Выражение «пропускная способность зрительного анализатора» кажется несколько неопределенным. Казалось бы, на уровне сетчатки пропускная способность составляет десятки миллионов двоичных единиц в секунду (см. стр. 141). В действительности, как мы увидим далее, пропускная способность зрительного анализатора не превосходит нескольких десятков двоичных единиц в секунду. Противоречие это кажущееся. Оно возникает потому, что не был определен получатель сообщений. Изолированно рассматриваемая сетчатка действительно может пропустить большой поток информации. Однако получателем сообщений являются высшие отделы зрительного анализатора. Именно эти отделы производят выбор из потока сообщений, поступающих из нижних этажей анализатора. Кроме того, надо иметь в виду, что сообщения в нижних отделах зрительного анализатора характеризуются значительной статистической избыточностью и по мере того как производится статистическое кодирование для передачи в вышележащие этажи анализатора, эти сообщения представляются во все более и более экономной форме.
«Число нейронных каналов, участвующих в передаче зрительной информации, с каждым шагом уменьшается, причем информация становится на один шаг ближе к той форме, в которой она используется и хранится в памяти» (Wiener, 1948).
Мы будем в дальнейшем понимать под пропускной способностью зрительного анализатора то предельное количество информации в секунду, которое может быть воспринято зрительной системой в целом.
Исследование пропускной способности зрительного анализатора сводится к экспериментальному измерению скорости зрительного восприятия. Опыты такого рода хорошо известны в литературе по психологии зрения (Schlegel, 1929). К сожалению, количественная мера информации установлена лишь недавно, поэтому многие из известных экспериментов были проведены таким образом, что получить точные количественные суждения о пропускной способности по ним трудно.
К числу таких исследований относятся опыты с определением объема зрительного восприятия. В них уже было отмечено значительное ограничение скорости зрительного восприятия. Если позаботиться о том, чтобы не было условий для возникновения остаточных явлений в зрительной системе (типа эйдетических образов), то число одновременно воспринимаемых предметов за краткий промежуток времени (не более времени критической длительности) оказывается удивительно небольшим. Это число обычно имеет порядок семи [«магическое число 7 ± 2», по Миллеру (Miller, 195В)J. Например, если поставить перед испытуемым задачу определить число точек, предъявляемых на короткое время на однородном фоне в центральном поле зрепия, то правильно замечается не более 7—8 точек (Hunter a. Sigler, 1940). Вероятность правильного ответа быстро понимается с увеличением числа точек в этих пределах при данной освещенности поля зрения и данном времени предъявления. При этом оказалось, что если вероятность обнаружения одной точки (определявшаяся как отношение числа правильных ответов к полному числу испытаний) равна p, то вероятность одновременного обнаружения n точек (n≤7) была рn (Casperson a. Schlosberg, 1950).
В других опытах можно было непосредственно выявить связь между количеством информации, приходящейся на одно предъявление, и скоростью зрительного восприятия.
Хаймэн (Hyman, 1953) исследовал изменение времени психической реакции в зависимости от количества информации, содержавшейся в световом раздражителе. Раздражителями служили вспыхивающие точки, определенным образом расположенные в поле зрения. Каждой из точек давали свое наименование. Испытуемый должен был назвать, какая из точек вспыхивала. Измерялось время, прошедшее от вспышки до ответа испытуемого. Количество информации, содержавшееся в световом сигнале, измеряли тремя различными способами. В первой серии опытов изменяли набор световых точек, каждая из которых отдельно предъявлялась наблюдателю. Световые точки возникали в случайном порядке, и вероятность вспышки была одинаковой для каждой из них. Если могла вспыхивать каждая из 8 точек, то на каждую вспышку приходилось log 2 8=3 дв. ед. информации; если набор точек был ограничен четырьмя точками, то каждая вспышка содержала log 2 4=2 дв. ед. и т. д. Опыт, в котором наблюдатель был заранее оповещен, что может вспыхнуть единственная определенная точка, соответствовал нулевому приросту информации (log2 1=0) и ставился для определения минимального времени реакции. Во второй серии опытов вероятности вспышки для различных точек были выбраны разными, и наблюдатели были в ходе специальных тренировочных опытов ознакомлены с распределением вероятностей. В третьей серии экспериментов вводилась статистическая зависимость между вспышками различных точек. Например, если выбор производился из двух точек а и Ь, то условные вероятности были ра(b)=0.8 и ра(а) =0.2.
Результаты опытов на одном из четырех испытуемых показаны на рис. 61. Зависимость времени реакции tr от количества информации в стимуле выражалась эмпирической формулой
где t0 — время реакции в том случае, когда стимул не несет информации; это время в среднем было порядка 0.2 сек., Н — количество информации в стимуле (в дв. ед.). Параметр С1, усредненный по данным опытов с четырьмя испытуемыми, как и tQ, был порядка С1≈6 дв. ед./сек. Величина С1 имеет смысл количества информации, принимаемой и перерабатываемой в данном опыте за единицу времени. Таким образом между количеством информации в световом стимуле и временем реакции имеется отчетливо выраженная линейная зависимость. Казалось бы, это доказывает, что можно говорить об определенной постоянной скорости зрительного восприятия.
Однако вычислить пропускную способность зрительной системы по данным таких опытов нельзя хотя бы потому, что время реакции существенно превосходит время собственно зрительного восприятия.
Прямое экспериментальное измерение пропускной способности зрительной системы было сделано Сиклаи (Sziklai, 1956). Он использовал для предъявления изображений телевизионную аппаратуру. Испытуемому показывали на телевизионном экране одно «дежурное» изображение. С помощью электронного коммутатора оно замещалось на краткое время изображением, которое должно быть опознано. После этого на экране снова возникало «дежурное» изображение. Оно было необходимо для стирания предъявляемого изображения в зрительной системе. Время предъявления изображений могло изменяться от одного кадра (в американском телевидении — 1/30 сек.) до нескольких десятков кадров.
В одной группе опытов испытуемый должен был опознавать простые изображения, например, рыбу, ножницы и т. п. Испытуемый не знал, какие предметы ему могут быть предъявлены. Следовательно, он производил выбор из всего возможного -«алфавита» (набора) известных ему предметов, которые можно изобразить. Число таких предметов имеет порядок одной тысячи. Правильное опознание одного предмета соответствует приему Н=log2 1000≈10 дв. ед. информации. Количество предметов входит под знак логарифма. Поэтому даже значительная ошибка в установлении числа таких предметов существенно не изменяет оценки количества информации. Например, если предметов было бы 2000, то количество информации на предмет составляло бы log2 2000≈11 дв. ед.
В другой группе опытов испытуемого заранее знакомили с ограниченным набором предметов (5—8), на различение которых он был хорошо натренирован. Теперь, если выбор производили, например, из 8 возможностей, количество информации на правильно опознанный предмет равнялось Н=log28=3 дв. ед. Пропускная способность по дочитывалась как
где Т — время предъявления, а n — число предметов, правильно опознанных за это время, N — число предметов в наборе.
При опознавании предметов, выбираемых из меньшего количества N, время опознавания уменьшалось приблизительно пропорционально log2N, так что величина С оставалась приблизительно постоянной. Пропускная способность была оценена в этих опытах величиной порядка нескольких десятков двоичных единиц в секунду (от 20 до 50).
Рис. 61. Зависимость времени реакции от количества информации в световом стимуле.
Количество информации в стимуле задавалось тремя различными способами (I, II, III).
Сходная методика была применена в опытах Глезера, Цуккермана и Цыкуновой (19616), проведенных с большой группой наблюдателей. Наблюдателям предлагалось опознать отдельно предъявляемые телевизионные изображения простых предметов. Выбор также производился из «алфавитов» разной величины. Пропускная способность определялась по формуле
где в этом случае Т — время, необходимое для правильного опознания одного предмета.
Предъявлялись также простые сюжетные изображения. При этом удалось довольно отчетливо показать, что в процессе зрительного восприятия прирост информации происходит в результате последовательных выборов из все более и более узких классов, как при движении по «кодовому дереву» (см. рис. 28). Вот один из характерных примеров такой последовательности выборов. Предъявлялся сюжет, показанный на рис. 62. При времени предъявления в один кадр (1/25 сек.) испытуемый ничего не увидел. При времени предъявления в 2 кадра испытуемый сказал дословно следующее: «Кто-то поднял что-то на кого-то». За следующие четыре кадра испытуемый различил сачок и «какое-то животное», а после следующих 8 кадров опознал среди других объектов лису.
Обработка экспериментальных данных, проведенная методом дисперсионного анализа, показала, что время опознания может существенно зависеть от того, какой предмет предъявляется. В то же время нет статистически достоверного различия между значениями пропускной способности отдельных наблюдателей. Пропускная способность имела порядок 50—70 дв. ед./сек. *
Аналогичные количественные выводы могут быть сделаны из опытов Авербаха и Шперлинга (Averbach a. Sperling, 1960), проведенных без «дежурного» изображения, чисто тахистоскопическим методом. Наблюдателю предъявляли на краткое время (50 мсек.) группу черных букв на белом поле яркостью 750 асб.
Рис. 62. Пример тест-изображения.
Оказалось, что наблюдатель может правильно воспроизвести в среднем 4 5 буквы на предъявление. Это соответствует приблизительно 20 дв. ед. информации, так как на одну букву алфавита, использованного в опытах, приходится в среднем 4.3 дв. ед.
Затем были поставлены опыты, в которых тотчас после окончания предъявления группы букв около места, ранее занимавшегося какой-либо из букв, появлялась метка (штрих). Оказалось, что вероятность правильного опознания этой буквы была значительно больше, чем в опыте без метки. ** Количественный анализ этих данных позволил установить, что существует кратковременная память, которая запасает гораздо больше зрительной информации, чем поступает затем для длительного запоминания. Было показано, что информация в условиях этих опытов сохранялась в кратковременной памяти без изменений в течение 0.27 сек., а затем сразу исчезала.
Эти данные позволяют оценить пропускную способность зрительной системы согласно формуле (73). За время Т здесь следует принять 0.27 сек. — время, пока сообщение сохраняется в кратковременной памяти и как бы предъявляется для осуществления выбора. Поскольку при однократном предъявлении группы букв наблюдатель воспринимает в среднем 4.5 буквы, каждая из которых содержит 4.3 дв. ед., то
В опытах с предъявлением телевизионных изображений нужно было учитывать только истинное время предъявления, так как «дежурное» изображение стирало из кратковременной памяти предъявляемое изображение.
Процесс стирания зрительного образа развивается во времени подобно процессу стирания простого светового ощущения (см. стр. 144). Если интервал между предъявлением букв и метки мал, то они воспринимаются слитно. С увеличением этого интервала возникает процесс стирания. Часть буквы вблизи метки начинает различаться хуже, пока совсем не исчезнет. При еще больших интервалах буквы и метки воспринимаются раздельно во времени. Можно предположить, что и в этом случае процесс стирания является следствием процесса торможения.
Сравним теперь данные прямых измерений пропускной способности с данными опытов Хаймэна, пример которых показан на рис. 61. Казалось бы, скорость зрительного восприятия в опытах Хаймэна была значительно меньше, чем, например, в опытах Сиклаи. Однако ее не следует смешивать с пропускной способностью зрительной системы.
Время реакции складывается из времени проведения из сетчатки в зрительную кору — 65 мсек. при слабых стимулах (Monnier, 1952), времени tзр, которое потребовалось для приема информации в зрительной системе, времени tдв для формирования двигательной реакции в ответ на полученную информацию и времени на проведение этого сигнала по эфферентным путям к эффектору (в данном случае к мышцам гортани); последнее имеет величину порядка 75 мсек. (Venables, 1960).
Переменной величиной, входящей в скрытый период реакции, является tзр + tдв. Вместо (72) можно написать
где В — постоянная величина в условиях опыта. Но
где С — пропускная способность собственно зрительной системы. Из (75) и (76) следует, что и tдв линейно зависит от количества информации в стимуле Н. Казалось бы, С1 можно тогда истолковать как общую пропускную способность совместно работающих зрительной и двигательной систем.
Однако в более поздних работах (Bricker, 1957) было показано, что величина С1 может увеличиваться по мере тренировки испытуемого. Оказалось также, что она тем больше, чем более естественна связь между стимулом и требуемым движением испытуемого (например, если на вспышку света слева надо отвечать движением левой руки, а не правой). Более того, Моубрей и Роде (Mowbray a. Rhodes, 1959) показали, что после значительной тренировки скрытый период ответа может не зависеть от количества информации в стимуле. На рис. 61 этому соответствовала бы прямая, параллельная оси абсцисс. Это означало бы, что пропускная способность бесконечно велика. Отсюда делали вывод, что при анализе опытов такого рода теоретико-информационные методы неприменимы.
На самом деле это противоречие кажущееся, его можно объяснить следующим образом.
Безусловный рефлекс выработан в эволюции и возникает в ответ на определенный раздражитель. Пути, по которым осуществляется этот рефлекс, заданы строением нервной системы и закреплены генетически. Поэтому время реакции при безусловном рефлексе никак не связано с выбором.
Дуга условного рефлекса проторяется в процессе обучения. Из работ павловской школы хорошо известно, что при этом скрытый период рефлекса сперва велик, а затем укорачивается, пока не достигает определенной величины, на которой стабилизируется.
Выработка условного рефлекса на стимул, придание стимулу сигнального значения можно истолковать с точки зрения теории информации как введение этого стимула в алфавит источника сообщений. Пока дуга условного рефлекса не упрочилась, существует неопределенность взаимоотношений между стимулами и реакциями, — то, что Леонард (Leonard, 1960) называет «неопределенностью кодирования». Поэтому вначале скрытый период условного рефлекса велик. Необходимо время на выбор нужной двигательной реакции. С упрочением условной связи эта неопределенность все более снимается. Между стимулом и реакцией устанавливается однозначное соответствие. Поскольку выбор двигательной реакции теперь уже не производится, время двигательной реакции перестает зависеть от стимула и связанной с ним информации.
Однако время выбора, который производит собственно зрительная система при различении стимулов, продолжает зависеть от количества информации в стимуле. В опытах Моубрея и Родса сравниваемые алфавиты были очень малы. Выбор производился только из 2 или 4 возможностей. Поэтому можно предполагать, что небольшие различия в скрытом периоде просто не были уловлены. Но если это оказалось бы не так, то независимость времени ответа от количества информации можно объяснить только тем, что в ходе тренировки установились такие же отношения между стимулом и образом в зрительной системе, как между образом и двигательной реакцией. Такого рода отношения выявляются в рецептивных полях сетчатки и коры, а также, по-видимому, в некоторых механизмах, служащих для опознавания простейших зрительных образов. К обсуждению этих механизмов мы вернемся несколько далее.
* В связи с этим можно привести характерные значения пропускной способности некоторых информационных систем человека (Küpfmüller, 1959). Скорость чтения оцененная с учетом статистики языка, имеет порядок 30—40 дв. ед /сек. Пропускная способность при сложении двух однозначных чисел — 12 дв. ед./сек., скорость вычитания одного числа из другого составляет всего 3 дв. ед./сек.
** Интересно, что лучше опознаются средняя и крайние буквы ряда, чем в промежутках, и верхний ряд, чем нижний.