Дерево опознания добра и зла

Описание

В комнате, где работает Александра Александровна Невская, сидит, припав глазом к окуляру аппарата, испытуемый. «Коза», — говорит он. В протоколе появляется галочка. Сменяется диапозитив. Снова щелчок. «Рука», — звучит ответ. Галочка, смена диапозитива, щелчок — ответ. Галочка, диапозитив, щелчок... И так раз за разом, десятки, сотни щелчков... Пятый, седьмой, двенадцатый испытуемый... День за днем, неделя за неделей. Галочки из протоколов перекочевывают на «простыни» графиков, выстраиваются в цепочки точек, потом по ним ложатся осредняющие линии.

Одним испытуемым не говорят, какие будут картинки, другим дают рассматривать их перед опытом долго и внимательно. И опять щелкает затвор, и опять люди стараются увидеть контур в мелькнувшем на мгновенье светлом квадратике — лист, треугольник, портфель, руку, утюг, клещи, окно, лицо, козу...

Мгновенье... Вытащить из-за спины и показать на мгновение рисунок проще простого: раз! — и пожалуйста. Однако такое будет не опытом, а игрой. В серьезном же эксперименте это «раз» далеко не простое, и совсем нелегко добиться этого «пожалуйста».

Глаз наш — система невероятно высокочувствительная. Академик Сергей Иванович Вавилов в своей книге «Глаз и Солнце» писал, что порог раздражения палочек, которыми мы видим ночью, эквивалентен силе света обыкновенной свечи, рассматриваемой с расстояния двухсот километров. Тогда на кусочек сетчатки, где находится примерно четыреста палочек, попадает всего шесть—десять квантов — минимальных «порций» энергии света и вообще электромагнитных колебаний. То есть для срабатывания фоторецептора достаточно одного-единственного кванта, ибо чрезвычайно маловероятно, чтобы не только все, но даже две «частицы» света попали точно в один и тот же рецептор.

Долгие годы этот результат, к тому же подтвержденный опытами, во время которых глаз действительно ощущал квантовый характер света, казался граничащим с чудом: как ухитрилась природа сконструировать такой механизм? Новейшие исследования ответили на вопрос. Влетевший в светочувствительную клетку фотон — это как бы палец, нажимающий на спусковой крючок.

Дело в том, что стенка наружного членика фоторецептора — мембрана — представляет собой миниатюрную электростанцию, генератор постоянного тока. Пока квант не попал в фоторецептор, мембрана почти одинаково хорошо пропускает через себя ионы натрия и калия: натрий — из клетки, калий — в клетку. Каждый ион — носитель электрического заряда, и генератор вырабатывает небольшое напряжение. «Выстрел ружья» меняет картину. В мембране как бы открывается клапан, резко увеличивающий поток натриевых ионов и, следовательно, напряжение. В итоге внутренние структуры фоторецептора усиливают первоначальный сигнал — энергию фотона — примерно в два миллиона раз. И экспериментатор видит на экране осциллографа импульсы — ответ светочувствительной клетки на попадание фотона.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Все это гораздо дольше рассказывается, чем происходит. После «нажатия на спуск» сигнал фоторецептора поступает в нейронные цепи сетчатки через три тысячные доли секунды. Самое же замечательное, что природа остается верна этой схеме процесса в зрительных органах всех живых существ — от моллюсков до человека.

Выходит, глаз способен заметить даже чрезвычайно короткую вспышку, лишь бы она была мощной и доставила сетчатке необходимое количество фотонов. В 30-е годы советский исследователь Б. Н. Компанейский доказал это, освещая предметы электрической искрой в темной комнате. Порой хватало вспышки длительностью в одну десятимиллионную долю секунды, чтобы испытуемый разглядел объект и даже ощутил его рельефность!

Понятно, что наше сознание не срабатывает за столь безумно короткое время. Даже на усиление принятого сигнала, как мы только что узнали, требуется три тысячные доли секунды. А ведь затем еще должны включиться нервные клетки слоев сетчатки, зрительный нерв, многочисленные нейроны различных отделов мозга... Гельмгольц в середине прошлого столетия нашел, что скорость передачи раздражения по нервам равна всего тридцати метрам в секунду, новейшие исследования только расширили пределы возможных значений: минимум — полметра, максимум — сто метров в секунду. Так что вспышка в десятимиллионную долю секунды — тоже лишь «палец на спусковом крючке», а «стреляет» весь зрительный аппарат, обладающий таким важным свойством, как кратковременная память.

Она сохраняет образ, воспринятый глазом, примерно в течение четверти секунды. Именно благодаря ей кадры киноленты сливаются в непрерывную картину. (Строго говоря, такое объяснение эффекта движения людей и всего прочего на киноэкране не совсем верно. В восприятии кинокартины участвует не только кратковременная память, но и высшие отделы мозга: они строят промежуточные положения предмета между двумя кадрами!)

Когда-то думали, что изображение сохраняется на сетчатке. Французский физиолог Кюне писал в конце XIX в.: «Сетчатка ведет себя... как целое фотоателье, в котором фотограф непрерывно обновляет пластинки, нанося на них новые слои светочувствительного материала и стирая в то же самое время старые изображения».

Эксперименты, однако, показали связь кратковременной памяти не с сетчаткой, а с мозгом. Чтобы представить зрению (не глазу!) изображение на время, меньшее четверти секунды, нужно отключать кратковременную память, точнее, ограничивать срок ее действия. Где же взять выключатель?

Его роль берет на себя кино. Очень простенькое кино, состоящее всего из трех кадров; сетка из извилистых линий — рисунок — и снова сетка. Каждое последующее изображение стирает предыдущее из кратковременной памяти, это точно установлено. И когда человек глядит в окуляр аппарата, которым командует Невская, кадры с сеткой как бы распахивают и закрывают в кратковременной памяти «ворота времени». Экспериментатор уже не сомневается, что испытуемый рассматривает картинку ровно столько долей секунды, сколько задано с пульта. Между прочим, чище всего стирает образы сетка, составленная из наложенных друг на друга контуров всех предметов, какие только демонстрируются во время опыта.

Эксперименты показали, что надежность опознания рисунка зависит не только от длительности предъявления, но и от того, было ли известно смотрящему, какой набор картинок ему покажут. Я не знал — и затратил сто пятьдесят миллисекунд (пятнадцать сотых секунды), обычное время для нетренированных участников опыта.

А тот, кому картинки знакомы, работает быстрее. Насколько — это уже связано с числом рисунков, которые он ожидает увидеть. Чтобы опознать одно изображение из возможных двух, хватит пятнадцати миллисекунд, вдесятеро меньше, чем затратит нетренированный коллега. Возможных изображений стало четыре — время опознания возрастает вдвое, восемь картинок увеличивают его втрое, шестнадцать — вчетверо... Что кроется за этими цифрами?

Оказывается, зависимость описывается формулой X=15 log2Y, где X — время опознания в миллисекундах, а Y — число рисунков, которые (испытуемый знает) могут быть предъявлены.

Логарифмическая кривая — это уже хорошо. Живой организм предпочитает, если можно так выразиться, любым иным зависимостям именно логарифмические и близкие к ним. Каков же физический смысл формулы? Может быть, в технике найдутся устройства, действующие в соответствии с подобной зависимостью? Ответ специалиста по теории информации ошеломляет: «Ваша формула — не что иное, как описание поисковой системы типа «дерево»... (Эта идея была сформулирована в монографии В. Д. Глезера и И. И. Цуккер-мана «Информация и зрение».)

«Дерево»... В огромную груду на полу свалены дамские шляпы, мужские кепки, жокейки, канотье, фески, цилиндры. Глаза разбегаются от обилия размеров, фасонов, цветов. У вас в руках желтая клетчатая шляпа с пером, к ней требуется вторая. Как проще всего вести поиск?

Можно, конечно, брать из кучи штуку за штукой, рассматривать, сравнивать. Не исключено, что с первой же попытки натолкнешься на искомое. Столь же вероятен и противоположный исход: желанная вещь окажется в самом низу и придет в руки последней. Времени уйдет много, и способ последовательного перебора проявит свою крайнюю неэкономичность.

Гораздо разумнее воспользоваться «ключевыми признаками» искомой вещи. Мы их знаем: «желтая», «шляпа», «с пером». Давайте сортировать, опираясь на эти особенности и пренебрегая всеми остальными. Смотрите, как быстро уменьшается после каждого такого шага объем работы, с какой стремительностью мы движемся к цели! Графически схема такого «дихотомического» деления, то есть деления по принципу «есть признак — нет признака», напоминает ветку дерева, и метод получил такое же название. Он очень эффективен. Существует анекдот о ловле львов в Африке с помощью заборов: материк перегораживают пополам, потом ту часть, где находится лев, — еще раз пополам, и так далее. Чтобы запереть хищника в клетку размером пять на пять метров, хватит сорока загородок, хотя площадь материка — почти тридцать миллионов квадратных километров.

Вернемся, однако, к зрительному аппарату. Действительно ли он опознает на досознательном уровне (логика еще не включилась, слишком невелико время) способом «путешествия по дереву»? Это можно проверить. Начнем увеличивать число картинок. Если гипотеза соответствует истине, время опознавания, полученное в эксперименте, совпадет с вычисленным.

Только вот загвоздка: на каком этапе мы имеем право сказать «Довольно!»? Где гарантия, что после какого-то очередного возрастания числа картинок зависимость не двинется иначе? Эксперимент тогда, конечно, разойдется с предсказаниями, но где это случится? И вообще: в мире миллиарды разнообразных предметов, мы просто физически не в состоянии предъявить столько рисунков, наш опыт грозит затянуться до бесконечности...

Здесь неожиданно помощь приходит со стороны, откуда ее совсем не ждали. К проблеме опознавания «прикладывают руку» лингвисты. Они говорят, что слов, которые можно было бы изобразить в виде простенького рисунка, обиходных слов-понятий типа «птица», «чайник», «дом», «очки» и им подобных, в русском языке (да и в иных тоже) около тысячи.

— Поэтому если я не сообщаю, какой набор картинок буду показывать, — говорит Александра Александровна, — испытуемый вправе ожидать любую из тысячи. Вряд ли он, конечно, назовет эту цифру. Но мозг его на основании жизненного опыта уже настроен именно на такой порядок величины. Нетренированный человек, выходит, тоже подготовлен. Только набор образов гораздо шире, чем у тех, кто точно знает: сегодня будем показывать вот эти восемь хорошо известных картинок. Подставив число тысяча в формулу вместо У, получаем время надежного опознавания, близкое к ста пятидесяти миллисекундам, каким оно и бывает на практике, — вы сами в этом убедились.

— А пятнадцать миллисекунд?

— Это время, необходимое, чтобы разделить «алфавит признаков» на две, обычно неравные, части и сделать выбор той, где находится интересующий нас признак. Время, затрачиваемое для одного шага по «дереву признаков». Если предметов четыре — требуется два шага, при восьми предметах — три шага, то есть сорок пять миллисекунд, и так далее...

— И для выбора из тысячи...

— Нужно десять шагов, десять разбиений на две части.

— Все-таки непонятно: как же мозг производит деление, чем руководствуется в этой своей деятельности? Со шляпами ясно: цвет, форма... Мы этими признаками руководствуемся во время опознавания?

— Нет. Тут все дело в обобщенном образе предмета. Помните глаз лягушки? Он выделяет только очень простые признаки объектов: край, движение, размер... Зрительный аппарат высших животных и человека способен выделять обобщенные признаки изображений, которые сливаются в некий обобщенный образ. Как признаки выглядят? Узнать это — и есть основная задача нашей лаборатории, над ее решением все мы и работаем последние годы. Уже ясно, что когда обобщенные признаки попадают в кратковременную память, они существуют там примерно четверть секунды, и долговременная, основная память за это время опрашивает кратковременную, сравнивает ее содержимое с тем, что имеется в «долговременных запасах». Процесс этот и выглядит как «путешествие по дереву».

— Значит, если вы предъявляете картинку на время, меньшее четверти секунды, вы как бы обрываете работу аппарата сравнения?

— Совершенно верно. И тогда, поскольку путешествие не закончено, испытуемый начинает гадать, делает заключение не по полному алфавиту признаков — и ошибается. Зонтик, например, принимает за карандаш, потому что оба вытянутые.

— Как же тогда зрение ухитряется надежно опознавать за время куда более короткое, чем четвертушка секунды?

— О, это уже заслуга мозга, пример его необычайной гибкости. Предварительная установка на решение какой-то задачи заставляет его перестраиваться, чтобы возможно скорее произвести сравнение. Мак-Каллок, например, полагает, что для более легкого опознания мозг строит предположительный обобщенный образ предмета до того, как изображение появилось на сетчатке. Возможно, так оно и есть: удачливые грибники утверждают, что в лесу они стараются поотчетливее представить себе грибы, которые ищут. Еще одно доказательство в пользу «подготовительных операций» мозга нашла Иамзе Алексеевна Тоидзе, работающая в Тбилиси. Она установила, что если мы настроены на прием определенной информации, порог восприятия понижается.

— Почему же тогда признаки не путаются, когда я вижу несколько вещей? Вот сейчас у меня перед глазами этот хитроумный аппарат, стул, стол, вся остальная обстановка...

— А вы их видите не сразу, а последовательно. Одновременность восприятия не более чем иллюзия. Глаз — система «однообразная», если можно так выразиться. Она способна опознать за один раз только один образ, а затем переходит к следующему. Конечно, неправильно было бы сводить слово «образ» только к обозначению какой-то вещи. «Образом» может быть и сцена. Тогда мы сначала опознаем ее содержание, а потом уже — только ее элементы. Я предъявлю вам пять предметов на очень короткое время, и вы увидите только один. Потом, по мере увеличения экспозиции, появятся второй, третий... И, кстати, в этом случае отношения между предметами для зрителя важнее, чем сами предметы. Есть вот такой рисунок: лиса ловит сачком бабочку, а рядом стоит козленок. При сорока миллисекундах экспозиции человек ничего не видит, при восьмидесяти — говорит, что «кто-то поднял что-то на кого-то», при ста пятидесяти видит сачок и какое-то животное и только при трехстах двадцати миллисекундах опознает лису.

— Как же это объяснить?

— Ну хотя бы с точки зрения эволюции зрительной системы. Чтобы выжить, нашим далеким-далеким предкам, да и не только им, требовалось в первую очередь опознать, что «кто-то терзает кого-то», нежели детально выяснять: тигр это или леопард. Кто умел быстро разбираться в опасной ситуации — выжил, а кто не умел, тому судьба вряд ли благоприятствовала...

----

Статья из книги: Как мы видим то, что видим | Демидов В.