Глаза — это не только зеркало души, но и отличный датчик важной сенсорной информации, наполняющей окружающий мир. Наши глаза позволяют нам видеть цвета объектов, их форму, движения, если таковые имеются, и т.д. Все эти нюансы являются важными переменными в уравнении принятии того или иного решения. Кроме того, мы способны оценить (хотя бы примерно) число объектов, на которые смотрим. И вот ученые из Сиднейского университета (Австралия) установили, что механизмы, лежащие в основе восприятия количества, сокрыты в наших зрачках. Как именно зрачки помогают видеть число объектов, какие процессы протекают в момент восприятия, и как новые данные можно применить на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Когда мы видим зеленый банан, то сразу же понимаем, что он неспелый и есть его не стоит. Когда мы стоим перед обрывом шириной 30 метров и глубиной 50, то понимаем, что перепрыгнуть его сможем, только если Матрица реальная. Все это так или иначе связано с той информацией, что получают наши глаза. Это эволюционный механизм выживания вида — различать опасное и безопасное. А визуальные сенсорные данные помогают этому мыслительному процессу.

То же самое можно сказать и про восприятие количества. Глядя на плодовое дерево, мы можем оценить число плодов на ветках (много их или мало). Или глядя на стадо диких кабанов, мы можем оценить, стоит ли на них нападать или лучше обойтись легким вегетарианским ужином.

Способность воспринимать количество не уникальна для людей, она встречается практически у всех животных в той или иной степени развитости. Данные различных исследований свидетельствуют о том, что восприятие численности является основным и спонтанным чувством, часто называемым чувством числа. К примеру, у обезьян и ворон отдельные нейроны настроены на восприятие количества даже без какого-либо предварительного обучения. У людей же числовая дискриминация (т.е. отличить много от мало) наблюдается уже в первые часы жизни.

Пример простой диагностики нарушения саккад.

Визуальная обработка численности происходит крайне быстро: специфические для численности сигналы появляются в затылочной коре уже спустя 75 мс после появления стимула. В результате активируются нейронные схемы, преобразующие визуальную информацию о численности в глазодвигательную реакцию — за 190 мс происходит саккада (крайне быстрый перевод взгляда, порой непроизвольный и очень незначительный) на более многочисленную цель.

Скоростная съемка изменений зрачка в ответ на освещение (результат съемки с 05:11).

Что касается зрачков, то их фотозрачковый рефлекс является одним из основных сенсорных ответов, служащий в первую очередь для регулирования проникающего света и для адаптации к темноте. Но, даже если уровень освещения остается постоянным, размеры зрачка могут меняться в ответ на разные стимулы. К примеру, иллюзии яркости и размера и даже подразумеваемая яркость изображений солнца и луны могут вызвать сильное сужение зрачков. Подобная картина предполагает, подкорковые структуры, которые контролируют размер зрачка, получают модулирующие сигналы от областей более высокого уровня.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые использовали фотозрачковый рефлекс для изучения спонтанной природы восприятия количества.

Результаты исследования

Первым делом были проведены замеры зрачков, когда испытуемые просто смотрели на массив точек разной численности (реальной или иллюзорной).


Изображение №1

На 1A и 1B показаны примеры стимулов: использовались темные/яркие, черные/белые точки или линии на сером фоне. Использование двух версий иллюзии связности помогло исключить различные потенциальные артефакты. Стимулы различались как по физической, так и по воспринимаемой численности: они состояли из 18 или 24 точек, а в половине случаев воспринимаемая численность уменьшалась путем соединения пар точек в форме гантелей (т.е. количественная иллюзия).

Прямоугольники, соединяющие точки, в последующих опытах либо смещались в случайном положении (эксперимент №1), либо полностью удалялись (эксперимент №2). В обоих экспериментах все стимулы имели одинаковое общее количество белых или черных пикселей, независимо от количества деталей и связности, охватывая 92.7 кв. град. (квадратный градус) для эксперимента №1 и 82.3 кв. град. для эксперимента №2. Площадь для всех стимулов составляла 513 кв. град. Графики на 1C и 1D соответствуют преобразованию Фурье стимулов.

В первом опыте испытуемые не знали, что за опыт проводится, и что конкретно надо делать. Другими словами, ученые проводили пупиллометрию (оценка величины зрачка) в более естественных условиях. Затем испытуемых попросили оценить, какой из двух последовательно представленных массивов по их мнению содержит больше точек. Одни стимул был эталонным (18 отдельных точек), второй — пробным (соединенные или отдельные точки).


Изображение №2

Выше показаны примеры психофизических функций для двух экспериментальных условий (смещенные или удаленные точки) у типичного испытуемого.

Медиана функций (0.5 отклика) дает точку субъективного равенства (PSE от point of subjective equality) — количество, определенное в пробном опыте, которое соответствует эталонному.

В случае, когда соединительные линии были смещены, PSE была примерно 13, т.е. на 28% меньше, чем в случаях с отдельными точками (без каких-либо дополнительных фигур). Когда линии были удалены полностью, PSE составила 14, т.е. на 23%. На 2B и 2D показы общие результаты, усредненные по всем участникам. Среднее смещение при наличии соединенных точек составляло около 30% для стимулов со смещенной линией и 22% для стимулов с удаленной линией.

Учитывая силу эффекта, ученые предположили, что воспринимаемая численность стимула из 24 соединенных точек будет около 17 в эксперименте №1 и 19 в эксперименте №2, что довольно близко к результатам по оценке стимула из раздельных 18 точек. Параллельно ученые отслеживали и фиксировали размер зрачков, когда участники смотрели на стимулы (6 секунд на 1 сеанс).


Изображение №3

Испытания с изолированными и связанными стимулами смешивались в псевдослучайном порядке в рамках одного сеанса. На 3А показаны усредненные фотозрачковые ответы для эксперимента №1 (стимулы со смещенными линиями). Как и ожидалось, зрачок сужался для стимулов с белыми точками и расширялся для стимулов с черными точками.

Сужение, вызванное светом, было предсказуемо быстрее, чем вызванное темнотой расширение. Но их объединение (путем вычитания света из темновой реакции) дало сильный и устойчивый световой ответ в течение 6-секундной демонстрации стимула (3B). Важно отметить, что хотя общее количество пикселей (следовательно, яркость) всегда было одинаковым во всех четырех условиях, амплитуда модуляции размера зрачка явно варьировалась в зависимости от условий.

Для индексации силы реакции зрачков (3C) использовалась средняя разность в интервале 1–6 секунд (3B). Стимул с наивысшей воспринимаемой численностью (24 отдельных точек) вызвал самый сильный ответ, а стимул с наименьшей воспринимаемой численностью (18 соединенных точек) вызвал самый слабый ответ. Таким образом, сила фотозрачковой реакции зависела от численности, как физической (т.е. реальной), так и от воспринимаемой (реальной или иллюзорной). Двусторонний дисперсионный анализ (ANOVA) для повторных измерений (две численности, два уровня связности) подтвердил, что реакция зрачка модулировалась обоими факторами.

Графики 3D и 3E показывают реакции зрачков по времени для эксперимента №2 (с использованием альтернативной формы стимулов с изолированными точками с удаленными линиями), которые были аналогичны таковым в эксперименте №1. Ответы на яркое и темное (3D), их различие (3E) для четырех классов стимулов и средняя разница в фиксированном окне (1–6 с; 3F) были аналогичны приведенным выше. Опять же, разница в реакции зрачков была самой сильной для 24 изолированных и самой слабой для 18 соединенных точек.

Ученые отмечают, что усреднение размеров зрачка за фиксированный промежуток времени (1-6 секунд в данном случае) является стандартным методом пупиллометрии. Однако это повышает вероятность того, что результаты могут зависеть от длины временного промежутка. Посему было решено провести дополнительный анализ, в котором моделировались временные промежутки зрачка, предполагая, что они являются результатом линейной комбинации трех предикторов, свернутых с функцией реакции зрачка. Функция реакции была оценена для отдельных зрачков с использованием их среднего времени реакции в зависимости от условий. Тремя предикторами были показаны появление/исчезновение стимула и время на экране. Их веса представляют силу кратковременных и устойчивых реакций зрачков. Учитывая предполагаемую функцию реакции, ученые подогнали изменения зрачка от каждого условия и участника, получив β-веса, представляющие вклад каждого предиктора в наблюдаемую реакцию.

Первым делом была изучена устойчивая реакция для оценки влияния численности на реакцию зрачка на яркость. β-веса для устойчивого предиктора варьировались в зависимости от условий. β-веса были самыми высокими для 24 отдельных точек, наименьшими для 18 соединенных точек и давали промежуточные значения для 18 отдельных или 24 соединенных точек.

Становится очевидно, что стимулы с более высокой воспринимаемой численностью точек дают более выраженную реакцию зрачков — расширение при черных точках и сужение при белых. Таким образом, любой потенциальный артефакт (ошибка, проще говоря), который предсказывает однонаправленные изменения, вряд ли может опровергнуть полученные результаты.

Хотя общее количество пикселей и, следовательно, средняя яркость не менялись в зависимости от условий в каждом эксперименте, манипуляции все же вызывали небольшие вариации в содержании пространственной частоты, что могло повлиять на реакцию зрачка. На 1C и 1D изображены пространственно-частотно-амплитудные спектры для четырех условий двух экспериментов. Хотя нет больших различий в амплитуде, есть некоторые незначительные различия на определенных частотах, которые потенциально могут испортить результаты.

Однако эти небольшие различия не соответствуют тому направлению, которое необходимо для объяснения наблюдаемых эффектов в обоих экспериментах. Например, для эксперимента №1 (смещенные линии) амплитуда выше для отдельных точек, вызывающих более сильные реакции зрачков. Однако ситуация обратная для стимулов из эксперимента №2 (удаленные линии), где амплитуда выше для объединенных точек, вызывающих более слабые реакции зрачков. Следовательно, амплитуда Фурье не может объяснить результаты обоих экспериментов, что было основной мотивацией для использования обоих типов манипуляций со стимулами.

Еще одним возможным источником искажения результатов может быть тот факт, что стимулы с более высокой воспринимаемой численностью имеют более высокую воспринимаемую яркость. Но это маловероятно, так как очевидных различий в видимой яркости при рассмотрении стимулов на изображении №1 нет. Проведенные дополнительные тесты показали, что каких-либо отличий в видимой яркости между четырьмя условиями нет, что исключает возможное негативное влияние на результаты опытов.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые провели ряд испытаний, подтвердивших, что реакция зрачков напрямую зависит не только от степени воспринимаемого света, но и от численности предоставленных к рассмотрению объектов.

Работа зрачков в условиях разной освещенности достаточно проста (на первый взгляд): они расширяются, когда света мало, и сужаются, когда его много. В предыдущей своей работе ученые установили, что размер зрачка также регулируется когнитивными и перцептивными факторами. Этот факт и натолкнул их на мысль изучить зрачки в рамках восприятия численности.

В ходе опытов испытуемым были предоставлены изображения с 18 или 24 точками на сером фоне, которые были либо отдельными, либо соединенными с помощью линий. Во втором случае число точек остается прежним, но вот воспринимается иначе за счет объединения двух точек в одну фигуру (гантель). Результаты опытов показали, что независимо от одинакового числа светлых и темных пикселей во всех изображениях, диаметр зрачков варьировался в зависимости от воспринимаемого количества точек (расширение при большом числе точек и сужение при малом).

Эти результаты наглядно подтверждают, что информация относительно численности, обрабатываемая мозгом, напрямую связана с восприятием. По мнению ученых, это открытие может иметь ряд практических применений. К примеру, отслеживание реакции зрачков на разное число объектов можно применить для ранней диагностики дискалькулии — неспособности к изучению арифметики, связанной с отсутствием субитизации, т.е. определения количества предметов в поле зрения. При этом метод диагностики будет очень прост, доступен и безопасен.


Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?