МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЗРИТЕЛЬНО-МОТОРНОЙ КООРДИНАЦИИ

Андреева Е. А., Басыбекова К. Е., Вергилес Н. Ю.

Психологический журнал 1984, Том 5 № 6. С.86-92

   

  Проблема механизмов функционирования перцептивной системы непосредственно связана с вопросом методов исследования. Применение кибернетических концепций и методов к изучению биологических систем позволило по-новому понять принципы регуляции в них. Так, было показано, что процессы регуляции в живых системах, так же как и в технических, осуществляются на основе механизма обратной связи (Анохин П. К.). При этом адекватность отражения является главным требованием, которому подчиняется принцип обратной связи и соответствующие ему методы.

Самый простой способ исследования связей в системе — это их обрыв. Однако такой жесткий подход можно реализовать лишь по отношению к техническим системам. В живых же системах без нарушения анатомо-морфологической структуры непосредственное вмешательство невозможно. Тем более при обрыве связи в живой системе функционирование структур прекращается и тем самым изучение механизмов работы системы теряет свой смысл. И тем не менее, чтобы понять механизм регуляции системы, необходимо нарушить существующую связь, ввести рассогласование, но при этом сохранить функционирование структур системы. Возможно ли это? Да. В последнее время принцип рассогласования связей в системах с замкнутым контуром регулирования применяется достаточно широко для анализа работы глазодвигательной системы [7, 8]. Это возможно в силу того, что глазодвигательный аппарат наряду с внутренней имеет и внешнюю обратную связь и, применяя оптические системы, вносящие коррекцию и меняющие знак зрительной обратной связи, можно ввести рассогласование в зрительную систему и тем самым изучать механизм ее функционирования. Этот метод получил название метода оптической трансформации зрительной обратной связи. Интерес исследователей к использованию этого метода заключается в том, чтобы получить достаточно универсальные средства для анализа работы зрительной системы, для выяснения взаимозависимостей между чисто зрительным или сенсорным входом и глазодвигательной активностью.

В данной статье мы предлагаем теоретико-методическое обоснование применения метода оптической трансформации обратной связи для изучения не только интрамодальных, но и интермодальных отношений сенсорной организации человека, конкретно — для изучения механизмов регуляции зрительно-моторной координации. Этот метод теоретически 1 позволяет варьировать коэффициент обратной связи (Кобр) от — ∼ до + ∼, что дает широкие возможности исследования интересуемого явле-

 

1 На практике мы ограничиваем  варьированием Кобр в диапазоне от —1 до +1.

 

 


Стр.87

ния. При этом методе, во-первых, можно изменять величину обратной связи глазодвигательной системы, во-вторых, ее знак.

Изменение величины зрительной обратной связи опирается на данные физиологических исследований. Так, из физиологической литературы известно, что проекция стимула на сетчатке определяется углом между его позицией и оптической осью глаза. На этот угол и должен повернуться глаз, чтобы стимул спроецировался точно в фовеа. Те же отношения сохраняются в случае, когда перед глазом находятся оптические системы в виде очков с увеличивающей или уменьшающей оптикой. В этих случаях глаз движется относительно оптики.

 

 

 

Рис. 1. Схема изменения направления поворота глаза и смещения проекции объекта по сетчатке в зависимости от оптической системы. А — в нормальных условиях; В — при укреплении на глаз инвертирующей оптической системы. DE — объект фиксации, D'E' — проекция объекта после поворота глаза. Пунктирная стрелка—направление смещения проекции объекта по сетчатке, сплошная — направление поворота глаза

 

Совсем иное качество возникает, когда оптическая система с помощью центральной присоски прикреплена на глазное яблоко и поворачивается относительно объекта вместе с ним. В этом случае углы поворота и проекция стимула различны. Отношения этих углов будут совпадать по абсолютной величине с коэффициентом увеличения или уменьшения оптической системы. Изменяя силу оптической системы, представляющей собой микроскопический прибор, устанавливаемый на глаз с помощью центральной присоски, можно управлять и величиной обратной связи пропорционально этим значениям. При использовании такой оптики знак коэффициента обратной связи изменяться не будет.

Изменение же знака обратной связи основано на инверсии хода лучей через оптическую систему глаз. В нормальных условиях оптика глаза обеспечивает смещение проекции неподвижного объекта на сетчатке в сторону, противоположную движению глаза (отрицательная обратная связь). При инверсии проекционных отношений смещение проекции объекта по сетчатке и движение глаз совпадают, направлены в одну сторону, но не меняются по величине. В этих условиях знак обратной связи меняется на противоположный Кoбp = +1 (рис. 1).

Для оптической инверсии можно использовать как трапециевидную призму (рис. 2), так и систему двух положительных линз, заключенных в тубусный пенал (рис. 3). В случае применения призмы (в условиях контактной постановки призмы на глаз) система совершает поворот на 180° (Кoбр = + 1), что определяет критические условия функционирования, происходит резкое кардинальное нарушение работы системы, создается пограничная ситуация, изучение которой скорее показывает картину лишь этой пограничной ситуации, а не действительные механизмы.

Использование же системы линз позволяет в противоположность первому варианту проследить динамику перестройки в изучаемой системе. Это возможно благодаря тому, что в самой оптической системе заложена возможность варьирования фокусного расстояния, что позволяет постепенно изменять величину обратной связи, как положительной, так и отрицательной.

Казалось бы, поскольку только при инверсии, создающей ситуацию положительной обратной связи, возникает рассогласование системы и на этой основе возможность ее изучения, неправомерным или неадекватным оказывается исследование системы при ситуации отрицательной

 

 


Стр.88

обратной связи, т. е. в норме. Однако у нас нет уверенности в том, что именно при Кобр = 0 (заданном коэффициенте), т. е. когда фокусные расстояния обеих линз одинаковы, произойдет стабилизация образа, перестройка системы. Скорее только меняя коэффициент обратной связи в ту или иную сторону, мы можем определить коэффициент перестройки. И очевидно, для достижения стабилизации образа недостаточно оптической стабилизации, а необходимы какие-то иные параметры.

Следует также отметить, что такой способ варьирования коэффициента обратной связи предполагает возможность сравнения двух ситуаций — динамики нормы и нарушения, что определяет вариабельность метода.

 

 

 

 

Рис. 2                                                                                                                                               Рис. 3
Рис. 2. Схема, иллюстрирующая оптическую инверсию при использовании трапециевидной призмы. DE — объект, D'E' — проекция объекта на сетчатке; А —инвертирующая призма; В — глазная присоска
Рис. 3. Схема, иллюстрирующая оптическую инверсию при использовании системы линз. DE — объект; D'E' — проекция объекта на сетчатке; А — тубусный пенал; Б — короткофокусные положительные линзы; В — глазная присоска

Таким образом, за счет изменения расстояния между линзами или кривизны линз в предлагаемой оптической системе можно проследить динамику перестройки изучаемой системы и определить коэффициент перестройки.

Как уже отмечалось, возможность возникновения такого рода метода связана с развитием и реализацией принципа обратной связи как объективно существующей закономерности функционирования систем управления и связи, как основополагающего механизма поведения систем в исследовании процессов регуляции на уровне живого организма, И реализация этого принципа в методе изучения функционирования именно глазодвигательной системы определяется особенностями ее строения. С одной стороны, применение именно оптических систем соответствует физическому строению рецепторного звена зрительного анализатора, с другой стороны, только зрительный анализатор имеет непосредственную внешнюю обратную связь, которую можно рассогласовать, не применяя хирургического вмешательства. Ко всем другим сенсорным системам такой методический подход осуществить сложно. По крайней мере, пока еще не существует методик, способных удовлетворить основные требования к подобного рода исследованиям: изменение знака обратной связи, сохранность функции.

Зрение, являясь главным звеном сенсорной организации человека, состоящей из «зрительно-тактильно-кинестетической связи и оптико-вестибулярной установки» (Ананьев Б. Г.), соответственно тесно связан» с другими звеньями сенсорной организации человека. А те или иные возмущения, преобразования в одном звене всегда влекут за собой соответствующие изменения в другом звене системы. Следовательно, если предлагаемый нами методический подход нельзя применить к изучению отдельных звеньев единой сенсорной системы человека (кроме зрительного), то для изучения взаимосвязей этих звеньев, в частности глаза и руки, он адекватен. Изменяя сенсомоторные отношения в самой зрительной системе, мы тем самым нарушаем и ее межсистемные отношения (или внутрисистемные — если рассматривать сенсорную организа-

 

 


Стр.89

цию как единую целостную систему, анализаторные системы — как ее звенья).

Таким образом, метод трансформации обратной связи мы предлагаем для экспериментального исследования не только механизмов регуляции движений глаз и зрительного восприятия, но также и для исследования механизмов и структуры регуляции зрительно-моторной координации, что позволяет говорить о достаточной универсальности метода.

Для исследования механизмов зрительно-моторной координации предлагаются две методики или два варианта данного метода. При первой методике оптическая система находится перед глазом. При второй — оптическая система устанавливается на глаз.

Первую методику можно реализовать, используя трапециевидную призму или систему из двух положительных линз. Как уже отмечалось, применение призмы вносит коррекцию в оптическую систему глаз с коэффициентом обратной связи, равным +1, что представляет критическую ситуацию для работы этой системы, и нет оснований говорить о какой-либо перестройке, направленной на адаптацию к сложившимся условиям. Тем не менее, поскольку оптика находится перед глазом и она индифферентна к функционированию глазодвигательной системы, подобный вариант метода адекватен для исследования зрительно-мотор-ной координации. В данном случае знак обратной связи в самой зрительной системе не меняется, а меняется знак обратной связи в системе «глаз — рука» через кинестезию рук.

Результаты проведенных нами исследований [4, 6] позволяют говорить о факте перестройки в системе «глаз — рука» и о том, что перестройка осуществляется за счет моторики руки, а не за счет зрения. Подобного рода данные были получены многими исследователями (С. S. Harris [11, 12]; P. Н. Ewert [10]; J. Rock [9] и др.). Думается, что однозначность полученных данных связана с тем методическим приемом, который использовался в этих исследованиях. Во всех этих, в том числе и проведенных нами, исследованиях инвертирующая оптика находилась перед глазом и соответственно она не могла вызвать перестройки в самой глазодвигательной системе именно в силу того, что в данной ситуации происходит изменение свойств оптической среды, а не самого глаза.

Для наблюдения перестройки в зрительной системе и соответственно полной двусторонней перестройки в системе «глаз — рука» предлагается другая методика, другой вариант метода трансформации обратной связи. Эта методика реализуется путем постановки оптической системы на глаз. В этом случае происходит изменение знака обратной связи в самой зрительной системе и в системе «глаз — рука», возникает полная рассогласованность всей системы. В ситуации применения призмы эта рассогласованность будет определяться коэффициентом обратной связи, равным +1. При таком полярном изменении знака обратной связи, что-равнозначно повороту системы на 180°, в системе наблюдается дисфункция. Перестройка, направленная на стабилизацию ее состояния в соответствии с нормами функционирования, определяется фактором времени. И очевидно, временной интервал для приведения системы в норму при таких условиях должен быть длительным, тогда как специфика методики предполагает, что эксперимент может длиться не более 10—15 мин. Поэтому в качестве методического приема для исследования процесса перестройки предлагается система линз, позволяющая варьировать коэффициент обратной связи в диапазоне от —1 до +1, соответственно варьировать ориентацию системы координат сетчатки от 0 до ±180°.

Экспериментальные данные, полученные с помощью первой методики, позволяют классическую проблему соотношения двух сенсорных систем «глаз — рука» лишь поставить на новый уровень: не глаз ведет руку или наоборот, а регуляция осуществляется другими факторами, вы-

 

 


Стр.90

ходящими за пределы этих систем. Применение второй методики позволяет выявить эти факторы и изучить уровни, регулирующие процесс перестройки. В первом случае, когда оптика поставлена перед глазом, многие исследователи объясняют процесс перестройки за счет стабильности зрения. И это в определенной степени верно. В силу того, что глазодвигательный аппарат (зрительная система в целом) сохранил обратную связь с внешней средой, рука «может» получать информацию через зрительный канал о действиях, производимых ею, и корректировать движения в соответствии с задачей: написать правильно, — т. е. в данном случае один канал, связывающий систему с внешней средой, находится в норме, работает. Глаз как бы компенсирует инверсию руки.

Во втором случае, когда оптика поставлена на глаз, и рука и глаз оказываются в состоянии дисфункции, полностью, двусторонне оборвана связь с внешней средой. Как и за счет чего система может прийти в норму, «наладить» обратную связь с внешней средой для своего функционирования? Предварительные исследования говорят о возможности перестройки, направленной на адекватное отражение внешней среды. Одному из авторов данной статьи устанавливалась на глаз инвертирующая оптика, система линз с Кобр = + 1. Движение глаза, обусловленное этой оптической системой, направлялось в сторону, противоположную фовеа. И достаточно длительное время глаз устанавливался в своей крайней позиции. Фиксация объекта (руки с карандашом) затруднялась. Но через некоторое время объект фиксировался и резко удалялся вперед по направлению от глаз, объект при этом виделся уменьшенным. В восприятии все это происходило как бы одномоментно. Затем объект приближался и воспринимался уже в увеличенном виде. Так повторялось дважды. Далее увеличенный объект многократно переворачивался перед глазами (буквально крутился в плоскости параллельной глазу), виделся то перевернутым, то правильным. Потом устанавливалось двойное изображение — перевернутое и правильное, т. е. испытуемый видел две совмещенные, симметрично расположенные относительно горизонтальной плоскости руки. Все это в первую очередь говорит о возможности перестройки в системе2, которая может осуществляться только за счет уровней другого порядка. Норма функционирования рецепторных периферических уровней и будет свидетельствовать о самом факте перестройки в системе. А сравнительный анализ записей движений глаза и руки в процессе перестройки дает возможность проследить не только различные временные характеристики, но и непосредственно процессы перестройки, происходящие в каждой из них самостоятельно.

Вместе с тем применение этих двух вариантов, двух методик наряду с вышеописанными их возможностями позволит сопоставить «поведение» глаза и руки в условиях свободного рассматривания и в условиях жесткой фиксации глаза и тем самым выявить роль каждой из модальностей в совместном их функционировании.

Метод реализуется аппаратурным комплексом, включающим в себя установку для регистрации движений глаз и установку для регистрации движения руки (рис. 4).

Регистрация движений глаз ведется электромагнитным способом, разработанным Н. Ю. Вергилесом. Этот способ обеспечивает высокую точность измерения одновременно по двум составляющим — вертикали и горизонтали, обладает хорошей чувствительностью и линейностью и дает на выходе сигнал, эквивалентный повороту глаза и соответственно траектории движения руки. Датчик излучающей катушки, создающей электромагнитное поле и обеспечивающей запись движений глаз, крепится на центральной присоске. Для второй методики оптический при-

 

2 Следует отметить, что такой эффект наблюдался только при троекратном повторении данного опыта.

 

 


Стр.91

бор устанавливается на центральную присоску. Приемная антенна, состоящая из четырех катушек, расположена симметрично относительно излучающей катушки. Регистрация движений руки также ведется электромагнитным способом. В основе регистрации как движений глаз, так и движений руки лежит один и тот же принцип. Датчик излучающей катушки, обеспечивающей запись движений руки, устанавливается на пишущем инструменте. Приемная антенна для руки жестко связана с установкой для предъявления задания. Перемещения глаза и руки и жестко связанных с ними излучающих катушек приводят к изменению напряжения в приемных антеннах-катушках и после предварительного усиления подаются на восьмиканальный полиграф RM-85. Прибор позволяет наряду с раздельной записью вертикальной и горизонтальной

 

 

 

 

 

Рис. 4. Схема экспериментальной установки для регистрации движений глаз и руки. 1— приемные катушки; 2 — излучающая катушка, установленная на глазной присоске; 3— излучающая катушка, установленная на пишущем инструменте; 4 — установка для предъявления и выполнения задания и жестко связанная с ней приемная катушка; 5 — усилители для вертикальной составляющей движений глаз и руки; 6 — усилители для горизонтальной составляющей движений глаз и руки; 7 — полиграф RM-85; 8 — регистратор данных DTR-1204; 9 — двухкоординатный самописец НЕ-230; 10 — экран; 11 — экранированная экспериментальная камера

составляющих движений глаз и руки осуществлять запись на магнитную ленту 4-канального регистратора DTR-1204, что дает возможность не только воспроизводить запись после окончания эксперимента, но и изменять масштаб, скорость записи и производить запись на координатный самописец НЕ-230 как движений глаз, так и движений руки.

В соответствии с процедурой экспериментов оптика устанавливается или перед глазом или на глаз. Когда оптика устанавливается на глаз, «неработающий» глаз закрывается светонепроницаемой повязкой. Когда оптика устанавливается перед глазом, на другой глаз ставится присоска с укрепленным на ней датчиком для осуществления регистрации. Голова фиксируется на подбороднике. В соответствии с целями исследования испытуемым предлагаются различные задачи, в частности, написать буквы К, 3, М так, чтобы через оптику они воспринимались правильно. Выбор букв определялся их пространственной структурой, поскольку задача исследования направлена именно на изучение изменения траектории движения, его направления.

 


Стр.92

 ЛИТЕРАТУРА

1. Ананьев Б. Г. Пространственное различение. Л., 1955.

2. Ананьев Б. Г. Теория ощущений. Л., 1961.

3. Андреева Е. А., Вергилес Н. Ю., Ломов Б. Ф. Механизм элементарных движений глаз как следящая система.—В кн.: Моторные компоненты зрения. М., 1975, с. 7— 54.

4. Андреева Е. А., Басыбекова К. Е. О применении метода оптической коррекции изменения величины зрительной обратной связи для экспериментального исследования зрительно-моторной координации.— В сб.: Тезисы докладов конф. по проблемам экспериментальной психологии. Львов, 1983, с. 5—6.

5. Басыбекова К. Е. К вопросу о механизмах зрительно-моторной координации.— В кн.: Материалы научно-практической конференции молодых ученых по обществен ным наукам (24—25 февраля 1978 г.). Алма-Ата, 1978, с. 179—180.

6. Басыбекова К. Е. О психологических механизмах ориентации человека в пространстве.— В кн.: Материалы республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов по общественным наукам, посвященной 110-й годовщине со дня рождения В. И. Ленина (17—18 апреля 1980 г.). Алма-Ата, 1981, с. 177—178.

7. Барабанщиков В. А., Белопольский В. И., Вергилес Н. Ю. Метод оптической трансформации зрительной обратной связи в исследованиях глазодвигательной системы человека.— В кн.: Движение глаз и зрительное восприятие. (Под ред. Ломова Б. Ф., Вергилеса Н. Ю., Митькина А. А.) М., 1978, с. 71—84.

 8. Барабанщиков В. А., Белопольский В. И., Вергилес Н. Ю. Оптические методы трансформации зрительной обратной связи.— Психол. ж., 1980, т. 1, № 3, с. 85—94.

9. Рок И. Введение в зрительное восприятие. Кн. 2. М., 1980, с. 86—92.

10. Ewert Р. Н. A study of the effect of inverted retinal stimulation upon spatially coordinated behavior Gen. Psychol. Monogr., 1930, v. 7, p. 177—363.

11. Harris C. S. Adaptation to displaced vision: visual motor, or proprioceptive change.— Science, 1963, v. 140, p. 812—813.

12. Harris C. S. Perceptual adaptation to inverted, reversed and displaced vision.— Psychol. Rev., 1965b, v. 72, p. 419—444.

Поступила в редакцию 12. V. 1983