Общая характеристика анализаторов человека

Изменение условий окружающей среды и состояние внутренней среды человека воспринимается нервной системой, которая регулирует процессы жизнедеятельности так, чтобы это не привело к ухудшению здоровья, повреждениям или гибели организма. Нервная система человека включает центральную нервную систему (ЦНС), в которую входят головной и спинной мозг, периферическую, состоящую из нервных волокон и узлов. В зависимости от выполняемых функций различают соматическую, нервную систему и вегетативную. Соматическая отвечает за работу кожи, костей, суставов, мышц, а вегетативная регулирует действие внутренних органов.

Связь с окружающей средой осуществляется с помощью анализаторов, которые воспринимают и передают информацию в кору больших полушарий. Система анализаторов выполняет защитные функции. Она отличается совершенством, но в то же время имеет определенные пределы функционирования. Анализаторы, которые воспринимают изменение факторов внешней среды, называются экстероцепторы. Интероцепторы реагируют на изменения в организме человека (органическая чувствительность). Анализатор состоит из рецептора, проводящих путей и мозгового конца. Рецептор является как бы датчиком. У человека существуют рецепторы, реагирующие на электромагнитные и механические колебания, внешние воздействия, изменение барометрического давления и положение тела, на воздействие химических веществ, вкусовые и обонятельные рецепторы.

Особую группу составляют болевые рецепторы. Рецептор воспринимает информацию, которая кодируется в нервных импульсах и по проводящим путям передается в центральные отделы соответствующих анализаторов. Мозговой конец анализатора состоит из ядра и рассеянных по коре головного мозга элементов, обеспечивающих нервные связи между различными анализаторами. В одних случаях информация передается непосредственно на исполнительные органы. Например, коснувшись горячей поверхности, человек отдергивает руку (безусловные рефлексы). В других случаях анализ информации осуществляется в отделах ЦНС, и реакция человека зависит от его опыта и обучения (условные рефлексы). Между рецептором и мозговым концом существует двухсторонняя связь, обеспечивающая саморегуляцию анализатора. Основной характеристикой анализатора является чувствительность. Для того, чтобы возникло ощущение, интенсивность раздражителя должна достичь некоторой определенной величины. Напротив, всякое воздействие, превышающее по интенсивности некоторый предел, нарушает деятельность анализатора.

Интервал от минимальной до максимально, ощущаемой величины определяет диапазон чувствительности анализатора. Минимальную величину называют нижним абсолютным порогом чувствительности, а максимальную — верхним. Абсолютные пороги чувствительности измеряют интенсивностью раздражителя. Минимальная разность между интенсивностями двух раздражителей, которая вызывает едва заметное различие ощущений, оценивается дифференциальным порогом, или порогом различения. Время, проходящее от начала воздействия раздражителя до появления ощущения, называется латентным периодом. Установлено, что величина ощущения изменяется медленнее, чем сила раздражителя, а степень восприятия оценивается относительной величиной.

Дифференциальная чувствительность выражается дробью Вебера (1346 г.): , где — приращение интенсивности; — первоначальная интенсивность. Например, если горят 10 свечей, то добавление только одной вызывает замечаемое различие освещенности. Однако, если зажжено 100 свечей, то, чтобы получить воспринимаемое различие в освещенности, нужно добавить уже 10 свечей и т.д. Считая, что количество свечей пропорционально интенсивности (силе) света, вышеизложенное рассуждение выражается дробью: 1/10 = 10/100 = 100/1000 = 0,1.

В 1860 г. Фехтнер математически выразил положение, выдвинутое Вебером с учетом особенностей процессов ощущения человека.

Психофизиологический закон Вебера-Фехтнера формулируется следующим образом: уровень ощущения L пропорционален логарифму относительной величины интенсивности J раздражителя

, (2.1)

где — интенсивность на нижнем пороге чувствительности.

Величины порогов не являются стабильными, а зависят от многих факторов.

Таким образом, кривая зависимости чувствительности от величины раздражителя представляет собой логарифмическую функцию (рис. 2.1).

Из графика видно, что при малых значениях аргумента крутизна подъема логарифмической кривой велика, но по мере увеличения аргумента степень крутизны уменьшается.

	lgJ

Рис. 2.1. График логарифмической функции

 

Таким образом, из закона Вебера-Фехтнера вытекает два важных вывода: во-первых, в диапазоне чувствительности анализатора степень чувствительности определяется относительной величиной, то есть отношением интенсивности к интенсивности на нижнем пороге чувствительности, и, во-вторых, чувствительность анализатора увеличивается при слабых раздражителях и автоматически загрубляется при действии мощных раздражителей. В результате последнего обеспечивается самозащита анализатора и человека.

Закон Вебера-Фехтнера лишь в первом приближении моделирует сложный физиологический процесс ощущения.

 

Зрительный анализатор

С помощью зрения человек получает подавляющую часть информации, поступающей из окружающей среды. Человеческий глаз — уникальный приемник, преобразующий энергию оптических излучений в зрительное ощущение. Свет попадает в глаз через зрачок и фокусируется хрусталиком на сетчатку — внутреннюю светочувствительную поверхность глаза. Сетчатка состоит из большого количества светочувствительных клеток: полочек и колбочек, которые через зрительный нерв связаны с мозгом.

Человек воспринимает видимую часть оптического участка спектра электромагнитных излучений с длиной волны λ = 380...780 Нм (1 нанометр равен 10^–9 м).

Глаз человека непосредственно реагирует на яркость L светящегося тела или яркость поверхности, которая освещается источником света.

Применительно к работе зрительного аппарата фактическая зависимость зрительного ощущения от яркости более сложна, чем предписывается законом Вебера-Фехтнера, который для световых излучений выполняется в узком диапазоне значений силы света. Поэтому принято оценивать световые излучения не в относительных логарифмических единицах, а в абсолютных единицах силы света и освещенности, от которых зависит яркость.

Глаз избирательно реагирует на спектральный состав падающего потока излучения, причем цветность воспринимается колбочковым аппаратом глаза.

Равные по световой мощности лучистые потоки, различающиеся друг от друга длиной волны излучения (цветом), вызывают в глазу неодинаковые по интенсивности излучения.

На рис. 2.2 показаны кривые относительной спектральной чувствительности глаза К_λ при дневном (1) и ночном (2) зрении. Относительная спектральная чувствительность глаза К_λ равна отношению спектральной чувствительности глаза q_λ к однородному излучению с длиной волны λ к максимальному ее значению q_max для излучения с длиной волны λ = 555 Нм (при дневном зрении).

Инфракрасное излучение

400 500 600 700 λ, Нм

Рис. 2.2. Кривые относительной видности излучения

 

Из рис. 2.2 видно, что по мере приближения к границам видимого спектра чувствительность глаза падает. Наиболее видимый при дневном зрении является желто-зеленое излучение с длиной волны λ = 555 Нм. Видность синего излучения относительно желто-зеленого составляет 0,06, а красного — 0,10. При ночном зрении наиболее видимым является голубое излучение.

При значительных яркостях, соответствующих дневным условиям освещения, работает колбочковый аппарат, а при малых яркостях объектов в условиях ночного зрения — полочковый аппарат. В переходной период работают оба аппарата глаза (сумеречное зрение).

При переходе от высоких яркостей к темноте процесс адаптации происходит медленно и заканчивается за 1,0...1,5 ч. Обратный процесс идет быстрее и длится 5...10 мин. Инерция зрения находится в пределах 0,1...0,3 с.

Работа глаза характеризуется несколькими показателями. Способность различать предметы по яркостному контрасту называется контрастной чувствительностью глаза. Она определяется в зависимости от яркости объекта L_о и фона L_ф

(2.2)

Наименьший различимый глазом контраст называется пороговым контрастом (К_пср = 0,01). Острота зрения характеризуется минимальным углом β, под которым две точки видны как раздельные (для нормального зрения β_min = 1°). Поле зрения охватывает в горизонтальном направлении 120...160°, по вертикали вверх — 55...60°, а вниз — 65...72°. Глубинное зрение связано с восприятием пространства. Ошибка оценки абсолютной удаленности на расстоянии до 30 м равна в среднем 12% общего расстояния.

Эти характеристики тесно связаны между собой и определяют качество зрения.

Слуховой анализатор

Слуховая система человека включает наружное, среднее, внутреннее ухо, слуховой нерв и центральные слуховые пути. В состав наружного уха входит ушная раковина, выполняющая функции концентратора звука, и наружный слуховой канал. Он отделяется от среднего уха барабанной перепонкой, колебания которой передаются через систему трех косточек во внутреннее ухо. Здесь звук воздействует на чувствительные нервные окончания, реагирующие каждое на колебания определенной частоты. Из внутреннего уха слуховой нерв выходит через внутренний слуховой проход в мозг. Механические колебания преобразуются в органе слуха в электрические потенциалы.

Основными параметрами звуковых волн являются интенсивность и частота колебаний, которые субъективно в слуховых ощущениях воспринимаются как громкость и высота тона. По частоте область слуховых ощущений простирается от 20 до 20000 Гц.

Степень ощущения звука оценивается в относительных логарифмических единицах — децибелах (дБ).

Закон Вебера-Фехтнера для звука формулируется следующим образом: уровень ощущения звука L пропорционален десятикратному логарифму интенсивности, отнесенной к интенсивности на пороге слышимости. Интенсивность звука в свою очередь пропорциональна квадрату звукового давления

(2.3)

где p ∙ c — произведение плотности среды ρ (кг/м³) на скорость звука в ней С (м/с), называемое удельным акустическим сопротивлением среды, кг/с∙м².

Для звуковой волны справедливо также соотношение

(2.4)

где — колебательная скорость частиц, м/с.

Закон Вебера-Фехтнера записывается следующим образом

(2.5)

где L — уровень интенсивности звука, который, при нормальных атмосферных условиях равен уровни звукового давления, дБ;

J∙p — действующие значение интенсивности (Вт/м²) и среднеквадратичного (среднего за период колебаний) звукового давления (Па);

J₀ — 10^–12 Вт/м², p₀ = 2∙10^–5 Па (Н/м²) — интенсивность звука и звуковое давление на пороге слышимости при частоте f = 1000 Гц.

Зона слышимости звука ограничена двумя кривыми (рис. 2.3): порогом слышимости (1) и порогом болевого ощущения (2).

Величина порога слышимости зависит от частоты звука. В области частот 1000...5000 Гц ухо имеет наибольшую чувствительность к звуку. По мере удаления от этой области вниз и вверх по частотной шкале чувствительность уха уменьшается. Порог болевого ощущения слабо зависит от частоты. Звуки, превышающие этот порог, могут вызвать повреждение или разрушение слухового аппарата. Уровень интенсивности звука на пороге слышимости равен 0 дБ, а на пороге болевого ощущения — 140 дБ.

Высота тона или частота воспринимается человеком также по логарифмическому закону. Человек одинаково реагирует не на абсолютные, а на относительные изменения частоты в определенное количество раз. Абсолютный дифференциальный порог при восприятии высоты тона составляет 2...3 Гц.

При одновременном воздействии двух близких по частоте тонов, имеющих различное звуковое давление, на слух воспринимается более сильный, а слабый тон им маскируется.

Определить направление звука возможно лишь при участии обоих органов слуха.