Чувствительность и пороги чувствительности

Решение психофизической проблемы – отношения психики и физического мира – начинается с определения границы между психическими и физическими явлениями, т. е. в какой момент в структуре мира происходит качественный скачок и возникает то, что мы называем психикой. С постановкой этого вопроса связано возникновение научной психологии и ее основополагающего раздела – психофизики.

В 1860 г. была опубликована работа немецкого ученого – физика, математика, психолога и философа – Густава Теодора Фехнера «Основы психофизики». Этой публикацией было положено начало науке психологии, науке со своим предметом исследования и методами, среди которых главным является эксперимент. До Фехнера психология была набором умозрительных спекуляций. В конце XVIII в. Кант утверждал, что невозможно построить науку психологию, такую же точную, как физика или химия, во-первых, потому, что в психологии принципиально неприменима математика, во-вторых, потому, что никогда невозможно будет заставить человека вести себя так, как нужно психологу (т. е. невозможно применять в психологии эксперимент как метод исследования). Такое положение дел можно объяснить тем, что психология не могла найти свой предмет. Пытаясь заниматься тем, что мы сегодня называем высшими психическими процессами и функциями, психологи того времени не могли найти основу своих исследований, нащупать научную почву под ногами и поэтому вынужденно вязли в трясине квазинаучных спекуляций. Кроме того, здоровую конкуренцию создавало бурное развитие естественных наук. Казалось, еще немного – и очередной Базаров разрежет очередную лягушку и наконец обнаружит душу (что психология, по определению, пытается исследовать душу, признавали почти все). Это по меньшей мере лишало психологию социального заказа.

Фехнер, будучи пантеистом, считал, что материальное и идеальное – это две стороны единого целого. Он задался целью выяснить, где проходит граница между материальным и идеальным. Фехнер подошел к этой проблеме как естествоиспытатель. Процесс создания психического образа он представил схемой, изображенной на рис. 15.

Рис. 15. Процесс создания психического образа

Схема, предложенная Фехнером, почти повторяет рассмотренную выше схему процесса восприятия, которую используют современные психофизики. Самым главным в идее Фехнера было то, что он впервые включил элементарные ощущения в круг интересов психологии. До Фехнера считали, что исследованием ощущений, если это кому-нибудь интересно, должны заниматься физиологи, врачи, даже физики, но только не психологи. Для психологов это слишком примитивно. Искомая граница проходит там, где начинается ощущение, т. е. возникает первый психический процесс. Величину стимула, при которой начинается ощущение, Фехнер назвал нижним абсолютным порогом. Для определения этого порога им были разработаны методы, до сих пор активно используемые в психологических экспериментах. В методологическую основу своих исследований Фехнер положил два утверждения, называемые первой и второй парадигмой классической психофизики.

1. Сенсорная система человека – это измерительный прибор, который соответствующим образом реагирует на воздействующие физические стимулы.

2. Психофизические характеристики у людей распределены по нормальному закону, т. е. случайным образом отличаются от какой-то средней величины, аналогично антропометрическим характеристикам.

Из первого утверждения вытекает требование организовывать психофизический эксперимент таким образом, чтобы исключить влияние на его результаты всех психических систем, кроме сенсорной. Второе утверждение позволяет проводить исследования на небольшом количестве испытуемых и распространять выводы на всю генеральную совокупность – все население Земли. Эти два постулата очень упрощенно представляли изучаемую проблему, но это упрощение помогло начать экспериментальные исследования и получить значительные результаты. Сегодня мы понимаем, что обе эти парадигмы уже устарели. Первая противоречит принципу активности целостной психики, кроме того, оказалось, что невозможно выделить и исследовать в эксперименте одну, даже самую примитивную, психическую систему из целостной структуры человеческой психики. Несостоятельность второй парадигмы частично следует из несостоятельности первой – активизация в психофизическом эксперименте всех психических систем от самых низших до самых высших приводит к очень большому разнообразию реакций испытуемых, следовательно, к разнообразию их психофизических характеристик, что позволяет сегодня говорить о необходимости создания дифференциальной психофизики, т. е. психофизики, в которой декларируется индивидуальный подход к каждому испытуемому в эксперименте.

Кроме того, Фехнер считал, что человек не может непосредственно оценивать свои ощущения количественно, поэтому он разработал «косвенные» методы, с помощью которых можно количественно представить отношения между величиной раздражителя (стимула) и интенсивностью вызванного им ощущения. Рассмотрим измерение психофизических порогов на примере метода минимальных изменений (см. рис. 16).

Предположим, нас интересует величина звукового сигнала, начиная с которой испытуемый может его слышать, т. е. мы должны определить нижний абсолютный порог громкости. Измерение методом минимальных изменений проводится следующим образом. Испытуемому дается инструкция говорить «да», если он сигнал слышит, и «нет», – если не слышит. Сначала испытуемому предъявляется стимул, который он явно может расслышать (St₁). Затем при каждом предъявлении, при использовании схемы нисходящей стимуляции, величина стимула уменьшается.

Рис. 16. Измерение психофизических порогов:

а – нисходящая стимуляция; б– восходящая стимуляция

Эта процедура проводится до тех пор, пока не изменятся ответы испытуемого. Например, вместо «да» он может сказать «нет» или «вроде бы нет» и т. д. Величина стимула, при которой изменяются ответы испытуемого, соответствует порогу исчезновения ощущения (Р₁). На втором этапе измерения в первом предъявлении испытуемому предлагается стимул, который он никак не может слышать (St₂). Затем на каждом шаге величина стимула возрастает до тех пор, пока ответы испытуемого перейдут от «нет» к «да» или «может быть, да». Это значение стимула соответствует порогу появления ощущения (Р₂). Но порог исчезновения ощущения редко бывает равен порогу появления. Причем возможны два случая:

1. Р₁»Р₂ (рис. 16, а).

2. P₁«P₂ (рис. 16, б).

Абсолютный порог равен среднеарифметическому порогов появления и исчезновения: S_tp = (P₁ + P₂) / 2

Аналогичным способом определяется верхний абсолютный порог – значение стимула, при котором он перестает восприниматься адекватно. Верхний абсолютный порог иногда называют болевым порогом, потому что при соответствующих ему величинах стимулов мы испытываем боль – резь в глазах при слишком ярком свете, боль в ушах при слишком громком звуке.

Неравенство порогов исчезновения и появления можно объяснить «ошибкой ожидания» (см. рис. 16, а) или «ошибкой привыкания» (см. рис. 16, б). «Ошибка ожидания» заключается в том, что испытуемый, догадываясь о предстоящем появлении (исчезновении) ощущения, меняет характер ответов, не дождавшись подлинного появления (исчезновения). При «ошибке привыкания» испытуемый «привыкает» давать ответ определенного типа и не изменяет характер ответа даже при явном появлении (исчезновении) ощущения. Оба случая не могут быть объяснены в рамках парадигм классической психофизики, и поэтому они считались артефактами эксперимента, т. е. следствием неконтролируемых факторов, не имеющих отношения к решаемой задаче.

Абсолютные пороги – верхний и нижний – определяют границы доступного нашему восприятию окружающего мира. По аналогии с измерительным прибором абсолютные пороги определяют диапазон измерений сенсорной системы, но, кроме доступного диапазона измерений, работу прибора характеризует его точность, или чувствительность. Аналогом чувствительности прибора в сенсорной системе служит разностный порог. Этот порог равен величине, на которую нужно изменить значение стимула, чтобы испытуемый заметил изменение в своих ощущениях.

Для определения разностного порога можно применить метод минимальных изменений, но при этом в эксперимент вводится эталонный стимул. Испытуемому дается инструкция говорить «да», если он ощущает различие между эталонным и переменным стимулами, и говорить «нет», если ощущение различия пропадает. Введение эталонного стимула делает процедуру измерения разностного порога более громоздкой по сравнению с измерением абсолютного порога. На первом этапе устанавливают значение переменного стимула заведомо больше эталонного. Описанным выше способом определяют верхний порог исчезновения различия Р_1в и верхний порог появления различия Р_2в. Затем вычисляют верхний дифференциальный порог – значение стимула, при котором появляется изменение в ощущении эталонного стимула: Р_в = (Р_1в + Р_2в) / 2, и верхний разностный порог: р_в = Р_в – S, где S – значение эталонного стимула.

Смысл разностного порога понятен из его названия. Затем устанавливают значение переменного стимула заведомо ниже эталонного и аналогичным образом определяют нижний дифференциальный порог Р_н и нижний разностный порог р_н. Разность между верхним и нижним дифференциальными порогами определяет интервал неопределенности (Р_в – Р_н), т. е. область изменений величины стимула, которые не замечаются испытуемым. Половина интервала неопределенности: р = (Р_в – Р_н) / 2, называется средним разностным порогом. Средний разностный порог характеризует разрешающую способность сенсорной системы. Далее вычисляют точку субъективного равенства: р = (Р_в – Р_н) / 2.

Точка субъективного равенства является образом эталонного стимула в сенсорном пространстве, ее значение показывает, насколько точно испытуемый оценивает эталонный стимул. Если верхний и нижний разностные пороги равны, что соответствует симметричному относительно эталонного стимула интервалу неопределенности, то точка субъективного равенства совпадает с величиной эталонного стимула. Если значение точки субъективного равенства больше значения эталонного стимула, значит, испытуемый переоценивает эталонный стимул, если меньше – недооценивает.

Введение понятия порога и разработка методов его количественной оценки было очень продуктивным и в построении теоретических моделей психики, и в практических приложениях. Например, выяснили, что высоту звука мы воспринимаем в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Значения порогов определены для всех модальностей. Это позволяет, например, конструировать аудио-, видеоаппаратуру с характеристиками, оптимальными для использования потребителями, диагностировать многие заболевания (болезни вызывают резкие изменения пороговых величин ощущений различных модальностей) и т. д. Но, несмотря на эти и другие успехи, со времен Фехнера и до настоящего времени оспаривается само существование порога как психологического явления.

Существует так называемая пороговая проблема. Порог складывается из двух составляющих. Первая, физиологическая, часть порога возражений не вызывает. Действительно, для возбуждения нервного процесса необходима вполне определенная величина раздражителя, которая зависит от свойств нервной системы. Следовательно, ее вариации такие же, как и у других физиологических характеристик. Но вторая, психологическая, составляющая порождает пороговую проблему. Ее величина (а значит, и общее значение порога) настолько изменчива даже у одного и того же испытуемого, что это вызывает сомнения в целесообразности использования понятия порога в психологических построениях. Кроме того, существует много экспериментальных фактов, которые невозможно объяснить в рамках пороговых теорий. Самым известным из них является «ложная тревога» – случай, когда испытуемый дает положительную реакцию на «пустую пробу», т. е. при отсутствии стимула. Одной из попыток решить проблему «ложной тревоги» была высокопороговая теория Блэквела.

Блэквел постулировал наличие высокого порога. Явление «ложной тревоги» он объяснял попытками испытуемых угадывать, т. е. поведенческими, а не сенсорными факторами. Он рассуждал так. Испытуемый дает положительный ответ или когда у него действительно появилось ощущение от воздействия стимула (согласно постулату Блэквела в этом случае величина стимула должна превышать пороговое значение), или когда он пытается угадать правильный ответ. Следовательно, вероятность положительного ответа (Р) будет равна сумме вероятности истинного обнаружения стимула (Р_и) и вероятности угадывания (Р_уг): Р = Р_и + Р_уг.

Вероятность того, что величина предъявленного стимула была ниже пороговой, равна (1 – Р_и), так как, по Блэквелу, вероятность появления стимула, величина которого выше порогового значения, совпадает с вероятностью истинного обнаружения Р_и. Угадывание происходит в случае, когда одновременно проявляется эффект «ложной тревоги» и появляется нижепороговый стимул, следовательно,

Р_уг = Р_лт (1 – Р_и),

где Р_лт – вероятность «ложной тревоги».

Подставив Р_уг в исходную формулу, получим: Р = Р_и + Р_лт (1 – Р_и).

Из этого соотношения определяем истинную вероятность правильного ответа: Р_и = (Р – Р_лт) / (1 – Р_лт)

Эта формула называется формулой поправки на случайный успех, при этом значения Р и Р_лт оцениваются непосредственно в эксперименте.

Примером объяснения работы сенсорной системы без использования понятия порогов может служить применение в психофизике разработанной в радиотехнике теории обнаружения сигналов. Сторонники этого подхода считают, что в околопороговой области возбуждения, вызванные сигналом, пересекаются с внутренним шумом нервной системы. Если уровень сигнала ниже уровня шума, то не воспринимается ощущение, вызванное именно сигналом. Если же сигнал сравним по величине с шумом или превышает его, то появление ощущения определяется степенью перекрытия распределений вероятностей сигнала и шума, в связи с чем меняется стратегия поведения испытуемого. Если испытуемый выбирает стратегию риска, то возрастают и вероятность обнаружения стимула, и вероятность «ложной тревоги». Если испытуемый предпочитает работать осторожно, то вместе с уменьшением вероятности «ложной тревоги» уменьшается вероятность обнаружения. Таким образом, в теории обнаружения сигналов «ложная тревога» из досадной помехи превращается в одну из основных характеристик работы испытуемого. Функциональная связь между вероятностью «ложной тревоги» и вероятностью обнаружения сигнала (эта связь называется рабочей характеристикой приемника – РХП) полностью описывает работу испытуемого в психофизическом эксперименте.

И противники, и сторонники пороговых теорий сходятся в том, что независимо от теоретической целесообразности понятия порога его можно использовать в практических приложениях. Поэтому в качестве компромисса было принято операциональное определение порога: «Порогом называется величина стимула, при которой испытуемый начинает действовать согласно инструкции с заданной вероятностью». Поясним это определение на примере применения метода постоянных раздражителей (метода констант) для оценки величин абсолютного и разностного порогов.

Диапазон изменений величины стимула, перекрывающий пороговую область (оценить примерно пороговую область можно в предварительном исследовании), разбивают на несколько частей, как правило, на 7 или 8. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 – значения стимулов, которые соответствуют границам поддиапазонов. Для каждого такого значения оценивают экспериментальным путем вероятности положительных ответов. Очевидно, что чем больше величина стимула, тем выше вероятность его обнаружения. В околопороговой области эта вероятность подчиняется нормальному закону распределения. Строят кривую распределения вероятностей. На рис. 17 приведен такой график.

Рис. 17. Зависимость вероятности обнаружения от величины стимула в околопороговой области

По оси абсцисс отложены значения используемых стимулов, по оси ординат – соответствующие вероятности положительных ответов. Чтобы оценить величину абсолютного операционального порога, необходимо задать требуемую вероятность положительных ответов испытуемых. Чаще всего используют 50 %-ный и 75 %-ный пороги, т. е. значения стимулов, при которых испытуемые его обнаруживают в 50 % или 75 % случаев соответственно. Для оценки величины разностного порога используют среднеквадратичное отклонение полученного распределения или иногда просто разность между 75 %-ным и 50 %-ным порогами.

Психофизика как наука получила свое начало с определения понятия и оценки величин сенсорных порогов. Сегодня та часть психофизики, которая занимается исследованиями в этой области, называется психофизика-1 или пороговая психофизика.