Исследования зрительной деятельности человека

Т. М. Буякас, Ю. Б. Гиппенрейтер

Существует большое количество работ, посвященных анализу следящих движений глаз,— их видам, количественным характеристикам, механизмам и т. п. (см., например, об-зср Д. Робинсона, 1968). В подавляющем большинстве традиционных исследований зрительный сигнал подается из внешнего по отношению к организму источника, в связи с чем следящие движения глаз афферентируются только зрительно. Возможна и иная ситуация, когда человек отслеживает объект, причиной движения которого является он сам. Такие ситуации типичны для тонких ручных операций, предполагающих зрительный контроль за движениями рабочей точки собственной руки или используемого орудия. Другим примером могут служить задачи, возникающие в некоторых современных технических системах, где оператору приходится следить за самоуправляемым сигналом.

Существует, по крайней мере, два возможных плана влияния собственного движения руки на следящие движения глаз. Первый — непосредственный, «двигательный»: движение руки потенциально несет дополнительную информацию о перемещениях сигнала в виде эффекторных команд и проприо-цептивных сигналов обратной связи. Эта информация может использоваться для организации глазного слежения. Второй— опосредствованный, условно «зрительный»: получение зрительной информации, необходимой для управления рабочей точкой, может опираться на точные следящие движения глаз или, наоборот, как-то видоизменять их.

В настоящей работе рассматриваются оба намеченных плана взаимодействия двигательных систем руки и глаза.

Задачей первой серии было выяснить вопрос, использует ли глазодвигательная система дополнительную информацию от движений руки и если да, то в какой именно форме: эффекторных команд или проприоцептивных сигналов?

Близкая постановка вопроса имеется в работах Стейнба-ха и Хелда (Steinbach, Held, 1968; Steinbach, 1969). Эти авторы показали, что при слежении за самоуправляемой целью по сравнению с отслеживанием цели, заданной из внешнего источника, отодвигается граница завала частной характеристики движений глаз до 2 гц. Они отмечают также понижение в первом случае количества саккад в единицу времени и сокращение времени запаздывания движений глаз до 30 мсек. Авторы делают вывод, что глазодвигательная система, по-видимому, использует копии эффекторных команд к руке — «ef-ferenz kopie», по Хольсту (Hoist, 1954) и «corollary discharge», по Тауберу (Teuber, 1966).

В первой серии нашей работы проводилось сравнительное исследование изолированного влияния на следящие движения глаз зрительных, эффекторных и проприоцептивных сигналов. Использовался более широкий набор параметров, характеры-/J зующих точность глазного отслеживания, в частности качество воспроизведения глазом формы кривой движения цели и степень отработки скорости.

Задачей второй серии было выяснить, как влияет тип зрительной информации, используемой для организации движений руки на следящие движения глаз. Таким образом, здесь речь шла о зрительно опосредствованном взаимодействии двигательных систем руки и глаза.

Общая  методика

Исследование проводилось на экспериментальной установке, воспроизводящей основные условия задач на так называемое ручное слежение. В таких задачах оператор управляет перемещением зрительной цели на экране индикатора, оперируя рукояткой. Движущийся сигнал, таким образом, здесь вполне можно рассматривать как «рабочую точку», а техническую систему передачи движения рукоятки на цель — как своеобразное «орудие», надстраивающее руку оператора.

Во всех основных опытах испытуемые получали двойную инструкцию: во-первых, произвести определенное движение рукояткой (см. методику каждой серии), во-вторых, непрерывно следить глазами за целью. Иными словами, испытуемые находились в ситуации двух задач: общей двигательной и глазодвигательной. Такая организация эксперимента требовала дополнительного учета и обсуждения некоторых специальных вопросов. Удавалось ли испытуемым, действительно, совместить обе задачи или они   решались   поочередно?

Помогало ли решение одной задачи решению другой или задачи находились в конфликтных отношениях? От каких факторов зависело то или иное сочетание хода решения задач? Нее эти вопросы будут рассмотрены ниже при обсуждении

результатов.

Помимо основных проб проводились «фоновые» записи движений глаз при задаче слежения за зрительным сигналом, поступающим из внешнего источника.

Экспериментальная установка состоит из следующих блоков. Перед оператором установлен экран осциллографа (трубка без послесвечения) с находящейся на нем точечной световой целью; размер цели—1—2 угл. мин. Рядом с оператором укреплен ручной манипулятор, с помощью которого обеспечивается жесткая обратная связь движений оператора на перемещение цели. Цель может двигаться по горизонтальной оси в пределах 3°. Установка допускает также независимое перемещение цели с помощью сигнала от генератора.

На фотоленте кимографа производилась одновременная регистрация трех процессов: движений глаз (фотооптическим методом — А. Л. Ярбус, 1956), цели и рукоятки. Во время калибровки, предшествующей каждому эксперименту, на записи производилось совмещение пространственных положений и масштабов движений глаз и цели. Методика позволяла судить о временных и пространственных соотношениях движений всех трех типов (сигнала, глаза и руки). Скорость движения фотоленты—-4 см1сек; масштаб отклонения луча глаза на записи ■— 1 мм на 1 угл. мин. Подсчет корреляционных и спектральных функций проводился на ЭЦВМ «Сетунь».

В экспериментах участвовало 4 испытуемых в возрасте от 20 до 30 лет с нормальным зрением. Наблюдение цели производилось бинокулярно.

П е р в а я с е р и я

Методика. В соответствии с задачей этой серии необходимо  было развести  источники  сигналов  движений  глаз.

Очевидно, что если испытуемый следит за зрительной целью, движение которой он задает сам, то информацию о ее перемещении он может получать одновременно из двух источников: «зрительного» и «двигательного». Последний может поставлять сигналы в двух формах: эффекторных команд и проприоцептивных импульсов. Такой смешанный тип сигнализации имел место в первом режиме. Во втором режиме устранялся зрительный источник путем отключения цели. Испытуемого просили следить за приводимой им в движение целью, как если бы она оставалась на экране. Эта инструкция имела смысл для испытуемых потому, что ей всегда предшествовали пробы первого режима.

Вторая серия

Методика. Во всех опытах этой серии испытуемый сам перемещал цель, которую он должен был отслеживать глазами. Варьировались способы движения рукоятки или задача, предъявляемая к движению рукоятки.

В соответствии с первой задачей испытуемые должны были произвести движение любой амплитуды и любой скорости.

Во второй задаче им предлагалось, двигая рукояткой, попасть целью в указанное место. Детали условий были следующими. При исходном положении рукоятки цель находилась в центре экрана. Справа или слева от нее в случайном месте на горизонтальной оси (в пределах ±1,5°) кратковременно высвечивалась метка. После того как метка гасла, испытуемого просили «бросить» цель в указанное место. Особенно подчеркивалось, что он должен сделать это одним движением, без поправок по ходу его (в инструкции говорилось: «бросьте рукоятку, как бросаете камень в цель»).

Третья задача предполагала также точное баллистическое движение руки; оно формировалось в предварительных тренировочных пробах. В этих пробах испытуемый упражнялся в том, чтобы одним движением сдвинуть рукоятку так, чтобы указатель, прикрепленный к рукоятке, попал на заданную метку шкалы. Конечно, для этого вначале ему приходилось смотр-еть на указатель и шкалу. Связь рукоятки с целью была отключена. В основных пробах связь рукоятки с целью восстанавливалась. Испытуемому называлась метка шкалы, и он должен был произвести движение соответствующей амплитуды, глядя уже на экран, по которому сдвигалась цель.

Таким образом, вторая и третья задачи носили метрический характер: они предполагали движения, соотнесенные с метрикой внешнего пространства. Во второй задаче эта метрика имела явную форму непосредственного зрительного источника; в третьей же задаче она составляла свойство внутреннего зрительного образа-представления. В отличие от двух последних задач первая задача предполагала построение движения «в координатах собственного тела».

Как уже говорилось, в этой серии предполагалось выяснить, как решается глазодвигательная задача слежения за целью в зависимости от типа афферентации движения руки, смещающего эту цель.

Результаты и их обсуждение. Образцы записи движений глаз во всех трех задачах приведены на рис. 9, 10 и 11.

Анализ записей показывает, что только в условиях первой задачи (рис. 9) глазодвигательное слежение осуществляется с большой точностью. Такая точность никогда не наблюдается при простом слежении за внешним зрительным сигналом. Следовательно, движение руки здесь не только не мешает, но и помогает решению глазодвигательной задачи. Возможные механизмы такой «помощи» как раз рассматривались в предыдущей серии.

Другую картину представляют записи на рис. 10 и 11. Здесь, несмотря на многократные напоминания экспериментатора о необходимости тщательного отслеживания зрительного сигнала, наблюдаются грубые нарушения глазодвигательной задачи.

Возможно, что в начальный период (сразу после подачи метки и до скачка глаз) зрительная система производит грубую оценку расстояния на основе сигналов с периферии (о том, что этот период занят какой-то содержательной работой, говорит его большая длительность в среднем 1,5 сек). Такая оценка возможна и при одновременной фиксации неподвижной точки. Однако непосредственно перед движением руки ответственность зрения повышается, поскольку в этот период окончательно формируются команды к баллистическому движению руки. Возникает необходимость более точной оценки расстояния. Зрительная система прибегает для этого к скачку, который перемещает проекцию отрезка между целью и меткой в новое положение на сетчатке. Организация такого перемещения является, по-видимому, средством уточнения расстояния (Бороздина, Гиппенрейтер, 1969). Но она приходит в конфликт с двигательной задачей и оттесняет ее. В условиях третьей задачи также наблюдается нарушение глазного отслеживания. Оно начинается вместе с движением руки и заканчивается сразу после него через О—100 мсек (рис. 11). Во время движения руки глаз медленно движется в том же направлении, однако амплитуда дрейфа намного меньше амплитуды смещения цели, так что к концу движения рассогласование между глазом и целью может достигать 1,5°. По завершении движения глаз «спохватывается» и, совершая поправочный скачок, возвращается к отслеживанию цели. Таким образом, мы видим, что и здесь двигательная ручная задача и задача слежения за целыо| решаются не одновременно, а поочередно.

Как уже отмечалось выше, в этих опытах движение руки! строится на основе зрительной информации, введенной ранее! и присутствующей в скрытой форме. Поэтому нарушение гла-зодвигательной задачи мы склонны здесь связать с включением в работу «внутреннего» зрения, обслуживающего движение руки.

Отражение в фиксационных движениях глаз степени участия зрительной системы в решении незрительных задач наблюдалось также в работах В. Я- Романова, Ю. Б. Гиппенрейтер и Г. Пика. Регистрируя ФОКН, они обнаружили по-, давление фазических движений (скачков) глаз в периоды1^ активного использования зрительных образов или «внутреннего слежения» за движениями собственной руки. В наших опытах этот же эффект выступил особенно отчетливо ввиду того, что наблюдался на фоне противоположной по смыслу инструкции следить за смещающейся целью. Тенденция к «замиранию» глаз в связи с усилением внутреннего контроля оказалась сильнее этой инструкции. Таким образом, здесь мы имеем случай отмены глазодвигательной задачи и вместе с тем подчинения движений глаз интересам «внутреннего» зрения вопреки интересам «внешнего» зрения.

Заключение

Анализ работы двигательной системы глаз в условиях ручного управления зрительной целью показал, что задача глазного слежения получает помощь со стороны движения р\ки тогда, когда последнее строится на достаточно низком уровне (ниже уровня С, по Н. А. Бернштейну). Исследование показало, что движения глаз в этом случае могут получать дополнительную информацию в виде копии эффекторных команд к руке. Правда, для полной реализации последних глазодвигательная система нуждается в воздействии перемещающегося зрительного сигнала, дубликатом которого являются эти команды.

В описываемых случаях двигательные системы руки и глаза образуют «синергию»; результатом ее является точное отслеживание зрительной цели, т. е. две задачи, глазодвигательная и двигательная ручная, решаются одновременно и успешно, т. к. они фактически сливаются в одну задачу.

Если, однако, движение руки требует для своего построения зрительной информации в любой форме (явной или скрытой), то на определенный период наступает нарушение глазодвигательной задачи. Это происходит потому, что движения глаз являются по своей природе обслуживающими движениями и та роль, которая утвердилась за ними, в филогенезе всегда выступает на первый план даже вопреки специально поставленной цели.

ЛИТЕРАТУРА

1.             Бернштейн Н. А.   О построении движений. М., «Медгиз», 1947

2.             Бороздина Л. В.,   Гиппенрейтер 10. Б.   О функциях движений глаз при зрительных оценках. «Вопросы психологии», 1969, №3.

3.             Р о к о т о в а Н. А.,   Б е р е ж н а я Е. К.,   Б о г и н а И. Д.   Моторные задачи и исполнительная деятельность. М., «Наука», 1971.

 4. Hoist E.   Relations between the central nervous system and the peripheral   organs.  «Brit.  Journ.   of   Anim.  Behav.»,   1954,   vol. 2, pp. 89—94.

5. Robinson D.  The oculomotor system of control. «Proceedings of the TEEE», 1968, vol. 56, pp. 31—48.

6. Steinbach M.,   Held R.   Eye tracking of observer—generated target movements. «Science», 1968, vol. 161, p. 187.

7.             Steinbach M.   Eye tracking of self—moved targets: the role of efference. «Journ. Exp. Psychol.», 1969, vol. 82, p. 366.

8.             Teuber H. L. Alterations of perception after brain injury. In: J. С. Есc1es (ed.) Brain and conscious experience. New York, 1966.