозь нее можно видеть, но нельзя проникнуть. Объемлющая характеристика существует и выражает значимую целостность лишь в той мере, в какой существуют специфические отношения компонент. Специфичность этих отношений определяет качественно иную сущность, обладающую собственными свойствами, отличными от свойств ее компонент. Например, решетка обладает такими свойствами, как плотность, узор, длина, высота и др., которые нельзя получить из свойств ее компонент – прямолинейных или криволинейных отрезков. Качественная специфичность сколь угодно сложных объектов также не вытекает из свойств его компонент. Например, определенное расположение глаз, носа и губ могут порождать образ лица, даже если компоненты сами по себе неузнаваемы (точка, точка, запятая, вышла рожица кривая). Не компоненты, а их специфическая организация определяет целостность и уникальность образа. Сенсорная характеристика, объемлющая данное специфическое сочетание признаков, должна быть единственной. В противном случае восприятие может порождать замешательство, препятствующее адекватной моторной реакции организма. Единственность объемлющей характеристики сенсорного объекта является условием ее адаптивной ценности. Можно сформулировать необходимые и достаточные условия существования объемлющей характеристики. Объемлющая характеристика существует тогда и только тогда, когда 1) имеют место такие отношения компонент, которые порождают адаптивно значимую целостность, обладающую качественной специфичностью, отличающей ее от компонент; 2) эта значимая целостность единственна в данном акте восприятия. Мы полагаем, что нейронная структура, соответствующая любому уровню воспри- 35 Наука и образование ятия, порождает характеристику, объемлющую те данные нижележащего уровня, специфическое сочетание которых составляет адаптивно значимую целостность. Сенсорное событие, не порождающее объемлющей характеристики, не может восприниматься как осмысленное целое. Только отобранные признаки и их объемлющие характеристики являются сенсорными данными. Сенсорные системы не воспринимают и не передают в вышестоящие структуры мозга никакой другой информации [7]. На рис. 1 (см. цв. вставку) показана функциональная схема одного из сенсорных путей. Объемлющая характеристика каждого уровня восприятия выражает адаптивно значимую целостность и отображается специфическим паттерном (узором) электрической активности нейронной структуры, обученной распознавать этот сенсорный объект. Таким образом, психическая характеристика (значимая целостность) имеет материальный носитель (специфический паттерн электрической активности) и именно поэтому может оказывать влияние на другие психические и физиологические процессы. С физиологической точки зрения, каждый нейронный уровень обработки осуществляет перцепцию на множестве нейронных популяций нижележащего уровня, подобно тому, как первичный нейронный уровень осуществляет перцепцию на множестве рецепторов. В процессе эволюции каждый следующий нейронный уровень мог надстраиваться как новый уровень перцепции, «рецепторами» которого служили нейронные популяции нижележащего уровня. В результате мог формироваться последовательный ряд нейронных структур, обеспечивающий охват все более широкого разнообразия сенсорных качеств окружающего мира (рис. 1 см. цв. встаку). Каждый уровень восприятия был высшим на своем этапе эволюционного процесса, отображал витально значимые целостности и был связан со всеми координирующими, активирующими и моторными структурами нервной системы. Эти связи перцептивных уровней с другими отделами нервной системы и исполнительными органами, хотя и модифицируются в эволюционном процессе, но, вероятно, сохраняются, образуя параллельный ряд подсистем, формирующих весь спектр реакций организма на сенсорные события. В основе нашего восприятия окружающего мира, включающего все модальности и масштабы сенсорных событий, от отдельных признаков до целостных образов и сцен, может лежать реакция нервной системы на параллельные входы, отображающие объемлющие сенсорные характеристики стимульного поля. Мы воспринимаем окружающий мир как бы сенсорными системами всех организмов эволюционного прошлого, одновременно и параллельно. Целостность реакции обеспечивается высшей объемлющей характеристикой данного акта восприятия. Если наш взгляд на эволюционное происхождение сенсорной иерархии соответствует действительности, то система восприятия человека может обладать некоторыми необычными способностями. Теоретически необходимо существование, в рудиментарной форме, специфических способностей восприятия, которые были адаптивно важными на определенном этапе эволюции, но затем потеряли свою актуальность. Это может быть способность воспринимать в инфракрасном или радиодиапазоне, видеть в поляризованном свете, дифференцированно и точно ощущать необычайно широкий диапазон запахов, обладать специфическими или уникальными свойствами тактильного восприятия и т.п. Такого рода способности могут проявляться спонтанно, но их можно обнаружить и посредством лабораторных обследований больших групп людей. 36 Открытое образование • 1/2009 3. Формирование объемлющих характеристик Идентификация сенсорных признаков, таких как пятна, линии, углы, их размещение, ориентация, движение и цвет, требует поточечного анализа всего поля зрения и, следовательно, требует высокого пространственного разрешения, большой вычислительной мощности и большого объема памяти. Формирование характеристик, объемлющих идентифицированные признаки, не требует столь высокого пространственного разрешения или большой вычислительной мощности. Например, сочетания отрезков, образующих решетку, крест или треугольник, можно обнаружить по специфическим отношениям между отрезками, что не требует поточечного анализа поля зрения. Идентификация образов может состоять в выявлении специфических отношений сенсорных объектов нижележащего уровня, порождающих уникальное целое. Увеличение размеров рецептивных полей нейронов вверх по сенсорному пути уменьшает способность нейронных структур отображать физические подробности объек- Наука и образование та, что уменьшает информационную сложность отображения. Поэтому, чем выше когнитивный уровень объемлющей характеристики объекта или события, тем она может быть проще и схематичнее по отношению к исходному набору признаков. Однако, вследствие увеличения размеров рецептивных полей нейронов, возрастает широта охвата сенсорных качеств окружающего мира, на которые отвечают нейроны вышележащих уровней. Это позволяет увеличивать количество специфических признаков, объемлемых характеристикой более высокого уровня, при неизменном объеме памяти и неизменной скорости обработки. Следовательно, может возрастать широта охвата сенсорных качеств окружающего мира, увеличиваться разнообразие объемлющих характеристик, их специфичность и уникальность. Благодаря такой организации восприятия возможно практически безграничное разнообразие уникальных сенсорных объектов, которые мы способны распознавать. Иерархия объемлющих характеристик – это путь от восприятия физических к формированию семантических характеристик. Каждый следующий перцептивный уровень порождает характеристику, объемлющую более широкий спектр свойств окружающего мира, и формирует новое сенсорное качество, имеющее более абстрактный и специфический адаптивный смысл. Чем выше уровень в системе восприятия, тем меньше физических подробностей содержит соответствующая объемлющая характеристика и тем более уникальные семантические черты окружающего мира она выражает. Высшая объемлющая характеристика выражает ключевые черты целостного образа, его схему, концепцию. Важно заметить, что высшая объемлющая характеристика – это не образ и не сцена, а уникальная схема сочетания объектов нижележащего уровня, порождающая образ или сцену. Окружающий мир может отображаться иерархически упорядоченным набором вложенных сенсорных характеристик, что обеспечивает детальность (за счет нижних уровней) и целостность отображения (за счет верхних уровней). Формирование объемлющей характеристики в процессе обучения – это индуктивный процесс установления значимой целостности, которая проявляется специфическими сочетаниями признаков во многих ситуациях. Обучение должно включать выявление значимых сочетаний признаков и Открытое образование • 1/2009 игнорирование всех остальных данных нижележащего уровня. Тогда иерархию объемлющих характеристик можно рассматривать как продукт последовательных этапов абстрагирования. В специализированных областях коры абстрагирование имеет явный характер и осуществляется по физическим признакам. Здесь игнорируются сенсорные качества, не соответствующие специализации данной области коры, и нейронная структура порождает характеристики, объемлющие признаки только одной сенсорной субмодальности, например, движение или цвет. Это древнее эволюционное приобретение закреплено анатомически. На более высоких уровнях восприятия абстрагирование имеет функциональный характер. Каждый следующий уровень обработки игнорирует все данные нижележащего уровня, за исключением тех специфических сочетаний, которые выражают значимые целостности. Характеристика, объемлющая специфические отношения компонент, выражает новое сенсорное качество, не выявленное на нижележащих уровнях восприятия. Объемлющая характеристика более высокого уровня выражает более абстрактные свойства стимула, присущие ему как целому, и представляет его в схематической или символьной форме. Следует различать сенсорные образы, которые являются результатом восприятия, и мысленные образы. В сенсорных образах динамически сочетаются многоуровневые наборы признаков и характеристик разных модальностей и субмодальностей. В отличие от них, мысленные образы – это только схемы объектов, их объемлющие характеристики. В процессах образного мышления мы оперируем не сенсорными образами реальных объектов, а только их объемлющими характеристиками: мысленные образы одномодальны, они лишены физических подробностей, это всего лишь схемы объектов, выражающие их основной смысл. Но эти абстрактные образы объектов, схемы явлений и небольшие наборы данных удобны для быстрой обработки, что облегчает выполнение сложной последовательности операций, составляющих процессы образного мышления и воображения [10]. Многие зрительные образы, их признаки, свойства и операции над ними (декомпозиция, сдвиги, повороты и т. п.) выражаются словами. Дискурсивное мышление оперирует словами и символами – объемлющими характеристи- 37 Наука и образование ками, которые представляют объекты и действия над ними. Эффективность дискурсивного и образного мышления обеспечивается тем, что все операции производятся не с сенсорными образами, которые могут быть очень сложны, а только с их абстрактными представлениями – объемлющими характеристиками разных уровней когнитивной иерархии. Возникновение способностей формировать абстрактные понятия и приближенные представления связано отнюдь не с интеллектом человека, хотя люди немало потрудились на этом поприще. Операционные механизмы формирования абстрактных представлений возникли вместе с аппаратом восприятия. Таким образом, новейшие эволюционные достижения – дискурсивное и образное мышление – оказываются неразрывно связанными с приобретениями эволюционного прошлого. Согласно современным воззрениям, сенсорные данные передаются с нижних уровней обработки вверх по сенсорному пути. Сенсорные признаки, обнаруженные на первых уровнях обработки, комбинируются в объекты на вышележащих уровнях. Увеличение количества признаков вызывает быстрый рост числа возможных комбинаций, что ведет к проблеме комбинаторного взрыва (рис. 2а – см. цв. вставку). В модели объемлющих характеристик сенсорные данные остаются на том уровне обработки, где они были идентифицированы. На каждом уровне обработки отбираются только значимые целостности из данных нижележащего уровня. Поэтому не существует тотального потока данных вверх по сенсорному пути. Сенсорные данные никуда не стекаются и нигде не отображаются в интегральной форме. В такой модели разместить всезнающий гомункулус просто негде. Чем выше уровень в системе восприятия, тем меньше количество сенсорных объектов (рис. 2б – см. цв. вставку). На высшем уровне, в каждом акте восприятия, существует только одна объемлющая целостность – образ или сцена. Поэтому в модели объемлющих характеристик комбинаторный взрыв невозможен, как его нет и в реальном восприятии. Объемлющие характеристики являются альтернативой доминирующим в науках о мозге представлениям об интегральных характеристиках и интегральных образах. В настоящее время можно считать установленным, что в коре головного мозга не существует области, пусть даже весьма обширной, в которой отображались бы интегральные образы восприятия, включающие все сенсорные данные, от признаков до сцен. Хотя нам кажется, что мы видим все и сразу, ни в какой области мозга интегральных образов нет. Модель объемлющих характеристик позволяет понять те свойства восприятия, которые порождают ощущение, будто окружающий мир представлен нашему взору в целом и во всех подробностях одновременно. Зрительное поле отображается параллельным набором вложенных сенсорных характеристик (рис. 2б), что обеспечивает детальность и целостность отображения. Восприятие может фокусироваться на отдельных объектах или их фрагментах, что автоматически сопровождается высоким пространственным разрешением, или охватывать всю сцену целиком, но лишь в общих чертах (вследствие схематичности высших объемлющих характеристик). Изменение пространственного масштаба и детальности видения происходят так же автоматически и незаметно, как перенос взора. Любая сенсорная характеристика восприятия неразрывно связана с другими сенсорными данными объемлющей характеристикой более высокого уровня. Это может порождать органически встроенное и подвижное отображение сенсорных событий различного когнитивного уровня и пространственного масштаба в их неразрывном единстве. Иерархически упорядоченная последовательность объемлющих сенсорных характеристик позволяет нам произвольно рассматривать детали видимой сцены, отдельные объекты или всю сцену целиком и обеспечивает незаметный и плавный переход от одного к другому. В результате мы видим окружающий мир, как того пожелаем: в целом или во всем разнообразии его подробностей, что порождает ощущение, будто он весь и сразу доступен нашему взору. Концепция объемлющих характеристик позволяет понять многие свойства восприятия, которые пока еще кажутся довольно загадочными. Например, установлено, что одностороннее повреждение париетальной доли больших полушарий головного мозга справа приводит к очень необычным эффектам. Пациенты с такими повреждениями теряют представление о существовании двух сторон тела и двух сторон во внешнем мире. У них исчезают ощущения левой стороны тела, и они не воспринимают сенсорные 38 Открытое образование • 1/2009 Наука и образование данные левой половины окружающего мира. Пациенты рисуют ромашку с лепестками только справа, велосипедное колесо со спицами справа и животное только с правой половиной тела [5]. Модель объемлющих характеристик проливает некоторый свет на эти особенности восприятия. Мозг пациента, с повреждением париетальной доли справа, отображает данные только правой половины зрительного поля (вследствие перекреста сенсорных путей). Эти сенсорные данные хотя и неполны, но внутренне непротиворечивы и поэтому имеют высшую объемлющую характеристику. Высшая объемлющая характеристика выражает целостную субъективную реальность. Поэтому, как это ни удивительно, данные правой половины зрительного поля воспринимаются пациентом как целостная картина, хотя на самом деле они составляют только ее часть. Ощущения собственного тела также неполны, но внутренне непротиворечивы, и имеют высшую объемлющую характеристику. То, что объемлется этой характеристикой, представляет единственную и целостную субъективную реальность. Все, что находится вне нее, просто не существует для субъекта. Поэтому левая сторона тела как бы перестает существовать, и такие пациенты не воспринимают левую руку как свою собственную. 4. Объемлющие характеристики управляют восприятием сверху вниз Передача возбуждения по сенсорным путям не является простым восходящим процессом. Обилие и упорядоченность обратных проекций с верхних нейронных уровней восприятия на нижние, включая таламус и более глубокие структуры мозга, свидетельствуют о важной роли обратных связей. В соответствии с изложенными ранее представлениями передача детальных данных сверху по обратным проекциям невозможна, так как на верхних уровнях их просто нет. Но возможна передача возбуждения, отображающего объемлющие характеристики, из ассоциативной коры на нейронные структуры нижележащих уровней. Возбуждение, передаваемое сверху вниз, может избирательно стимулировать нейронные популяции нижележащих уровней, облегчая передачу тех компонентов сенсорного возбуждения, которые соответствуют данной объемлющей характеристике. Например, если объемлющей характеристикой является решетка, то могут стимулироваться нейронные популяции нижележащего уровня, реагирующие на линии определенной Открытое образование • 1/2009 ориентации. На рис. 3 показана схема восприятия по одному из сенсорных путей. Обратные связи образуют каскад переноса возбуждения сверху вниз в соответствии с иерархией объемлющих сенсорных характеристик. Мы полагаем, что передача возбуждения вниз происходит только на непосредственно нижележащий уровень обработки. Стимуляция нейронных структур, отображающих различные сенсорные характеристики одного перцептивного уровня, позволяет обнаружить осмысленное целое. Например, определенное сочетание формы и цвета может отображать объект, а определенное сочетание объектов может отображать образ или сцену. Рис. 3. Схема восприятия по одному из сенсорных путей. Обратные проекции образуют многозвенный каскад переноса возбуждения сверху вниз. Тонкими стрелками показаны входы от других нейронных структур В чем состоит физиологический механизм стимуляции сверху? Мы полагаем, что стимуляция сверху уменьшает время ответа целевых нейронов нижележащего уровня на одновременно приходящие сигналы до миллисекундного диапазона. В результате популяции нейронов нижележащего уровня участвующие в данном акте восприятия на короткое время становятся детекторами совпадений. Они интенсивно отвечают на синхронное сенсорное возбуждение, вызванное стимулом, и слабо реагируют на сигналы, распределенные во времени. Объемлющая характеристика объекта отображается специфическим паттерном электрической активности, который стиму- 39 Наука и образование лируют сверху вниз популяции нейронов, отображающие признаки данного объекта в данном месте. Те признаки, которые действительно обнаруживаются рецепторами в это время и в этом месте, отображаются когерентной разрядкой активированных популяций. Тем самым стимул отбирает ансамбль нейронов, участвующих в данном акте восприятия, из совокупности, активированной сверху. Посредством итераций по всем иерархическим уровням сверху вниз и снизу вверх синхронизируется уникальный набор нейронных ансамблей. Этот набор ансамблей из детекторов совпадений формирует быстрый сенсорный путь, единственный и уникальный для каждого акта восприятия. Формирование объемлющей характеристики объекта является ключевым моментом, начиная с которого синхронизируются все нейронные ансамбли нижележащих уровней, участвующие в восприятии этого объекта. Когерентность нейронной активности увеличивает интенсивность отображения объекта, что должно увеличивать его заметность на психическом уровне. Воспринимаемый объект должен отображаться более интенсивно по сравнению с окружающим фоном, даже если освещенность объекта и фона одинаковы. Объект может восприниматься субъективно как более светлый или более яркий с момента его распознавания. Действительно, экспериментальные данные показывают, что сочетание фигуры и фона оказывает «поразительное» влияние на восприятие светлоты. Участок изображения, воспринимаемый как фигура, кажется светлее, чем фон. Фигура, как правило, кажется более светлой или более интенсивной (по цвету), нежели фон с такой же светлотой [2]. Объемлющая характеристика сенсорного объекта должна быть единственной. Но как тогда мы воспринимаем двусмысленные рисунки, например такие, как представленный на рис. 4. В ответ на предъявление двусмысленного рисунка восприятие порождает различные фигуры, хотя рисунок остается одним и тем же. Известно, что восприятие определенной фигуры зависит от того, какие части рисунка интерпретируются как фигура, а какие как фон. Но остается неясным, почему система восприятия относит некоторые части рисунка к фигуре и как отделяет их от фона. Объемлющая характеристика объекта – это перцептивная гипотеза, в порождении которой решающее значение имеют известные индивиду признаки и свойства объекта. Обнаружение некоторых признаков знакомого объекта может порождать перцептивную гипотезу и стимуляцию сверху, которая отбирает те части рисунка, которые относятся к этому объекту. Стимуляция сверху вызывает когерентное отображение отобранных признаков и порождает интенсивное восприятие фигуры, что отделяет ее от фона. Действительно, воспринимаемая фигура обычно кажется четко очерченной и расположенной перед фоном или на фоне, который теряет ясные очертания [3]. 40 Открытое образование • 1/2009 Рис. 4. Двусмысленный рисунок, который воспринимается то как два кубка, то как две пары лиц, обращенных друг к другу [2] Как только перцептивная гипотеза подтверждается, интенсивное отображение фигуры препятствует любым другим интерпретациям рисунка. Однако, постоянство рисунка не означает постоянства сенсорной стимуляции. Саккады, дрейф и другие движения глаз приводят к изменениям стимуляции сетчатки в зоне наилучшего видения. Если иное распределение активности сетчатки выделяет признаки, соответствующие другому объекту, может формироваться новая перцептивная гипотеза. Новизна, как известно, вызывает немедленную активацию всего аппарата восприятия. Если новая гипотеза подтверждается, стимуляция сверху вызывает интенсивное когерентное отображение новой фигуры и обращение в фон всех остальных деталей рисунка. После распознавания второй фигуры двусмысленного рисунка переход от восприятия одной фигуры к другой становится более легким, так как соответствующие сенсорные пути уже активированы. Колебания от восприятия одной фигуры к восприятию другой напоминают обычную ориентировочную реакцию в ситуации с двумя возможностями. Чем дольше субъект рассматривает рисунок, тем выше может быть частота колебаний в результате обучения. Такой рост частоты колебаний наблюдается в самом деле [3]. 5. Объемлющие характеристики в процессах восприятия Наука и образование Разнообразие уникальных объектов, событий и сцен окружающего мира необозримо велико. Тем не менее, мозг, с его медленными нейронами, распознает их почти мгновенно. В качестве причины высокой эффективности мозга обычно указывают на массированно-параллельную архитектуру, которая обеспечивает высокую скорость вычислений. Это обстоятельство, конечно, важно. Но еще более существенно то, что мозг ничего не вычисляет. Уже на ранних стадиях восприятия мозг порождает перцептивные гипотезы о содержании окружающего мира. Иерархия объемлющих характеристик быстро уменьшает количество сенсорных объектов при движении вверх по сенсорному пути. Схематичность и простота объемлющих характеристик, а также единственность высшей объемлющей характеристики обеспечивают быструю сходимость процесса. Мозг скорее догадывается и обнаруживает, чем распознает объекты посредством детальных вычислительных процедур. Формирование объемлющей характеристики объекта после обучения не требует присутствия в поле зрения всех его признаков. Частичный набор специфических признаков может служить достаточным сенсорным основанием для порождения перцептивной гипотезы. Поэтому система восприятия может эффективно функционировать в условиях недостатка сенсорных данных. Известно, что люди и животные обладают способностью идентифицировать объекты по частичным данным. Но объемлющая характеристика, даже если она порождается частичным набором признаков, активирует все нейронные структуры нижележащих уровней, ответственные за обнаружение признаков, объемлемых данной характеристикой. Поэтому система восприятия оказывается подготовленной, когда в следующий момент времени доступным оказывается другой частичный набор сенсорных признаков, объемлемых данной характеристикой. Это может обеспечивать непрерывность и точность слежения, когда, например, животное крадется в кустах или траве. Набор сенсорных признаков объекта может меняться в зависимости от изменения его конфигурации, экспозиции, освещенности и других факторов. Характеристика, объемлющая сочетания сенсорных признаков объекта, известные по прошлому опыту, может обеспечить сохранение его перцептивной тождественности в изменяющихся условиях. Идентичность объекта устанавли- Открытое образование • 1/2009 вается не по идентичности физических признаков, а вследствие непрерывной преемственности его объемлющей характеристики. Следовательно, объемлющая характеристика объекта может быть тем средством, которое обеспечивает инвариантность восприятия. Объемлющая характеристика объекта является вершиной иерархически упорядоченного набора вложенных сенсорных характеристик. Это значит, что инвариантность восприятия объекта обеспечивается многоуровневым набором сенсорных признаков и характеристик. Сенсорные признаки объекта могут меняться, вызывая изменение набора вложенных сенсорных характеристик, но вся эта иерархическая структура должна сходиться к одной и той же вершине – объемлющей характеристике этого объекта. Заметим, что вершина иерархической пирамиды (данная объемлющая характеристика) отображается нейронной структурой определенной области ассоциативной коры посредством специфического паттерна электрической активности. Эта же нейронная структура может отображать и другие объемлющие характеристики посредством паттернов других специфичностей. Если наше понимание восприятия верно, то назвать несколько признаков одного объекта должно быть легче, чем назвать один и тот же признак нескольких различных объектов, поскольку это требует построения нескольких когнитивных пирамид. Действительно, задача, в которой испытуемый должен назвать три различных признака одного объекта (например, цвет, положение и форму), оказывается значительно более легкой, чем задача назвать один признак (например, цвет) трех различных объектов [4]. Объекты, имеющие различные объемлющие характеристики (различные вершины когнитивных пирамид), но мало отличающиеся по физическим признакам, должны различаться более четко, чем объекты, имеющие одинаковые объемлющие характеристики, даже если они сильно отличаются по физическим признакам. Такие «категориальные эффекты» в самом деле обнаружены при восприятии сложных зрительных форм, восприятии фонем, оттенков цвета и др. [4]. Известно, что человек способен за 1 секунду назвать, например, растение или животное, название которого начинается на заданную букву. Этот факт легко объясняется практически любой моделью поиска слов в долговременной памяти. Но человек способен приблизительно за то же самое время 41 Наука и образование определить отсутствие бессмысленного слова, например, «мантинас» среди известных ему нескольких десятков или сотен тысяч слов родного языка [4]. Возникает вопрос, как человеческому мозгу удается за такое короткое время осуществить просмотр и выяснить отсутствие названного слова среди громадного объема слов, хранящихся в долговременной памяти? Ответ может состоять в том, что никакого поиска слов в долговременной памяти не происходит вообще. В процессе восприятия объемлющая характеристика слова порождается всякий раз заново. Знакомое слово порождает объемлющую характеристику, которая вызывает определенную когнитивную или эмоциональную реакцию, выражающую его смысл и значение. Бессмысленное слово воспринимается так же, как и всякое другое, но оно не вызывает никакой когнитивной реакции. Это позволяет человеку заключить, что слово ему неизвестно. База данных долговременной памяти – это не набор картинок, слов или символов, хранящихся в нейронных структурах. База данных состоит из нейронных структур, сформированных эволюционным процессом и прижизненным опытом организма. Операционные свойства нейронной структуры определяются пространственным распределением эффективности синапсов. Тогда долговременная память, распределенная от проекционных до высших ассоциативных областей коры, состоит из операционных структур, которые порождают иерархически упорядоченный набор объемлющих характеристик, от простых сенсорных признаков до образов и сцен окружающего мира. Выявление любой сенсорной характеристики окружающей среды, которая вызывает адаптивную реакцию организма, представляет собой непосредственное познание этой среды. Распределенная долговременная память фиксирует опыт взаимодействия организма с окружающей средой, что делает память внутренней моделью такого взаимодействия. Запоминание может состоять в изменении эффективности синапсов нейронной структуры и формировании такого их пространственного распределения, которое обеспечивает порождение специфического паттерна электрической активности в ответ на определенный сенсорный объект. Поэтому познание организмом окружающей среды состоит в изменении собственной нейронной организации, то есть адекватной самоорганизации, которая обеспечивает це- лесообразное поведение в условиях этой среды. Почему нейроны, в отличие от других клеток организма, не делятся? Специализация нейронной структуры, выражающая ее операционные свойства, определяется системой внешних связей нейронов и специфическим пространственным распределением эффективности синапсов этой структуры. Нейронные структуры формируются эволюционным процессом и прижизненным обучением. Сохранение специализированной нейронной структуры означает сохранение памяти и функциональных свойств. Если бы нейроны делились как обычные клетки, то сохранение специализированной нейронной структуры было бы невозможным. При делении клетки наследуется только внутриклеточная организация, но не межклеточная коммуникация. Следовательно, при каждом делении нейронов разрушались бы специализированные нейронные структуры, в которых выражен эволюционный и прижизненный опыт организма. 42 Открытое образование • 1/2009 6. Природа субъективного восприятия Рецепторы сенсорных систем регистрируют световую или звуковую энергию, давление, температуру и другие физические или химические воздействия и более ничего. Цвет, запах, прикосновение, теплое, кислое, соленое – все это биологические интерпретации физических и химических воздействий, обладающих адаптивной ценностью и основанных на эволюционном и прижизненном опыте организма. Биологические интерпретации (сенсорные и моторные категории) выражают специфические характеристики взаимодействия организма с предметным миром: твердый, мягкий, жидкий, сухой, липкий, острый, темный, светлый, близкий, далекий, горький, сладкий и т. п. Эти категории выражают субъективные переживания (психические качества), которые составляют содержательный аспект восприятия и определяют взаимодействие организма с окружающей средой. Отбор сенсорных признаков сколь угодно сложного физического события начинается на уровне рецепторов и завершается ощущением, образом или простым символьным отображением в коре головного мозга. Например, динамика пакета электромагнитных волн определенного спектра частот представляет собой чрезвычайно сложный физический процесс, тем не менее, он воспринимается просто как световая вспыш- Наука и образование ка определенного цвета. Цвет является обобщенной характеристикой спектрального состава потока электромагнитных волн. Тепло и холод, ощущаемые организмом, являются простыми отображениями термодинамического состояния среды, объекта или собственного тела. Простые субъективные характеристики сложных физических явлений окружающего мира обладают высокой адаптивной ценностью, поскольку позволяют организму быстро и адекватно реагировать на события в окружающей среде. Способность биологических структур порождать субъективные качества (психические феномены) возникла в процессе эволюции и закрепилась естественным отбором в силу высокой эффективности такого способа отображения окружающего мира. Восприятие порождает хотя и субъективные, но адекватные в адаптивном смысле образы реального мира. Субъективные образы и сцены соответствуют реальному миру в той мере, в какой позволяют организму правильно ориентироваться и целесообразно действовать в окружающей среде. Субъективные образы порождаются аппаратом восприятия. Поэтому сенсорный образ – это проекция данных, хранящихся в памяти, на окружающий мир, инициированная сенсорным входом. Символьное описание окружающего мира доминирует в человеческой психике, и человек способен воспринимать, прежде всего то, что входит в это описание. Мы видим в окружающем предметном мире преимущественно то и так, что и как мы знаем. Это фундаментальное свойство восприятия проявляется известным психическим феноменом проекции. Этот феномен состоит в бессознательном перенесении субъектом своих собственных представлений на окружающий мир, приписывании ему свойств, характеристик, значений и смыслов, которые являются содержанием собственного внутреннего мира субъекта. Эволюционно обусловленной целью восприятия является адаптация организма к условиям окружающей среды, и мы способны познавать реальный мир лишь так и настолько, как и насколько позволяют это адаптивные функции восприятия. Именно в этом смысле наше восприятие и наше знание о мире являются субъективными. Сенсорные и моторные категории представляют собой характеристики взаимодействия организма с окружающей средой, которые определяются Открытое образование • 1/2009 его видовой принадлежностью и индивидуальным опытом. Объемлющие сенсорные характеристики могут быть сколь угодно далеки от наиболее существенных свойств реального физического мира, которые организму неизвестны. Но объемлющие характеристики выражают те специфические свойства окружающей среды, которые важны для взаимодействия этого организма с предметным миром. Модель объемлющих характеристик не оставляет никакого философского выбора: в реальном мире нет образов и сцен, которые мы видим. Ощущения, образы и сцены – это субъективные отображения реального мира. Наше восприятие дает всего лишь одну из бесконечного множества возможных интерпретаций реального мира, которое составляет наше субъективное восприятие. Другие организмы, имеющие иную структуру, потребности и сенсорные органы, могут воспринимать в это же время и в этом же месте совершенно иные субъективные миры. Тем не менее, все эти субъективные миры адекватны реальности в адаптивном смысле. Именно эти субъективные миры являются биологическими нишами, которые позволяют организмам эффективно действовать и процветать в реальной окружающей среде. Как соотносятся психическое и физиологическое в субъективном восприятии? Объемлющая характеристика выражает некоторое сенсорное качество и отображается специфическим паттерном электрической активности определенной нейронной структуры мозга. Паттерн электрической активности формируется на завершающем этапе протекания чрезвычайно сложной связанной совокупности микропроцессов и является системным продуктом данной нейронной структуры в данный момент времени. В такой модели физиологические и психические процессы не тождественны и не протекают параллельно. Психическая характеристика возникает только на стадии завершения связанной совокупности физиологических микропроцессов, формирующих специфический паттерн электрической активности данной нейронной структуры мозга, и выражает его адаптивный (биологический, когнитивный или социальный) смысл. Психическое не является эпифеноменом нейронных процессов. Напротив, психическое выражает смысл системного продукта сложных нейрофизиологических процессов. Психический аспект восприятия – это содержательный аспект, который определяет поведение организма и 43 Наука и образование его взаимодействие с окружающей средой. В модели объемлющих характеристик морфологическая субстанция (данная нейронная структура), физиологические феномены (специфические паттерны электрической активности) и психические феномены (сенсорные объекты) являются различными описаниями единой системы восприятия. Объемлющая характеристика имеет материальный носитель, – специфический паттерн электрической активности и поэтому может оказывать влияние на физиологические процессы и морфологические структуры. Объемлющая характеристика, посредством обратных связей, может влиять на специфичность паттернов электрической активности нижележащих уровней обработки и на эффективность синаптической передачи в нейронных структурах, которые порождают эти паттерны. Обучение изменяет распределение эффективности синапсов в нейронных структурах и, тем самым, формирует ансамбли нейронов, отвечающие высокой активностью на определенные сенсорные объекты. Таким образом, биологические структуры порождают психические феномены, которые, в свою очередь, могут оказывать влияние на формирование этих структур. Биологическая и психическая природа организма оказываются неразрывно связанными причинно-следственными отношениями. Литература 1. Барабанщиков В.А. Системогенез чувственного восприятия. – М.: Инст. практич. психол., 2000. – 464 с. 2. Шифман Х. Р. Ощущение и восприятие. – С-Пб: Питер: Принт, 2003. – 924 с. 3. Рок И. Введение в зрительное восприятие. – М.: Педагогика, 1980. – 563. 4. Величковский Б. М. Современная психология. – М.: МГУ, 1982. – 336 с. 5. Николлс Дж. Г., Мартин А. Р., Валлас Б. Дж., Фукс П. А. От нейрона к мозгу. – М.: УРСС, 2003. – 671 с. 6. Иваницкий А.М. Физиология мозга о происхождении субъективного мира человека // Журнал высшей нервной деятельности. – 1999. – Т. 49. – №. 5. – С. 707-713. 7. Сергин В.Я. Перцептивное связывание сенсорных событий: гипотеза объемлющих характеристик // Журнал высшей нервной деятельности. – 2002. – Т. – 52. - № 6. – С. 645-655. 8. Сергин В.Я. Биологически правдоподобная модель зрительного восприятия: иерархия объемлющих сенсорных характеристик // IX Всеросс. научн.-технич. конференция «Нейроинформатика-2007»: Лекции по нейроинформатике. МИФИ. – М., 2007. Часть 2. – С. 77-120. 9. Sergin A.V., Sergin V.Ya. Model of perception: The hierarchy of inclusive sensory characteristics and top-down cascade transfer of excitation // Neural Network World. – 2008. – Vol. 18. – No. 3. – P. 227-244. 10. Сергин В.Я. Сознание как система внутреннего видения // Журнал высшей нервной деятельности. – 1994. – Т. 44. – № 4- 5. – С. 627-639. ОТ ПРЕСЛОВУТОГО «СИСТЕМНОГО ПОДХОДА» – К КОНСТРУКТИВНОЙ ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОЗНАНИЯ Ю.И. Шемакин, проф. почетный член РАЕН, д. т. н., проф.-консульт. Тел.: (495) 436-02-17; E-Mail: isgs@ur.rags.ru Консультативно- методический центр Российской академии государственной службы при Президенте РФ http://www.rags.ru The system forming role of the knowledge and information, substance and energy in the knowledge theory is defined based on semantic ontology of the reality’s system arrangement. The difference between natural and artificial systems is specified on the semantic level. Matrix of fundamental functions is represented in the annexes to the Universe existence. 44 Открытое образование • 1/2009
