Пороговые концепции чувствительности

Пороги чувствительности

Чувствительность является одним из основных свойств сенсорной системы и характеризует ее способность адекватным образом реагировать на действие стимула. Под адекватной реакцией в данном случае подразумевается формирование образа ощущения (сенсорного образа), возникающего в результате действия на рецепторы стимула соответствующей модальности и процессов, протекающих в центральных отделах анализатора.

Выделяют два вида чувствительности – абсолютную чувствительность (АЧ) и разностную чувствительность (РЧ) – см рис.1. Последнюю иногда называют дифференциальной чувствительностью.

Абсолютная чувствительность		Разностная чувствительность
Абсолютные пороги чувствительности

Нижний Верхний Разностные

Абсолютный абсолютный (дифференциальные)

Порог порог пороги

Рис.1. Классификация видов чувствительности и видов

порогов чувствительности сенсорной системы

АЧ измеряется величиной абсолютных порогов чувствительности,РЧ-величиной разностных порогов чувствительности (РП). Абсолютные пороги бывают двух видов – нижний абсолютный порог (НАП) и верхний абсолютный порог (ВАП).

НАП – наименьшая величина стимула (I_min), способная вызвать самое слабое ощущение (R_min)–см. рис.2. Если величина стимула меньше НАП, то такой стимул не ощущается.

ВАП – наибольшая величина стимула (I_max), еще способная вызвать максимальное по величине адекватное ощущение (R_max). Если величина стимула превышает ВАП, ощущение либо изменяется качественно (например, превращается в болевое), либо исчезает вовсе.

РП – наименьшее изменение величины действующего стимула (ΔI_пор), достаточное для едва заметного изменения ощущения (ΔR_min). Если различие между двумя значениями стимула (или двумя стимулами) меньше РП, они воспринимаются равными по величине – т.е. не различаются. Таким образом,

если I₂ - I₁ < ΔI_пор, то ощущение не изменяется и его величина остается равной R₁, где I₁ , I₂ – стимулы;

если I₂ - I₁ = ΔI_пор, то ощущение изменяется на минимально возможную величину ΔR_min и становится равным R₂.

Согласно такому подходу, минимально возможное различие между двумя ощущениями не может быть меньшим ΔR_min.

Диапазон ощущаемых значений стимула

НАП I₁ I₂ ВАП

I

0 I_min I_max

R

R_min R₁ R₂ R_max

Рис.2. Соотношение величины стимула (I) и величины ощущения (R)

при определении порогов

Таким образом, значения абсолютных порогов (НАП и ВАП) определяют диапазон ощущаемых воздействий стимула, за пределами которого объективно действующие на сенсорную систему стимулы не воспринимаются.

Разностные (дифференциальные) пороги определяют разрешающую способность сенсорной системы внутри диапазона ощущаемых воздействий. В области разностной чувствительности действует закон Вебера:

, (1)

т.е. отношение величины разностного порога к величине стимула, относительно которого этот порог измерен, является константой (дробь Вебера). Следует отметить, однако, что для значений стимула, приближающихся к НАП или ВАП, закон Вебера перестает соблюдаться.

Наиболее часто используемое операциональное определение порогов опирается на представление о стохастичности (случайности) сенсорного процесса. Так, НАП определяется как такое значение стимула, которое обнаруживается испытуемым с вероятностью 0,5 (т.е. в 50% предъявленных проб). РП определяется как такая величина различия между двумя стимулами (ΔI), которая обнаруживается также с вероятностью 0,5. Графический способ определения порогов приведен на рис.3.

При определении РП вместо величины стимула I берется величина ΔI, отражающая величину различия между сравниваемыми (различаемыми) стимулами I₁ и I₂, а Р_обн – вероятность обнаружения различия между стимулами. Психометрическая функция, изображенная на рис.3, описывает зависимость вероятности обнаружения стимула (или различия между стимулами) от величины стимула (или величины различия стимулов).

Ниже будут рассмотрены ставших классическими три основных метода измерения порогов, описание которых было дано еще Фехнером:

· метод границ (или метод минимальных изменений);

· метод установки (или метод средней ошибки);

· метод констант (или метод постоянных раздражителей).

Рис.3. Графическое определение величины НАП (I – величина стимула, Р_обн – вероятность обнаружения стимула, а – психометрическая функция)

Несмотря на столь солидный возраст, они до настоящего времени широко применяются как в исследовательской работе, так и в практической сфере. Конечно, арсенал пороговых методов измерения чувствительности не ограничивается только ими. В настоящее время существует большое число таких методов и их вариаций, но в их основе, как правило, лежат упомянутые три классических метода.

Каждый из этих методов может использоваться как для определения величины абсолютных порогов, так и разностных порогов. Поэтому в дальнейшем при описании метода будет браться только один вариант – измерение нижнего абсолютного порога. В случае измерения разностных (дифференциальных) порогов варьируемой от пробы к пробе величиной будет уже не абсолютная величина стимула I, а величина различия между переменным стимулом (I_var) и постоянным (стандартным) стимулом (I_const) – то есть величина DI = I_var - I_const .

Весь эксперимент по измерению порога состоит из множества отдельных стимульных проб, которые в методах границ и установки объединяются в восходящие и нисходящие ряды (см. ниже). Под стимульной пробой понимается однократное предъявление испытуемому в интервале наблюдения одного из используемых значений стимула I (или двух стимулов с разницей в DI), предваряемое предупредительным сигналом и завершающееся ответом (реакцией) испытуемого.

Пороговые концепции чувствительности

Изложенная в предыдущем разделе трактовка понятия «порог» является классической и воплощает фехнеровское понимание порога как некоторой реально существующей границы, разделяющей весь континуум стимулов на ощущаемые и неощущаемые. При этом, чтобы объяснить плавный, а не скачкообразный ход психометрической кривой, Фехнер вынужден был апеллировать к флуктуациям величины порога во времени. Такая аргументация вызывала ряд возражений у его оппонентов, полагавших, что порога как такового не существует, а та величина, которую мы получаем в результате применения описанных выше процедур, представляет собой не более как условное рабочее понятие, допустимое для использования в целях удобства в прикладных исследованиях. Несмотря на подобную критику, понятие порога продолжает широко использоваться в науке и на практике, наполняясь новым смыслом.

Наиболее ярким представителем пороговых концепций чувствительности является нейроквантовая теория, связанная с именами Боринга (1926), Бекеши (1930) и Стивенса (1941). В теории постулируется существование «нервных квантов» как неких гипотетических функциональных элементов нервной системы, обеспечивающих обработку и передачу информации (заметим, что это допущение является достаточно обоснованным). Каждый нервный квант активируется только в том случае, если его возбуждение достигает некоторой критической величины – «порога». Следствием этого является то, что психометрические функции представляют прямолинейные отрезки, а не S-образные кривые. Такие прямолинейные психометрические функции действительно были получены в ряде работ. Однако они представляли собой скорее исключение из правила, поскольку их получение было связано с использованием в эксперименте ряда существенных ограничений.

Близким к фехнеровскому пониманию порога является трактовка порога в высокопороговой теории Блэквелла (1953), согласно которой порог – это фиксированная критическая величина стимула, по достижении которой он становится ощущаемым. Отличие от Фехнера состоит в том, что в этой теории допускается, что в ситуации, когда в текущей пробе стимул не достигает порогового значения, испытуемый начинает пытаться угадать, был стимул или нет. Тем самым порождается возможность появления ответов типа «ложная тревога» (появление ответов «Стимул был» в случае отсутствия предъявления стимула в пробе – так называемая «пустая проба»). Чтобы устранить влияние на результаты случайных угадываний, Блэквеллом была введена широко известная формула поправки на случайный успех.

В качестве других вариантов пороговых концепций следует упомянуть теорию двух состояний Люса (1963), рассмотрение которой выходит за рамки задач данной работы.

Методы измерения

порогов чувствительности

Метод границ

Процедура. Испытуемому последовательно предъявляются стимульные пробы, каждая из которых содержит одно из заранее определенных значений стимула I. Диапазон значений стимула выбирается таким, чтобы наименьшее значение стимула (I_min) практически никогда не воспринималось испытуемым, а наибольшее значение (I_max) – воспринималось в подавляющем числе проб. Количество фиксированных значений стимула (I₁₌I_min, I₂ I₃,…, I_n=I_max), используемых в методе границ, рекомендуется выбирать от 5 до 11.

Стимулы предъявляются в строгом порядке: в первой пробе первым предъявляется наименьший стимул I₁₌I_min, затем I₂ и далее по возрастающей до тех пор, пока испытуемый не обнаруживает наличие стимула в пробе(восходящий ряд); во второй пробе первым предъявляется наибольший стимул I_n=I_max, затем меньший по величине стимул I_n-1 и далее по убывающей, пока испытуемый не отметит исчезновение стимула в очередной пробе (нисходящий ряд). Нисходящие и восходящие ряды чередуются. Количество рядов определяется экспериментатором в соответствии с конкретными задачами исследования (чаще всего оно задается требованиями к уровню статистической значимости получаемых данных).

От испытуемого требуется отметить момент, когда в восходящем или нисходящем ряду он замечает появление (исчезновение) стимула. Этот момент отмечается в протоколе эксперимента.

Протокол эксперимента.Оформляется соответственно приводимому в табл.1 образцу для 11 значений стимула и 10 рядов (5 восходящих и 5 нисходящих).

Получаемые показатели.После завершения эксперимента по полученным данным, которые зафиксированы в протоколе эксперимента, для каждого ряда определяется единичное значение порога (I_ед.пор). Единичное значение порога - это такое значение стимула, при котором происходит изменение ответов испытуемых с «Нет» на «Да» в восходящих рядах, и с «Да» на «Нет» в нисходящих (в протоколе это значение обозначено пунктирной линией).

Таблица 1

Образец протокола эксперимента в методе границ

* - «+» - ответ испытуемого «Да, есть стимул в пробе»;

«-» - ответ испытуемого «Нет стимула в пробе»;

** - восходящие ряды – нечетные, нисходящие ряды – четные.

Искомое значение порога подсчитывается как среднее арифметическое единичных значений порогов в сериях:

I_пор = (7,5+4,5+8,5+7,5+6,5+3,5+7,5+5,5+8,5+4,5) / 10 = 6,4 усл.ед.

В основе этого способа расчета величины порога лежит использование линейной аппроксимации при вычислении единичных значений порога.

В некоторых случаях представляет интерес такой показатель, как величина зоны неопределенности– т.е. тех значений стимулов, в отношении которых у испытуемого нет достаточной уверенности относительно их наличия или отсутствия в стимульной пробе. Количественно оценкой величины зоны неопределенности может выступить величина среднеквадратического отклонения единичных значений порогов σ:

= , (2)

где n – общее количество предъявленных стимулов.

Область применения.Как правило, используется для предварительной или же приблизительной оценки величины порога чувствительности.

Достоинством метода является быстрота и относительная простота процедуры, а недостатком – неточность оценки I_пор. Последнее обусловлено знанием испытуемым характера изменений сигнала - увеличение или уменьшение стимулов в восходящих и нисходящих рядах. В результате у него формируется определенное ожидание очередного значения сигнала в ряду, что влияет на принятие решения о наличии или отсутствии стимула в пробе.

Метод установки

Процедура. Во многом аналогична использовавшейся в методе границ, только теперь испытуемому дана возможность самому изменять величину стимула в восходящих и нисходящих рядах. То есть испытуемый в методе установки играет активную роль. От него требуется устанавливать в восходящих и нисходящих рядах такую величину стимула, которая оказывается на грани перехода от воспринимаемых значений стимула к не воспринимаемым (или наоборот). При этом испытуемому разрешается многократно менять направление изменения величины стимула в отдельной пробе ряда в процессе поиска нужного граничного значения стимула.

Выбранное в каждой отдельной пробе такое граничное значение представляет собой единичное значение порога, аналогичное рассматривавшемуся выше I_ед.пор., и заносится в протокол эксперимента.

Протокол. В связи с тем, что в протокол эксперимента заносится только одно число для каждого восходящего и нисходящего рядов, форма итогового протокола оказывается более простой, чем в методе границ. Образец этой формы для 5 восходящих и 5 нисходящих рядов приведен в табл.2.

Таблица 2

Образец протокола эксперимента в методе установки

* - восходящие ряды – нечетные, нисходящие ряды – четные.

Показатели. Как и в предыдущем методе, для определения величины порога чувствительности используется расчет среднего арифметического единичных значений порогов, полученных в ходе эксперимента:

I_пор = (4,2+5,6+5,3+6,4+3,7+7,1+5,5+4,9+5,1+5,7) / 10 = 5,35 усл.ед.

Для оценки величины зоны неопределенности, как и раньше, используется среднеквадратическое отклонение единичных значений порога (см. выше).

Область применения. Практически совпадает с той, которая была определена для метода границ: предварительная и приближенная оценка величины порога. Вместе с тем в ряде случаев метод может обеспечить большую точность в связи со снижением влияния ожиданий на процессы принятия решения.