Интеллектуальные развлечения. Интересные иллюзии, логические игры и загадки.

В.А.БАРАБАНЩИКОВ, М.М.МИЛАД
МЕТОДЫ ОКУЛОГРАФИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ПОЗНАВАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ И ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Москва 1994

ББК 88.2 Б 24
Барабанщиков В.А., Л илад М.М.
Б 24 Методы окулографии в исследовании познавательных процессов и деятельности. М.: Институт психологии
РАН, 1994 - 88 с.
ISBN 5 - 02 - 13318 - 3
Проводится сравнительный анализ методов регистрации окуломоторной активности человека. Рассматриваются их возможности, ограничения и перспективы использования в исследовании познавательных процессов и деятельности человека.
Книга предназначается психологам, физиологам, эргономистам, офтальмологам и может быть рекомендована студентам психологических факультетов ВУЗов в качестве пособия по курсам «Психология восприятия» . «Методы психологического исследования».
Рецензенты:
Д.Н.Завалишина, доктРр психологических наук
В.И.Козлов, кандидат психологических наук
На обложке испольэ-ован графический этюд художника-втерналиста АЛ.Неумыеакина
ISBN 5-02-13318-3
Барабанщ5иков Владимир Александрович, Милад Махмуд Мухамад
Издание книги поддержано Российски*«Фондом фунАаментальных исследований (код проекта 94-(06-193Ю, гранд № 18)
ВВЕДЕНИЕ
Широкое увлечение «личностным инструментарием» (опросникaми, тестами и т. п.), охватившее российскую психологию в последнее десятилетие, оттеснило на задний план аппаратурные методы, традиционно связанные с изучением познавательной сферы человека и его деятельности. Между тeм, аппаратурный эксперимент имеет в отечественной науке не только глубокие кopни, но и мощный методический «задел», способный обеспе-чить достижения самого высокого уровня. В его состав по праву входят и методы окулографни.
Окулография - сравнительно молодая область знания и практики, занимающаяся разработкой средств и процедур регистрации (измерения) движений глав. Она имеет междисциплинарный характер, обслуживая комплекс наук, изучающих ориентировку индивида в среде и организацию форм его активности (психологию, физиологию, кибернетику, механику и Др.). В рамках психологии методы окулографии используются при анализе процессов зрительного восприятия, внимания, представления, наглядно-действенного мышления, координации движений и регуляции деятельности. При этом они выступают не только как средство исследования, но и как средство диагностики и обучения.
Задача измерения позиции или перемещения глаз в орбитах была осознана в России еще в прошлом веке и первоначально решалась с помощью субъективных процедур: о характере окуломоторной активности испытуемого судили по косвенным признакам - изменению восприятия относительного положения или величины объектов, смещению послеобраза или особенноетям энтоптнческих явлений (Шляхтин, 1866; Янский, 1866;г Воинов, 1873). Непосредственно перед Великой Отечественной > войной проводились аппаратурные наблюдения за движениями глаз (Гассовский, Никольская, 1941). Объективные методы регистрации (собственно окулография), позволяющие вести измерения глазодвигательной активности в ходе выполнения испытуемым различных задач, стали разрабатываться в 50-х годах и уже в 60-70-е годы получили широкое распространение (Ярбус, 1965; Запорожец, Венгер, Зинченко, Рузская, 1967; Гуревич, 1971; Ломов, Вергилес, 1975; Гиппенрейтер, 1978 и др.). В настоящее время можно выделить пять базовых способов регистрации движений глаз человека: (1) киносъемку, (2) электроокулографию, (3) фотооптический, (4) фотоэлектрический и (5) электромагнитный методы, каждый из которых вносит свой вклад в решение психологических проблем, имеет как положительные, так и отрицательные стороны и реализует различный методический потенциал. Их дальнейшая разработка ведет к модификации арсенала средств психологической науки и получению нового более глубокого знания о природе человеческой психики.
Цель данной работы - познакомить читателей (особенно молодых) с основными методами окулографии и теми возможностями, которые они предоставляют исследователям познавательных процессов и деятельности. Она написана на материале экспериментальных исследований глазодвигательной активности человека, выполненных в России за последние десятилетия, и, является попыткой обобщения (по методическому основанию) того, что сделано и делается в данной области.
Книга не претендует на роль практического руководства по окулографии или сборника конкретных методик регистрации движений глаз. Скорее, это «путеводитель» по основным методам окулографии, призванный сориентировать читателя в средствах измерения и оценки глазодвигательной активности и ввести его в проблематику исследований движений глаз. С решением данной задачи связано использование большого иллюстративного материала, включая оригинальные примеры оку-лограмм, н относительно полного списка литературных источников, опубликованных по теме на русском языке. ,
Работа адресуется психологам, физиологам, эргономистам, офтальмологам н может быть рекомендована студентам психологических факультетов ВУЗов в качестве учебного пособия по соответствующим разделам курсов «Психология восприятия», «Методы психологического исследования».
ГЛАЗОДВИГАТЕЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ
В процессе эволюции глаза формировались как органы зрения, обеспечивающие организмам днстантную ориентацию в оптически разнородной среде. По своему строению и способу функционирования это - уникальное устройство преобразования светового потока в активность нервной ткани, которая лежит в основе разнообразных психических явлений: зрительных ощущений, восприятий, представлений и т.п.


Рис.1. Внешний вид глаза человека
Внешний вид глаза человека изображен на рис. 1. Конъюнктива - белая соединительная ткань, пронизанная мелкими кровеносными сосудами, в передней части глазного яблока переходит в более изогнутую и прозрачную роговицу. Позади роговицы располагается пигментированная (серая, синяя или каряя) радужная оболочка, обрамляющая зрачок. В зависимости от интенсивности светового потока диаметр зрачка может меняться. Конъюнктива и роговица покрыты тонкой пленкой слезной жидкости, которая равномерно распределяется при
движении век (мигании). Слезная жидкость улучшает оптические свойства поверхности роговицы, выполняет роль смазки и защищает глаз от проникновения инфекции.


Рис. 2. Строение глаза (Грюссвр, Грюссвр-Корнвльс, 1984)
Оптическая система глаза представляет собой неточно центрированную систему линз, которая формирует перевернутое, сильно уменьшенное и искаженное изображение (ретинальный образ) источников света. Отраженный свет проникает в глаз сквозь роговицу, проходит через хрусталик, обладающий способностью менять свою преломляющую силу, стекловидное тело (желеподобную жидкость, заполняющую глаз), сложную сеть кровеносных сосудов, дендритов и аксонов нейронов, попадая, наконец, на светочувствительную поверхность сетчатки (рис. 2). Именно здесь происходит первичная обработка оптической информации и посылаются соответствующие сигналы в вышележащие отделы центральной нервной системы.
Светочувствительные клетки (рецепторы) расположены на поверхности сетчатки неравномерно. Наиболее плотно они сосредоточены в небольшой (1,3 угл.град.) области около пересечения
плоскости сетчатки с оптической осью глаза. Данная область - fovea centra» - обеспечивает наивысшую разрешающую способность глаза. С увеличением эксцентриситета плотность рецепторов постепенно падает, а разрешающая способность глаза -уменьшается. Исключение составляет небольшая область вхождения зрительного нерва в глазное яблоко - слепое пятно (16-18 угл.град. по горизонтальному меридиану назальной части сетчатки). Она лишена фоторецепторов и неспособна вызвать зрительный процесс. Сетчатка каждого глаза обеспечивает возможность восприятия ахроматических объектов в зоне —150 угл.град. (по горизонтали) н —130 угл.град. (по вертикали), при этом центр поля зрения смещен к назальной части примерно на 15 угл.град.
С неоднородностью разрешающей способности тесно связано другое свойство - мобильность, или изменение местоположения глаза в орбите. Глаз - не только орган зрения, но и орган движения. Каждый зрительный акт предполагает окуломоторную активность, посредством которой осуществляется поиск необходимого объекта, его выделение из фона, рассматривание или «мысленное преобразование». Это обстоятельство и позволяет использовать параметры движений глаз в качестве индикаторов перцептивного процесса и связанных с ним форм деятельности.
Глаз человека приводится в движение шестью наружными мышцами, укрепленными в глазной впадине (рис. 3). Несмотря на отсутствие центра подвеса или физической оси вращения, глазное яблоко вращается относительно постоянного центра, расположенного внутри глаза на зрительной оси. Расстояние между вершиной роговицы н центром вращения глаза приблизительно равно 13,5 мм.
Известны восемь основных видов движений глаз: тремор, дрейф, микро- и макросаккады, прослеживающие, вергентные. торзионные движения и нистагм. Каждый из них обладает характерными биомеханическими свойствами (амплитудой, скоростью, частотой, траекторией и т.д.) и подчинен соответствующей системе контроля (Ярбус, 1965; Леушина, 1971; Шахнович, 1974; Apern. 1973; Bach-Y-Rita, Coins, 1971; Ditchbum, 1973 и др.).
8


Рис. 3. Мышечный аппарат глаз
Тремор - мелкие, частые колебания глаз (рис. 4). Средняя амплитуда - 20-40", частота - до 250-270 Гц. В результате тремора ось глаза описывает аллипсоподобные фигуры. Тремор - естественный двигательный фон окуломоторной активности, неподдающийся произвольному контролю. Дрейф - медленное, плавное перемещение глаза, прерыва¬ емое микроскачками (рис. 5, А). Скорость дрейфа меняется от 0 до 40 угл.град./с , длительность - от 30 до 5000 мс. При фиксации объекта на дрейф приходится 97% времени. Счита¬ ется, что дрейф создает наиболее благоприятные окуломоторные условия для приема и переработки оптической информации.
3. Микросаккады - быстрые движения продолжительностью 10-20 мс. Диапазон амплитуды • 2-50', скорость от 3 до 12 угл.град./с. Микросаккады плохо поддаются произвольному контролю и возникают при фиксации объектов. Периодические «сплывы» глаз, компенсируемые мнкросаккадами, образуют . самостоятельную двигательную единицу - физиологический ни¬стагм (рис.. 5, Б).

Рис. 4. Тремор глаз в Корме (Шахнович, 1974)
1 - тремограмма правого глаза; 2 - тремограмма левого глаза; внизу гистограмма тремора правого (черные столбики) и левого (белые столбики) глаз; по оси ординат - процентное соотношение отдельных частот в спектре тремора; по оси абсцисс - в логарифмическом масштабе частота тремора в Гц.
Тремор, дрейф и малоамплитудные саккады обычно относят к категории микродвижений глаз, противопоставляя их макродвижениям: крупноамлитудным саккадам, прослеживающим и вергентным движениям. Если микродвижения связаны преимущественно с сохранением, то макродвижения - с изменением местоположения глаз в орбите.
4. Макросаккады - резкие изменения позиции глаза, отличающиеся высокой скоростью и точностью (рис. 6). Амплитуда саккад варьирует в широких пределах от 40-50 угл.мин. до 5010

6 0
Рис. 5. Записи горизонтальной составляющей:
А - движений двух глаз на фотокимографе в процессе фиксации неподвижной точки испытуемых. На записи хорошо видна асинхрон-ность дрейфов глаз и тремор (Ярбус. 1965). Б - фиксационного нистагма у трех различных испытуемых: а - «правосторонний», б -«левосторонний», в -«центральный» (Гиппенрейтер, 1978).
60 угл.град., но в естественных условиях восприятия не превышает 20 угл.град. Продолжительность, скорость и ускорение движения находятся в степенной зависимости от его амплитуды. Скорость саккады плавно достигает максимума (примерно в середине пути) и затем плавно убывает до 0. Максимальная скорость двадцатиградусного скачка - 450 угл.град./с, его продолжительность - 70 мс. Средняя частота саккадических движений - 2-3 Гц. Как правило они совершаются по кратчайшей прямой между смежными точками фиксации, но в принципе их
11

Рис. 6. А - запись скачков глаз между углами квадрата на неподвижную светочувствительную бумагу (Ярбус, 1965). Б - электроокулог-рамма фиксационного поворота глаз: последовательная фиксация верхней и нижней светящихся точек (Гуревич, 1971).
траектория может иметь синусоидальную, крючкообразную и другие неправильные формы. Сяккады возникают при смене точек фиксации, например, во время рассматривания картины, поиска заданного объекта, пересчета элементов и др., и обычно носят произвольный характер (имеется в виду произвольность выбора наблюдателем нового объекта фиксации; произвольно изменить продолжительность, скорость или ускорение макросак-кады невозможно). В момент скачка складываются наименее благоприятные условия для получения оптической информации. 5. Прослеживающие движения - плавные перемещения глаз, возникающие при движении объектов поля зрения (рис. 7). Они обеспечивают сохранение изображения фиксируемого объекта в зоне наилучшего видения. Прослеживающие движения глаз появляются непроизвольно через 150-200 мс после начала движения объекта и продолжаются в течение 300 мс после его остановки или исчезновения. Основной диапазон скоростей -5'/с - 90 угл.град./с. Амплитуда движений ограничивается пределами моторного поля глаза (плюс-минус 60 угл.град. по горизонтали и плюс-минус 40 угл.град. по вертикали). За
12


Рис. 7. Режим плавного слежения за перемещающейся точкой: А - предсказуемая траектория; Б - непредсказуемая траектория (часть параболы) (Милсум, 1968).
13
небольшим исключением вызвать прослеживающие движения произвольно (например, по представлению движущегося объекта) невозможно. Прослеживающие движения глаз существенно расширяют диапазон скоростей движения объектов, при котором сохраняется их эффективное восприятие. Другим источником плавных движений являются повороты головы. Однако в атом случае параметры движений глаз могут вообще не зависеть от свойств оптической стимуляции (они сохраняются и в темноте).


Рис. 8 Вергентные движения глаз при смене точек фиксации (Ярбус, 1965)
6. Вергентные движения - сведение (конвергенция) или разведение (дивергенция) оптических осей глаз (рис. 8). Они включены в процесс стереоскопического зрения, обеспечивая необходимое соответствие проекций объекта на сетчатках обоих глаз. При фиксации зрительные оси пересекаются на наблюдаемом объекте. Стимулом вергентных движений является диспа-ратность и диплопия (раздвоение) изображений нового объекта фиксации вследствие раздражения несимметричных областей сетчаток. Движеиия возникают через 200 мс после появления объекта и продолжаются несколько сот миллисекунд. Они носят преимущественно плавный характер с максимальной скоростью
14

в несколько десятков угловых градусов в ~екунду. В момент конвергенции (дивергенции) зрительная способность глаз сохраняется.


Рис. 9. Записи ротационных движений глаз (вверху) при наклонах головы из стороны в сторону (внизу). Стрелки указывают направление против часовой стрелки (Белопольский, Вергилес, 1990)


Рис. 10. Оптокинетический нистагм. Три верхние кривые - запись горизонтальных движений глаз: для правого глаза, для левого глаза, обоих глаз одновременно: две нижние кривые - запись вертикальных движений правого и левого глаза. Видна четкая синхронность всех 3 кривых записи горизонтальных движений глаз. На вертикальные каналы горизонтальные движения глаз почти не передаются. Амплитуда нистагма колеблется в пределах 18-16-5 утл. град. Ритм 22 удара за 10 сек. Соотношение быстрой и медленной фаз 1 : 7; 1 : 4 (Благовещенская, 1968).
15

Торяионные, или ротационные движения - вращательные перемещения глаз относительно огпическои оси (рис. 9). Они содержат как саккадический, так и плавный компонент; ампли¬ туда движений ограничена 10 утл. град. Основное назначение - частичная компенсация наклонов головы относительно гравита¬ ционной вертикали. Нистагм - устойчивая окуломоторная структура, включа¬ ющая чередование саккад и плавных прослеживающих движений (рис. 10). Амплитуда, частота и форма нистагма широко варьируют в пределах параметров базовых видов движений и зависят от его природы; нистагм может иметь оптическое (например, оптокинетический нистагм), эхоическое (вестибуляр¬ ный нистагм), центральное (виды врожденного нистагма) про¬ исхождение. Функция нистагма -компенсация нарушений зри¬ тельной и вестибулярной систем или сохранения эффективности восприятия элементов движущейся среды, имеющей регулярную структуру.

Рассмотренные виды окуломоторнон активности скоординированы в пространстве и времени и реализуются параллельно (за исключением тремора и дрейфа) каждым из глаэ. Более того, они согласованы с другими моторными процессами, протекающими как в самом глазу (изменение кривизны хрусталика, диаметра зрачка, ширины глазной щели), так и в других системах организма (движения головы, рук, локомоции). За каждым видом движений и их синтезами всегда стоит некоторое целое, включающее наряду с эффекторами рецепторные аппараты (сетчатка, лабиринт, мышечные веретена) и контролирующие инстанции центральной нервной системы (верхние бугорки четверохолмия, ядра наружного коленчатого тела, мозжечок, зрительная и лобная области коры) (рис. 11). Подобное объединение на основе общей функции - изменения либо сохранения положения глаз в орбитах - получило название глазодвигательной системы (ГДС) (Леушина, 1972; Владимиров, Хомская, 1981; Apern, 1972). По способу функционирования она относится к системам управления с отрицательной обратной
16

Лабиринт
Рис. 11. Схематическое изображение глазодвигательной системы человека
связью, т.е. реагирует на рассогласование между требуемым и действительным положением или скоростью смещения глаз (Милсум, 1968; Андреева, Вергнлес, Ломов, 1975; Fender, Nye, 1961; Robinson, 1975). В зависимости от каналов афферентно17

эфферентного взаимодействия и ведущего принципа управления в рамках ГДС дифференцируются субсистемы, ответственные за выполнение отдельных видов движений. К ним относятся, в частности, саккадическая и плавная прослеживающая субсистемы; первая стимулируется «позиционной ошибкой» локализации объекта относительно глаз, вторая - векторной скоростью воспринимаемого объекта (Rashbass, 1961; Robinson, 1964, 1965; Fuch, 1971). Очевидно, что анализ окуломоторной активности - путь, ведущий к пониманию принципов и механизмов биологических систем регулирования, разновидностью которых является ГДС, роли движений глаз в процессе зрения, а также к диагностике функционального состояния различных отделов зрительной системы и ее межсистемных связей.
На уровне психической организации индивида движения глаз включены в осуществление процессов познания и деятельности. Человек не только принимает и перерабатывает зрительную информацию, но так или иначе относится к ней. Активное познавательное отношение к воспринимаемому находит выражение в феномене взора - визуальной направленности субъекта на определенный элемент или отношение наличной ситуации, которая проявляется в соответствующей ориентации оптических осей глаз. В зависимости от степени включенности человека в ситуацию взор может быть «осмысленным» или «отсутствующим»; в зависимости от площади предмета зрительного восприятия - «тупым» или «острым»; в зависимости от степени информационной загруженности -«пристальным» или «скользящим»; в условиях невербального общения он может выполнять функцию знака: указывать партнеру направление движения либо предмет, свойства которого необходимо учесть. В любом случае это показатель некоторой внутренней работы человека, его актуального состояния или намерения.
Участвуя в реализации взаимодействия человека с миром (деятельности, общения, учения, игры) движения глаз приобретают статус операций и действий, т.е. оформляются в целостные окуломоторные образования (структуры), которые побуждают 18

ся определенным мотивом, ориентированы на достижение конкретной цели, соотносятся с условиями выполнения деятельности (Запорожец, Венгер, Зинченко, Рузская, 1967; Гиппенрейтер, 1978). Сохраняясь лишь доли секунды, глазодвигательный акт подчиняется тем же самым законам, по которым строится любое произвольное движение (Бернштейн, 1990). По-существу, целенаправленное перемещение либо сохранение позиции глаз в орбитах выражает решение двигательной (окуломоторной) задачи (Шахнович, 1974; Гиппенрейтер, 1978; Гиппенрейтер, Романов, 1990). Ее предметное содержание, с одной стороны, определяет состав и структуру сенсорных коррекций, моторные единицы, ведущий уровень организации и способ выполнения движений глаз, с другой - определяется характером взаимодействия индивида со средой, человека с миром. Познавательная потребность, схема ситуации, пространство зрительно воспринимаемых отношений, план действия, установка и состояние наблюдателя, перцептивные и интеллектуальные операции входят в окуломоторный акт в качестве его психологического содержания (Барабанщиков, 1990).
Анализируя движения глаз, исследователь получает возможность раскрыть закономерности организации психических (прежде всего познавательных) процессов, диагностировать степень их развития или деструкции (в случае патологии) и определить место в структуре деятельности. Обращение к движениям глаз особенно аффективно при изучении познания и деятельности человека в визуально данной или визуализируемой ситуации: при выполнении задач зрительного восприятия, пространственных представлений, наглядно-действенного и наглядно-образного (визуального) мышления, которые имеют отчетливо выраженную развернутую во времени ориентировочную, или исследовательскую, фазу. Типичными здесь являются решение лабиринтных н шахматных задач, графическая (вообще изобразительная) деятельность, процессы чтения, поиска заданного объекта . на фоне других, рассматривания изображений, пересчета элементов, установление отношений.
19

Включаясь в разные системы связен и отношений, движения глаз несут полезную информацию о процессах ЦНС, способах регулирования движении, организации познавательных процессов, состояниях человека и его деятельности. Чтобы получить ее, необходимо уметь регистрировать окуломоторную активность.
В настоящее время известно много способов измерения и оценки движений глаз человека (Ярбус, 1965; Запорожец, Венгер, Зинченко, Рузская, 1967; Зинченко, Вергилес, 1969; Владимиров, 1972; Шахнович, 1974; Крищунас, 1981; Смирнов. 1984; Bach-Y-Rita, Coins, 1971; Lennerstrand, Bach-Y-Rita, 1975; Monty, Senders, 1976; Fisher, Monty, Senders, 1981; Groner, Menz, Fisher, Monty, 1983; Gae, Johnson, 1984; O'Regan, Levy-Schoen. 1987; Luer et a., 1988 и др.), среди которых наиболее разработаны киносъемка, алектроокулогра-фия, фотооптический, фотоэлектрический и электромагнитный методы. Рассмотрим их подробнее, обращая внимание на (1) физический (технический) принцип, лежащий в основе каждого из методов, (2) их возможности и недостатки, (3) научные проблемы, решаемые с их помощью, а также (4) характер получаемых данных.
20
КИНОРЕГИСТРАЦИЯ
Метод кинорегистрации включает три взаимосвязанные процедуры: (1) киносъемку положения глаз испытуемого в процессе решения зрительных, мнемических и интеллектуальных задач, (2) покадровый анализ пленки и (3) наложение траектории перемещения глаз на экспонируемый объект или тестовую ситуацию. Во время съемки объектив кинокамеры устанавливается против лица испытуемого в плоскости экрана, на который экспонируется объект, на расстоянии 50-80 см. Скорость съемки выбирается в зависимости от целей эксперимента: чем точнее необходимо определить пространственно-временные характеристики окуломоторной активности, тем более высокая скорость (частота кадров в секунду) должна быть использована (рис. 12). Абсолютное положение глаз испытуемого реконструируется экспериментатором по окончании опытов в ходе покадровой обработки пленки (на специализированном проекторе). Источником информации об окуломоторной активности служит смещение изображения контролируемого элемента глаза (край или центр зрачка, кровеносный сосуд склеры, роговичный блик и т.п.) относительно неподвижной части лица или оборудования. Траектория движений глаз устанавливается путем сопоставления относительного положения контролируемого элемента в смежных кадрах, а длительность движений - по соответствующему ему числу кадров. Построенная на масштабной бумаге циклограмма движений глаз при помощи пантографа переносится на копию экспонируемого объекта.
Метод ориентирован на измерение макродвижений глаз. Обеспечиваемая точность измерений - 1-2 утл. град. Возможна
21
моно- и бинокулярная регистрация. Метод позволяет определить маршруты движений глаз относительно поверхности объекта, число и длительность фиксаций элементов стимульной ситуации больших угловых размеров (свыше 2-3 угл. град.), направление и скорость прослеживающих движений глаз, смену фиксаций разноудаленных объектов и некоторые другие характеристики окуломоторной активности.


Рис. 12 Акт конвергенции в норме (Шахнович, Шахнович, 1964). Скорость кинематографической записи - 10 кадров в секунду. Слева кинокадры. 1-й, 13-й, 36-й. Справа последовательные отпечатки диаметров зрачков с кинокадров. Сведение зрительных осей правого (I) и левого (II) глаза приводит к сужению зрачков (уменьшение столбиков на кривой) На столбиках в виде вертикальных линий отпечатывается шкала-масштаб, по которой можно определить абсолютные значения диаметра зрачка. Расстояние между двумя линиями соответствует 2 мм
Киносъемка является достаточно удобным (а в некоторых случаях единственным) средством измерения окуломоторной активности у детей, отдельных категорий больных, а также у операторов различных систем управления. Ее главное достоинство -прямая запись и связанные с этим безынерционность и достоверность регистрации. Это позволяет, в частности, проводить исследования без предварительной калибровки, вычисляя
22
измеряемую позицию глаз на основе несложной формулы (Шахнович, Шахнович, 1964). К достоинствам относится и бесконтактность метода, а также возможность сохранения испытуемым естественной позы и небольших смещений головы. Вместе с тем, он чувствителен к условиям освещения поверхности лица испытуемого (что сужает круг решаемых задач) и отличается высокой трудоемкостью покадровой обработки материала. Основное предназначение рассматриваемого метода -лабораторный и естественный эксперимент.
Конкретные методики кинорегистрации движений глаз с указанием аппаратуры, стимульного материала, процедуры получения и обработки данных описаны в работах В.П.Зинченко (1956), Д.Н.Завалишиной (1965) и О.К.Тихомировым (1969).
В России киносъемка движений глаз использовалась с середины 50-х до начала 70-х годов. Уже первые исследования окуломоторной активности (Зинченко, 1956; 1958) позволили установить, что движения глаз не только разнообразны по форме (пространственно-временным характеристикам), но и выполняют в познавательном процессе различные функции: ориентировки, поиска, установки в оптимальное положение, измерения, контроля. К числу функций движений глаз были отнесены также построение зрительного образа н опознавание.
Сравнительный анализ исследовательских движений глаза и руки, в том числе в условиях их параллельной регистрации (Зинченко, 1956; Зинченко, Ломов, 1960) показал, что выделенные функции характерны и для движений рук. Более того, в процессе формирования образа эти функции меняются. При построении нового образа и движения глаз, и движения рук осуществляют как бы развертку контура предмета. Однако, изоморфность контура и траектории движений оказывается относительной. Органы чувств как бы постоянно «отвлекаются» от линий контура: возвращаются в предшествующую позицию, переходят к элементам, лежащим на противоположной стороне воспринимаемого объекта и т.п.; движения органов чувств дискретны и неравномерны, а перевод взора очень часто
23
оказывается «неточным». При повторных предъявлениях того же объекта двигательные компоненты перестраиваются; сокращается время «ощупывания» и амплитуда движений, а паттерны фиксаций приобретают стабильный характер. В конце концов возникает такая ситуация, в которой для адекватного восприятия сложного, но хорошо известного объекта, достаточно одной-двух фиксаций. В отличие от осязательной, зрительная ориентировка в новой ситуации приводит к более широкому, но менее детальному ознакомлению и связана с исполнительным действием скорее косвенно. Глаз оказывается более свободным в выборе маршрута своего движения, сохраняя «привязку» к информационно значимым областям объекта. Маршруты движений глаз при решении задачи зрительного поиска представлены, на рис. 13.


Рис. 13 Зрительный поиск и последующее зрительное прохождение лабиринта а, б, в - поиск выхода из лабиринта, г -первое прохождение лабиринта, д - второе прохождение лабиринта (Эинченко, 1967)
24
В работе В.Э.Мильмана (1962; 1964) было показано (на примере задач прохождения лабиринта), что с увеличением неопределенности выбора последующего шага в решении задачи продолжительность зрительной фиксации возрастает. Это позволяет рассматривать временные характеристики фиксаций как показатель напряженности испытуемого при решении зрительных задач.
Пожалуй, наиболее эффективно метод кинорегистрации был использован при изучении развития перцептивных действий (Зинченко, 1964; 1967; Зинченко, Ван Чжи-Цин, Тараканов, 1962). Объектом исследования служили дети четырех возрастных групп (от трех до шести лет); предметом - зрительное восприятие формы. Было обнаружено, что развитие перцептивного действия идет по линии все более адекватного (задаче и предъявляемому материалу) выделения информационного содержания объекта и совершенствования способов его обследования. Каждому возрастному «срезу» соответствуют свой временной режим и фиксационные маршруты глаз. Общая тенденция развития состоит в постепенной редукции объема движений и снижении степени изоморфности структуры воспринимаемого предмета и пространственного распределения точек фиксации. Данные, полученные в атих исследованиях, легли в основу моторной, или, вернее, праксеологической теории восприятия (Зинченко, 1964,1967), ядро которой составляет предложенная А.Н.Аеонтьевым гипотеза уподобления динамики процессов в реципирующей системе, в частности, движений глаз, свойствам внешнего воздействия (Леонтьев, 1972).
Д.Н.Завалишина (1964, 1965, 1968) использовала кинорегистрацию движений глаз при анализе структуры интеллектуальной деятельности (на материале решения оперативных задач дискретного типа - игра «5»). Согласно ее данным, интеллектуальная деятельность развертывается на двух уровнях : перцептивном и собственно мыслительном, каждый из которых по-разному отражается в характеристиках окуломоторной активности. Этапам процесса решения интеллектуальной задачи (озна25
комлеиие с проблемной ситуацией, разработка вариантов решения, формирование окончательного решения) соответствуют характерные маршруты движений глаз, разные длительности и число зрительных фиксаций.
По мнению В.Н.Пушкина (1965,1971), метод кннорегистра-ции является достаточно эффективным средством психологического анализа процесса решения оперативных (шахматных) задач. Он позволяет, в частности, дифференцировать проблемные участки ситуации, проследить процесс укрупнения информационных единиц оперирования материалом и выявить момент подготовки испытуемым верного решения. В этом смысле глаз выступает как «орган мышления».
Более детально анализ окуломоторной активности в ходе решения шахматных задач выполнен О.К.Тихомировым и Э.Д.Телегиной (Тихомиров, 1969; Поэнанская, Тихомиров, 1969; Телегина, 1970). Согласно этим авторам, маршруты зрительных фиксаций отражают смысловую структуру процесса решения задачи (рис.14), а исследовательская активность глаз необходима для установления функциональных отношений между элементами проблемной ситуации.




Рис 14. a - позиция на шахматной доске перед выбором 17-го хода черных, последний ход противника С дЗ; б - движения глаз испытуемого (Тихомиров, 1969)
26
Проведенные эксперименты позволили специфицировать зону ориентировки испытуемого в конкретной ситуации и факторы, определяющие ее объем (новая гипотеза, перенос результатов исследовательской деятельности из одной ситуации в другую и т.п.), описать тактики поиска решения, проанализировать соотношение средств и целей в процессе решения мыслительной задачи, охарактеризовать функциональное развитие механизмов зрительного поиска решения задачи. Как следует из данного цикла работ, при выполнении наглядно-действенных и/или Наглядно-образных задач глазодвигательная активность является более информативным индикатором мыслительного процесса, чем словесный отчет - один из основных методов традиционного исследования мышления.
В практическом плане метод кинорегнстрации применим для решения задач оптимизации конкретных видов операторского труда, например, зрительной ориентировки летчиков в процессе полета. Согласно данным Н.Д.Заваловой и В.А.Пономаренко (в кабине самолета киносъемка глаз ведется с помощью зеркала либо светопровода) маршруты движений глаз и длительность фиксаций приборов могут служить критерием эффективности выполняемой деятельности. На основе анализа окуломоторной активности исследователи уточнили роль парафовеального зрения в контроле параметров полета; выявлены преимущества режима смешанного (ручного и автоматического) управления самолетом (Береговой, Завалова, Ломов, Пономаренко, 1978; Доброленский, Завалова, Пономаренко, Туваев, 1975; Завалова, Пономаренко, 1977; Завалова, Пономаренко, Сиволап, Юровицкий, 1966).
Таким образом, метод кинорегистрации позволяет раскрыть макроуровень организации окуломоторной активности Человека и ее наиболее общую связь с процессами познания и деятельности: функции движений глаз в познавательных процессах, соответствие маршрутов движений глаз стратегии и тактике решения задач, дифференциацию на основе глазодвигательных критериев перц*НТИ8НОГО И интеллектуального уровней деятельности, свер27
тывание окуломоторнои активности в ходе формирования перцептивных действий и др. Эти закономерности обосновывают практическую полезность метода. Вместе с тем, он мало применим для изучения собственных механизмов окуломоторнои активности, анализ которых выносится за рамки исследования.

Рис 15 Схема фотосканирующего пупиллографа (Шахнович, Шах-нович, 1964). 1 - глаз, 2 - полупрозрачная пластинка, через которую на глаз наносится световое раздражение от стимулятора 11; 3 -объектив, фокусирующий изображение глаза в плоскость целевой диафрагмы 7, за которой перемещается кинопленка 8; 4 зеркальце для наводки на резкость, которое отклоняет световые лучи, идущие от глаза к матовому экрану 10, 5 - нерабочее положение зеркальца во время записи, 6 - сканирующая призма, 13 • звездочка для протяжки пленки, вращение звездочки и призмы производится с помощью мотора и редуктора, которые на схеме не изображены; 9 -лампочка, дающая световую отметку раздражителя на перфорации пленки, 12 - фоновый софит
Существенный недостаток кинорегистрации - трудоемкость покадровой обработки пленки - в какой-то степени может быть преодолен с помощью устройства автоматического сканирования изображения зрачков на кинокадрах (Шахнович, Шахнович, 1957). Более того, киносъемка лица испытуемого может быть заменена сканирующей съемкой диаметров зрачков глаз (пупил-лографией) (см. рис. 15). Фотосканирующий пупиллограф (Шахнович, Шахнович, 1964) позволяет вести регистрацию
28
движении глаз как на свету, так и в темноте (в инфракрасных лучах), хорошо сочетается с другими методами регистрации физиологических характеристик человека, дает возможность одновременно регистрировать макродвижения глаз (включая вергентные) и реакции зрачков. Сохраняя достоинства метода киносъемки в целом, пупиллография воспроизводит и часть его недостатков: низкую точность, дискретность, необходимость пересчета пространственной траектории движений и некоторые другие. Примеры пупиллографической записи движений глаз приведены на рис. 16 и рис. 12 (справа).


Рис. 16. Пупиллографическая запись движений глаз (Шахнович, Шахнович, 1964). А • саккадические движения глаз при поочередной фиксации двух точек, расположенных под углом 80 град.; изменению состояния между отдельными столбиками соответствует изменение скорости движений глаз. Б -движения глаз при чтении. В - оптокинетический нистагм. Скорость записи - 25 измерений в секунду
Определенным развитием метода кинорегистрации является телерегистрация движений глаз (Macworth. 1967; Young, Sheena, 1975; Lambert, 1976 и др.), возможности которой продемонстрированы В.П.Смирновым (Смирнов, 1985; Мирошников, 1989).
29
ФОТООПТИЧЕСКИЙ МЕТОД
Данный метод базируется на принципе «оптических рычагов»: узкий пучок света, направленный на глазное яблоко, отражается от установленного на нем миниатюрного зеркальца и поступает на вход фоторегистрирующего устройства, например, шлейфового осциллографа или фотопластинку (рис. 17). Таким образом, перемещение глаза преобразуется в соответствующее перемещение светового луча, который может быть развернут как в пространстве, так и во времени.
Ключевым звеном данного метода является способ крепления зеркальца к глазному яблоку. В распространенной методике А.Л.Ярбуса (1954, 1958, 1965) в качестве посредника используется легкая (несколько сот миллиграмм) вакуумная присоска, которая крепится либо к височной части склеры (боковая присоска), либо к ее центральной части, не касаясь роговицы (центральная присоска). Корпус присоски обычно делается из резины, дюралюминия или пластмассы и имеет внутри гофрированную поверхность, препятствующую скольжению по глазному яблоку. Устойчивость присоски на глазу обеспечивается путем создания (с помощью специального баллончика) пониженного давления в камере, образованной корпусом присоски и внешней поверхностью глаза (рис. 18). Установка присосок требует предварительного анестезирования глазного яблока (1-2 /о-ным раствором днканна); предельная продолжительность ношения присоски 20-30 мин. Как показывает многолетний опыт, присоски безвредны для глаз человека и в худшем случае вызывают незначительное снижение внутриглазного давления или разрыв поверхностного кровеносного сосуда в конъюнктиве. Более
30


Рис. 17. Схема установки для фотооптической записи движений глаз, 1 - присоска о зеркалом, 2 - осветитель, 3 -экран регистрации, 4 - фотоаппарат, 5 • тестовый экран, 6 - проектор (Зинченко, Вергилес, 1969)
31
щадящий, но менее точный режим регистрации движений глаз может быть достигнут с помощью контактных линз; их использование значительно увеличивает и длительность измерений (Ditchburn, 1973).


Рис. 18. Схематическое изображение боковой (Л1) и центральной (П2) присосок (Ярбус, 1965). 1 - корпус присоски, 2 - баллончик для отсоса воздуха, 3 - зеркальце
Фотооптический метод обладает наивысшей «разрешающей способностью» (до нескольких угловых секунд) и в принципе может быть использован при изучении всех известных видов окуломоторной активности. Применение различных конструкций присосок и насадок к ним позволяет существенно расширить методические возможности исследования.
Вместе с тем, данный метод требует жесткой фиксации головы испытуемого, может использоваться лишь в отношении взрослых, предполагает высокие профессиональные навыки экспериментатора и некоторую долю мужества людей, согласившихся на участие в опытах. К недостаткам метода можно отнести искажения записей при больших угловых размерах рассматриваемого объекта и/или искажения, вносимые ротационными движениями глаз. Определенные ограничения накладывают и необходимость проведения работы в затененном помещении.
Фотооптическая регистрация - сугубо лабораторный метод исследования, рассчитанный на использование очень ограниченного круга испытуемых (как правило, постоянных).
Методика фотооптической регистрации окуломоторной активности, ее модификации и особенности использования при изучении
32
процессов зрительного восприятия, внимания, представления и действия изложена в работах А.Л.Ярбуса (1965), В.П.Зинченко и Н.Ю.Вергилеса (1969) и Ю.Б.Гиппенрейтер (1978).
Фотооптический (присосочный) метод регистрации движений глаз был разработан А.Л.Ярбусом (1954,1956,1958) в середине 50-х годов и длительное время поддерживал энтузиазм исследователей зрительного восприятия. А.Л.Яр-бус зарегистрировал и описал основные виды окуломоторной активности человека, исследовал особенности движений глаз при восприятии сложных объектов и в процессе чтения, показал взаимосвязь различных видов движений, зависимость паттернов фиксаций от поставленной наблюдателю задачи, характеристик воспринимаемого объекта и других условий (см. рис. 19). Особое место в этих исследованиях занимает проблема восприятия объектов, стабилизированных относительно сетчатки. Применяя оригинальные устройства, устанавливаемые на присоску, А.Л.Ярбус выявил основные особенности восприятия стабилизированных изображений в зависимости от их величины, цвета, яркости, окружающего фона. Согласно полученным данным, в процессе зрительного восприятия движения глаз выполняют служебную функцию, создавая оптимальные условия работы зрительной системы. Они необходимы для дезадаптации стимулируемых участков сетчатки (в противном случае, изображение исчезает спустя 1-3 секунды) и наиболее аффективного отражения значимых элементов среды (Ярбус, 1965).
Исследование восприятия изображений, стабилизированных относительно сетчатки, с применением фотооптического метода регистрации движений глаз получило развитие в работах Н.Ю.Вергилеса (Вергилес, 1967; Зинченко, Вергилес, 1969). Он предложил метод (поочередное освещение объекта источником света разной длины волны), позволяющий испытуемому воспринимать стабилизированные изображения сколь угодно долго. Оказалось, что в этих условиях несмотря на значительное сокращение репертуара возможных движений глав, испытуемые способны
33


Рис. 19. Запись движений глаз при рассматривании геометрических фигур (Ярбус, 1965). а - геометрические фигуры, которые предлагались испытуемому для рассматривания; б - запись движений глаз во время которой испытуемый старался плавно, без скачков, обвести взглядом линии геометрических фигур; в - запись движений глаза при свободном (без инструкции) рассматривании фигур в течение 20 сек; г -запись движений глаза при рассматривании фигур в течение 20 сек. после инструкции «рассмотрите фигуры и сосчитайте число прямых линий»
выполнять широкий круг заданий (ознакомление с объектом, поиск, пересчет штрихов, мысленное прохождение лабиринта и др.) и имеют полное впечатление перемещения собственных глаз (взора) по объекту. Задачи не решались лишь тогда, когда испытуемые получали инструкцию, запрещающую двигать гла34
зами. Эти данные позволили В.П.Зинченко и Н.Ю.Вергилесу выдвинуть гипотезу о функциональном фовеа, смещение которого относительно сетчатки меняет состояние ее рецептивных полей. В развитие праксеологической трактовки восприятия было высказано предположение, что при стабилизации изображения объектов относительно сетчатки, а в обычных условиях - при опознании объектов, процесс восприятия обеспечивается викарными (замещающими) перцептивными действиями (Зин-ченко, Вергилес, 1969).
Соответствие параметров макродвижений глаз свойствам воспринимаемого объекта и поставленной испытуемому задаче изучалось Ю.Б.Гиппенрейтер (1964). Было показано, что эффективность выполнения зрительных задач зависит от плотности однородных элементов поля зрения и ограничено двигательными шумами глаз. Несмотря на морфологическую неоднородность сетчатки, вызывающую необходимость фиксационных установок глаз, орган зрения представляет собой многоканальный вход, обеспечивающий одновременный прием информации из разных участков поля зрения. Поэтому одноактное осуществление зрительных функций связано не столько с узкой областью fovea centrais, сколько с зоной оперативного поля зрения, размеры которой являются функцией многих переменных: задачи, колебаний внимания, пространственных свойств объекта. На основании этих и других исследований (Гиппенрей-тер, Седакова, 1970; Бороздина, Гиппенрейтер, 1969), выполненных с помощью фотооптического метода, Ю.Б.Гиппенрейтер пришла к заключению, что роль движений глаз состоит не в том, чтобы снабжать более высокие инстанции зрительной системы проприоцептивной или иннервационной импульсацией, а в обеспечении направленных изменений оптической стимуляции.
Особенно интересным представляется цикл работ Ю.Б.Гиппенрейтер и ее сотрудников, направленный на изучение тонической формы окуломоториой активности, т.е. собственно фиксаций. При помощи специально разработанной методики детально исследовался фиксационный оптокинетический
35
нистагм (ФОКН), возникающий во время фиксации неподвижного объекта на фоне движущихся черно-белых полос. Оказалось, что параметры ФОКНа (частота, амплитуда) чувствительны к внутренним формам зрительной активности (рис. 20) и могут быть использованы как индикатор зрительной «загрузки» наблюдателя и единиц выполняемого действия (Гиппенрейтер, 1978; Гиппенрейтер, Романов, 1970, 1990; Гиппенрейтер, Романов, Самсонов, 1975; Конькова, 1973; Фейгенберг, 1986 и др.). Сходные отношения демонстрирует гальванический микронистагм, вызываемый гальванической стимуляцией вестибулярной системы (Дормашев, Романов, 1983; 1989). Выявленная зависимость прослеживающих движений глаз (динамической фиксации) от характера решаемой задачи (Гиппенрейтер, Смирнов, 1971; Романов, 1973; Смирнов, 1973, 1985) позволяет специфицировать уровни построения (Бернштейн, 1990) окуломоторной активности.
Направленные исследования механизмов микродвижений глаз, выполненные с помощью фотооптического метода, показывают, что соотношение параметров дрейфа и микросак-кады широко варьирует, определяя тип зрительной фиксации (Проскурякова, Шахнович, 1968; Шахнович, 1974). В отличие от неуправляемого дрейфа, мнкросаккады контролируются центральными структурами и обеспечивают необходимую для адекватного восприятия дискретность поступления оптической стимуляции (Филин, Сидоров, 1972; Филин, 1975).
При регистрации движений глаз оператора в процессе ручного слежения за зрительной целью получены данные, позволяющие дифференцировать (по характеристикам окуломоторной активности) «тактики» ручных действий в разных режимах, описать микроэтапы деятельности в рамках одного и того же режима, а также развить представления о строении и функциях оперативного поля зрения человека (Буякас, 1973, 1975; Буякас, Гиппенрейтер, 1973; Любимов, 1973).
36


Рис. 20. Фиксационный оптокинетический нистагм при настройке внимания на квадраты различной площади: а - квадрат 50 угл. мин.; б - квадрат 4 угл. град.; в - квадрат 8 угл. град. Разрывы на записях в связаны с выходом луча за пределы регистрирующего устройства (Романов, 1973)
Таким образом, в отличие от киносъемки, фотооптический . метод позволяет раскрыть микроорганизацию окуломоторнои активности и более тонкие опосредствованные связи движе37
ний глаз с процессами познания и деятельности. Смысловой акцент исследований смещается в сторону миниатюрных форм окуломоторной активности, которые сопровождают зрительную фиксацию (динамика ФОКНа), восприятие изображений, стабилизированных относительно сетчатки (викарные перцептивные действия) или зрительно-двигательные координации (сопряженные движения глаза и руки). Соответственно меняются и регистрируемые характеристики движений, в число которых включаются амплитуда, направление, скорость дрейфа; амплитуда, скорость и ускорение микросаккад; амплитуда и частота физиологического нистагма и ФОКНа и некоторые другие; при этом, конечно, сохраняется возможность детального анализа макродвижений глаз. Речь идет о глазодвигательных механизмах стабилизации (а не перемещения) взора и структуре его зрительно-окуломоторных отношений. В этой связи приоритетное значение приобретают натуральные функции движений глаз: обеспечение дезадаптации сетчатки, переключения рецептивных полей, направленного изменения или дискретизации оптической стимуляции. Существенно (и априори неочевидно) что миниатюрные формы окуломоторной активности не остаются безразличными к характеристикам познавательных процессов (например, к величине оперативного поля зрения или информационной загрузке взора) и структурным единицам деятельности. Сфера объективных индикаторов этих процессов значительно расширяется.
Наконец, фотооптический метод демонстрирует высокую эффективность в клинических исследованиях (Лурия, Праэ-дина-Винарская, Ярбус, 1961; Лурия, Карпов, Ярбус, 1965; Карпов, 1975; Карпов, Карпова, 1978; Корчажинская, Попова, 1977; Кузьмина, 1980). Они показывают, что движения глаз душевнобольных несут полезную информацию для диагностики психопатологических синдромов и дают дополнительные сведения о патогенезе психозов (рис. 21).
38


Рис. 21. Запись горизонтальной составляющий движений глаз в процессе фиксации взором неподвижной цели (Карпов, Карпова, 1975). А - «скачковый» тип патологии фиксации при двустороннем травматическом повреждении лобных долей; Б, В и Г - «дрейфовый» тип патологии фиксации (Б и В -случаи внутримоэговых опухолей левой лобной доли, Г -случай локального кистозно-слипчивого арахноидита лобных отделов, особенно справа); Д - «скачковый» тип патологии фиксации при выраженной оптической агнозии (двустороннее нарушение мозгового кровообращения в бассейне задних мозговых артерий)
Являясь эталонными в плане точности и диапазона выполняемых измерений движений глаз, рассмотренный метод довольно трудоемок и не приспособлен для оперативной обработки и представления получаемых в эксперименте данных. По-видимому, перспектива его развития во многом будет зависеть от применения устройств Преобразования оптического выходного сигнала в эле&heip;