Научная новизна и теоретическая значимость

Проведено комплексное психофизиологическое исследование процессов узна-

вания и опознания лиц, учитывающее как психологический, так и психофизиологиче-

ский аспекты данных процессов.

Разработана эффективная экспериментальная методика выявления электрофи-

зиологических коррелятов процессов узнавания и опознания лиц на основе вызванных

потенциалов мозга и метода локализации дипольных источников.

В ходе диссертационного исследования разработан и апробирован принципи-

ально новый подход к анализу вызванной электрической активности головного мозга,

основанный на векторном представлении данных. В рамках данного подхода предло-

жен конкретный метод дискриминации ВП на предъявление знакомых и незнакомых

лиц. Предполагается, что данный подход можно успешно применить к анализу вы-

званных потенциалов любого типа.

В данной работе получены объективные психологические и психофизиологиче-

ские данные, показывающие, что процесс зрительного восприятия знакомых объектов,

в частности, лиц, предполагает наличие как когнитивной, так и эмоциональной со-

ставляющей, мозговой эквивалент которых представляет собой не локальную, а про-

странственно распределенную структуру.

Практическая значимость

Разработанный метод исследования и классификации вызванных потенциалов

на лица с помощью искусственных нейросетей представляется очень перспективным в

плане практического использования. Специально обученная нейросеть может служить

в качестве вспомогательного инструмента в клинической диагностике нарушений дея-

тельности головного мозга по вызванным потенциалам, например, при прозопагнозии.

Предложенный нейросетевой подход может также применяться для создания автома-

тизированной процедуры инструментального психофизиологического опроса (детек-

ция скрываемых знаний).

Апробация работы

Предварительные результаты исследования были представлены и обсуждены на

Всероссийской конференции по проблемам корпоративной безопасности (Тверь,

2005); межрегиональной юбилейной научно-практической конференции «XX Мерлин-

ские чтения», (Пермь, 2005). Некоторые методические подходы данного исследования

были затронуты в докладах на второй и третьей международных конференциях «Пси-

холого-педагогические проблемы одаренности: теория и практика». (Иркутск, 2001,

2003); третьем Всероссийском съезде психологов (Санкт-Петербург, 2003); Всерос-

сийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (Но-

восибирск, 2004); первой международной научно-практической конференции «Психо-

логия образования: проблемы и перспективы» (Москва, 2004); Всероссийской научной

конференции молодых ученых (Новосибирск, 2004); международной научно-

практической конференции (Иркутск, 2005). Представленные в работе результаты и

основные положения диссертации обсуждались на заседаниях кафедры общей психо-

логии факультета психологии Иркутского госпедуниверситета и на заседаниях кафед-

ры психофизиологии факультета психологии МГУ им. М.В. Ломоносова. По методам

и результатам диссертационного исследования опубликовано 13 печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы,

эмпирической части, включающей описание методики и результатов исследования,

обсуждения результатов, выводов, списка использованной литературы, приложения.

Основной текст диссертации изложен на 205 страницах и включает в себя 12 таблиц и

66 рисунков. Библиография содержит 443 источников, из них 291 на иностранных

языках.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая

значимость работы, формулируются цель и задачи исследования, описывается методо-

логическая основа, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Обзор литературы состоит из двух параграфов. В первом параграфе рассмат-

риваются основные теоретические подходы и экспериментальные исследования про-

цессов узнавания и опознания различных объектов в психологии и психофизике. Рас-

смотренные в этой части работы данные позволили сделать вывод о том, что узнава-

ние и опознание обеспечиваются сложной системой обработки зрительной информа-

ции, которая осуществляет как организованный анализ элементов перцептивного об-

раза, так и синтез этих элементов. Перцептивный процесс при узнавании, а в особен-

ности при опознании, субъективно переживается как одномоментное событие, однако,

на самом деле он состоит из стадий, каждая из которых соответствует определенной

стадии восприятия [Зинченко, 1997]. Литературные данные показали, что в общем виде

восприятие происходит по следующим, последовательно развертывающимся стадиям:

аморфная, недифференцированная оценка; выделение отдельных элементов объекта,

предварительная идентификация; окончательная идентификация [Кроль, 1995, 2005].

Существуют эффективные методики исследования микроструктуры восприятия, на-

пример методика тахистоскопического предъявления стимулов, которая положила на-

чало исследованию стадий восприятия [Величковский, 1973], [Bachmann, 1991],

[Dietrich, Theios, 1992], [Pietrowsky et al., 1996]. При этом отдельные элементы перцеп-

тивного образа выбираются зрительной системой не случайно, а соответствуют цело-

стным единицам восприятия [Капран, 1980] и зависит от контекста восприятия [Bar,

Ullman, 1996], [Calder et al., 2000], [Sadr et al., 2003].

Во втором параграфе литобзора проанализированы нейропсихологические,

нейрофизиологические и психофизиологические данные о связях мозговых структур с

процессами узнавания и опознания различных объектов. Анализ экспериментальных

данных, посвященных поиску областей мозга, связанных с процессами узнавания и

опознания различных объектов, в том числе лиц, показал, что в настоящее время нель-

зя однозначно ответить на вопрос, какие структуры мозга и каким образом обеспечи-

вают эти процессы. Так, наиболее часто обеспечение процессов узнавания и опознания

лиц связывают с нижневисочной корой [Kobatake, Tanaka, 1994], [Miyashita et al., 1991],

D.A. Leopold, I.V. Bondar и M.A. Giese M.A. [2006], миндалиной [Rolls, 1984], [Baylis

et al., 1985], затылочно-височной (фузиформной извилиной) [Kanwisher, McDermott,

and Chun, 1997], [Henson, Shallice, Dolan, 2000], префронтальной корой [Courtney et al.,

1996], [Klingberg et al., 1997], [Belger et al., 1998], [Petrides et al., 1993]. Существует также

другая, имеющая экспериментальное обоснование, точка зрения, согласно которой

объектная специфичность мозговых структур отсутствует [Gauthier et al., 2000, 2003].

Далее, в главе «Обзор литературы», рассматриваются основные подходы к изу-

чению процессов опознания и узнавания с помощью электрофизиологических мето-

дов, в частности, метода ВП. Рассмотрены так называемые «когнитивные ВП» – яв-

ляющиеся ВП «общего типа», т.е., связанные со многими когнитивными (высшими)

мозговыми процессами: восприятием, памятью, вниманием и другими процессами.

Также рассмотрены «специализированные» позднелатентные ВП, специфичные толь-

ко для определенного типа объектов, например, лиц, слов и т.д. Проиллюстрировано

наличие специфичности ВП к фактору знакомости воспринимаемых объектов-лиц.

В конце главы «Обзор литературы» приводится обоснование выбранного

методического подхода. Исследования процессов узнавания и опознания, проведенные

с использованием метода ВП, привели к обнаружению множества компонентов, каж-

дый из которых обнаруживал специфичность по отношению к определенным незнако-

мым (узнаваемым) или знакомым (опознаваемым) объектам. Были описаны как ком-

поненты «универсального» типа, характерные, по мнению исследователей, для про-

цессов узнавания и опознания любых типов объектов, так и специфические компонен-

ты, чувствительные к определенному типу объектов, в частности, к лицам. Причем,

были описаны как компоненты ВП, связанные с узнаванием лиц, так и компоненты,

характерные для процесса опознания лиц. Несмотря на все преимущества метода ВП

(простота реализации, высокое разрешение по времени), неясной остается динамика

взаимодействия изучаемых мозговых структур, более того, оказывается затруднитель-

ным просто и надежно дифференцировать ВП, в зависимости от их типологической

принадлежности.

Основная проблема изучения процессов узнавания и опознания конкретных ти-

пов объектов, например, лиц, заключается также в сложности реализации адекватного

экспериментального сценария. Узнавание и опознание являются сложными процесса-

ми и сопряжены с протеканием в мозге множества разновременных и, вероятно, неко-

торых параллельных процессов. В связи с этим, исследование ранних этапов развер-

тывания процессов узнавания и опознания представляется более перспективным, по-

скольку тем самым снижается вероятность «размытия» изучаемых процессов.

Еще одна проблема, на которую обратили внимание исследователи, в частно-

сти, Э. Голдберг [2003], связана с «искусственностью» типичных экспериментов по

изучению когнитивных процессов. Дело в том, что большинство экспериментальных

ситуаций предполагают полный контроль над деятельностью испытуемых, кроме того,

часто используются весьма специфические, не характерные для опыта испытуемых,

стимулы. В этом смысле использование в качестве стимулов «обычных» фотографиче-

ских изображений лиц представляется более адекватным, поскольку приближает про-

цессы узнавания и опознания к естественным.

Глава «Методика» содержит описание испытуемых, стимулов, процедуры и

методов сбора и обработки данных, использованных для изучения психологических и

психофизиологических механизмов узнавания и опознания лиц.

Экспериментальное исследование состояло из психологической и психофизио-

логической части. Психологическая часть включала тахистоскопическое психофизи-

ческое исследование, а также исследование по субъективному шкалированию эмоцио-

нальных оценок знакомых стимулов-лиц.

В психофизических экспериментах с тахистоскопом приняли участие 7 чело-

век. В психологическом исследовании по эмоциональному оцениванию знакомых

стимулов участвовали 16 человек. В основных сериях психофизиологического экспе-

римента приняли участие 98 человек, из них в контрольных сериях эксперимента уча-

ствовали 12 человек. Процедура эксперимента с тахистоскопическим предъявлением

стимулов заключалась в следующем: испытуемому на экране компьютерного монито-

ра с помощью специальной программы предъявлялись черно-белые фотографические

изображения четырех категорий стимулов: 1. знакомые лица; 2. незнакомые лица; 3.

знакомые здания; 4. незнакомые здания. В данном эксперименте использовалось

шесть основных серий, отличающихся по времени предъявления. В каждой серии все

стимулы предъявлялись одинаковое время. Минимальное время предъявления тесто-

вых стимулов составляло 50 мс, максимальное – 300 мс. Шаг приращения времени

предъявления для каждой серии составлял 50 мс. Появлению тестовых стимулов

предшествовало фоновое поле однородного нейтрально-серого цвета средней яркости,

без точки фиксации, появляющееся на 1-2 секунды. Сразу после экспозиции тестового

стимула предъявлялось маскирующее изображение, которое представляло собой фо-

томозаику из случайным образом перемешанных фрагментов тестовых стимулов. Тес-

товые стимулы предъявлялись в равномерной псевдослучайной последовательности.

Для каждого времени предъявления (серии) использовалось 400 уникальных фотогра-

фических изображений, по 100 для каждой из четырех категорий стимулов. Всего в

данном эксперименте было использовано 100 х 4 категории х 6 серий = 2400 стимулов.

Такой сценарий эксперимента обеспечивал примерно 9% ошибку оценки вероятностей

правильного восприятия стимулов.

Суть психологического исследования по эмоциональному оцениванию знакомых

стимулов заключалась в проведении опроса испытуемых, которым предлагалось про-

извести субъективную оценку предъявленных стимулов (использовались стимулы из

серии «знакомые лица» электроэнцефалографического исследования). Оценка произ-

водилась испытуемыми самостоятельно по условной 20-ти балльной шкале от минус

10 до плюс 10. Крайняя отрицательная точка шкалы означала максимально неприятное

впечатление от предъявленного изображения, крайняя положительная точка – макси-

мально приятное впечатление от предъявленного стимула. Средняя нулевая точка

шкалы обозначала нейтральное, полностью безразличное отношение к увиденному

изображению. Испытуемых предварительно просили давать ответы быстро, не заду-

мываясь.

Психофизиологическая часть была представлена электрофизиологическим

исследованием с последующим выделением вызванных потенциалов мозга. Испытуе-

мому, сидящему в специальном кресле перед монитором компьютера, предъявлялись

стимулы; одновременно производилась запись скальповой электроэнцефалограммы

(ЭЭГ) от 21 отведения, размещенного согласно международной системе 10–20%. Кро-

ме того, для режекции артефактов одновременно производилась запись электрокар-

диограммы и окулограммы. Стимульный ряд в электроэнцефалографическом исследо-

вании состоял из двух последовательностей: одна серия («лица») состояла из фотогра-

фий знакомых и незнакомых испытуемому человеческих лиц, другая («слова») – из

изображений осмысленных слов и бессмысленных буквосочетаний (русского языка).

Все стимулы представляли собой черно-белые фотографические изображения со сле-

дующими параметрами: 256 градаций серого при разрешении 640х480 пикселов. Се-

рии следовали последовательно друг за другом с небольшим перерывом, равным при-

мерно 60 сек: сначала серия «лица», затем серия «слова». Общее количество предъяв-

ляемых стимулов составляло: для серии «лица» 177 стимулов, для серии «слова» 168

стимулов.

Длительность каждой из двух серий составляла около 90 сек. Подача стимуль-

ного ряда была организована таким образом, что вероятность появления на экране мо-

нитора значимого стимула в любой последовательности составляла около 20%. Фоно-

вый стимул представлял собой равномерное заполнение экрана монитора нейтрально-

серым цветом средней яркости. Точки фиксации на мониторе не было, однако, всех

испытуемых просили смотреть в центр экрана, по возможности избегая лишних глазо-

двигательных движений. Длительность предъявления стимулов в основном варианте

эксперимента составляла 500 мс. Продолжительность фонового стимула равнялась 16

мс. В эксперименте последовательность стимулов повторялась, и в результате вся сти-

муляция представляла из себя ряд чередований: стимул _______- фон - стимул – фон.

Контрольные эксперименты

Для проверки предположения, что полученные различия в ВП при предъявле-

нии фотографических изображений лиц вызваны особенностями функционирования

общих психофизиологических механизмов опознания и узнавания лиц, а не связаны с

конкретными стимулами, вызывающими сугубо специфические электрофизиологиче-

ские ответы, был проведен контрольный ксперимент, который состоял в предъявлении

трех серий стимулов. Первая стимульная серия являлась полным аналогом серии «ли-

ца» основного эксперимента. Во второй серии, в качестве знакомого лица (значимого

стимула), использовались другие фотографические изображения (фотографии совре-

менных политических деятелей). Третья серия была контрольной. В ней, в качестве

значимого стимула, предъявлялись фотографии заведомо неизвестных испытуемому

лиц. Предъявление осуществлялось по методике вероятностного предъявления стиму-

лов («odd-ball paradigm»), параметры вероятности появления значимых стимулов соот-

ветствовали экспериментальной серии «лица» (псевдослучайное предъявление стиму-

лов, среди которых вероятность появления значимого стимула составляла около 20%).

Все остальные параметры данных серий соответствовали параметрам серии «лица»

основной части эксперимента. Порядок предъявления серий чередовался. Длитель-

ность паузы между сериями дополнительного контрольного эксперимента составляла

около одной минуты.

Для контроля общего функционального состояния во время эксперимента, а

также для оценки некоторых параметров при анализе ВП, например, уровня шума

спонтанной ЭЭГ в отсутствие стимуляции, в начале, в середине (между сериями) и в

конце всех электроэнцефалографических экспериментов регистрировалась фоновая

ЭЭГ активность в течение одной минуты. Эта фоновая ЭЭГ, в частности, была исполь-

зована при получении «шумовых ВП» при статистическом анализе разностных ВП на

серию «лица». При регистрации фоновой ЭЭГ испытуемые находились в состоянии

спокойного бодрствования, с открытыми глазами.

Обработка полученных данных

По данным исследуемых ВП были рассчитаны координаты подвижных эквива-

лентных дипольных источников по 21-му отведению для однодипольной и двухди-

польной моделей. Использовался режим «лучшая модель» с выводом параметров тех

диполей, для которых коэффициент дипольности (КД) был равен или превышал уро-

вень 0,95. Все расчеты осуществлялись в программе BrainLoc.

Обработка результатов исследования при тахистопическом предъявлении изо-

бражений осуществлялась авторской программой по следующему алгоритму: после

подсчета числа правильных узнаваний и опознаний для каждой временной серии вы-

числялась вероятность опознания или узнавания для каждой из четырех категорий

стимулов (незнакомые лица, знакомые лица, незнакомые здания, знакомые здания).

Вероятность рассчитывалась для каждой временной серии как отношение правильно

узнанных или опознанных объектов к общему количеству предъявленных объектов

для данной временной серии.

Субъективные оценки эмоционального впечатления от предъявленных стиму-

лов по 20-балльной условной шкале, полученные в ходе опроса испытуемых, заноси-

лись в таблицу. Эти оценки далее сопоставлялись с данными, полученными в резуль-

тате электрофизиологического исследования.

Обработка электрофизиологических записей производилась после режекции

глазодвигательных и прочих артефактов. С целью уменьшения влияния помех полоса

частот ЭЭГ была ограничена диапазоном 1–30 Гц. Вызванные потенциалы (ВП) мозга

рассчитывались с помощью авторской программы по стандартной схеме когерентного

усреднения. Производилось раздельное усреднение ВП для каждой эксперименталь-

ной серии. Были получены ВП следующих основных типов:

1.) серия «лица», значимые стимулы; 2.) серия «лица», незначимые стимулы; 3.) разно-

стный ВП: серия «лица», (значимые стимулы) минус серия «лица», (незначимые сти-

мулы); 4.) серия «слова», значимые стимулы; 5.) серия «слова», незначимые стимулы;

6.) разностный ВП: серия «слова», (значимые стимулы) минус серия «слова», (незна-

чимые стимулы).

Имеющиеся данные по ВП на серию «лица» были использованы для обучения

нейросети Кохонена, с целью оценки конфигуративной схожести ВП. Далее, с учетом

полученных при формировании нейросетей Кохонена результатов, был проведен цикл

формирования нейросетей с различными параметрами, основанных на управляемом

обучении (обучении «с учителем»). В качестве входных данных для ИНС использова-

лись числовые отсчеты амплитуд ВП на знакомые и на незнакомые лица. Нейросети

обучались давать на выходе заранее известные значения принадлежности ВП к классу

«знакомые лица» или классу «незнакомые лица».

Глава «Результаты исследования» состоит из пяти параграфов. В первом па-

раграфе описываются результаты психологического исследования. Полученные ре-

зультаты свидетельствуют в пользу того, что процессы узнавания и опознания вклю-

чают ряд стадий, обозначенных следующим образом: 1. аморфное восприятие; 2. при-

близительная классификация; 3. окончательная классификация (идентификация). В

таблице 1 представлены усредненные по всем испытуемым результаты наблюдения

данных стадий в процентном соотношении. Указанные в таблице проценты получены

в результате подсчета количества стимулов, для которых была отмечена та или иная

стадия.

Таблица 1.

Стадии восприятия при тахистоскопическом предъявлении стимулов

Временная серия 50 мс 100

мс

мс

мс

мс

мс

Стадия Аморфное восприятие

Незнакомые лица 6% 0% 0% 0% 0% 0%

Знакомые лица 32% 6% 1% 0% 0% 0%

Незнакомые зда-

ния 22% 1% 0% 0% 0% 0%

Знакомые здания 48% 14% 2% 0% 0% 0%