Механизмы обратной связи

Рис. 10.8. Принцип перекрестной регуляции следящих движений тела посредством мотосенсорной обратной связи. Непосредственная сенсорная информация от одного движения тела обнаруживается и отслеживается вторым движением тела как обратная связь. Поскольку пространственный паттерн первого движения может быть предвосхищен сенсорным и мотонейрониым механизмом второго движения, то координация сигналов обратной связи во времени осуществляется на основе двойного расщепления.

10.2.6. Безопасность при управлении транспортными средствами

Лабораторный анализ рулевого управления показал, что при проектировании транспортных средств по соображениям безопасности должны учитываться различные влияния перцептивных и двигательных задержек на упреждающее рулевое управление. Задержка обратной связи от движения может объяснить, почему в экстренных ситуациях происходит потеря управления. Этот фактор наиболее важен для неопытных водителей. В средствах транспортировки для тяжелой промышленности, на самолетах и кораблях задержки обратной связи в системе

508 Глава Ю

рулевого управления могут быть настолько велики, что для овладения управлением требуется специальная система обучения операторов на тренажерах.

Еще одна проблема, связанная с безопасностью управления транспортными средствами, состоит в устойчивости действий оператора при получении неожиданной обратной связи при толчках, заносах, поворотах и т. п. Анализ проблем безопасности при управлении индустриальными машинами и транспортными средствами (подъемные краны, погрузчики, экскаваторы, автомобили) показал, что при проектировании техники одна из основных задач — определение безопасных позы оператора и управляющих движений [158]. Функция ремней безопасности для кранов, погрузчиков и автомобилей состоит не только В защите водителя и пассажиров от травм при столкновении, но, что более важно, и в регулировке позы. водителя, способствующей устойчивости управляющих движений в экстренных ситуациях. Обратная связь от машины, влияющая На стабильность водителя, совместно с задержкой обратной связи от управляющих движений может превратить опасность в катастрофу.

10.3. Задержка сенсорной обратной связи

Мы описали ряд экспериментальных исследований и наблюдений, в которых продемонстрировано вредное воздействие задержек обратной связи на работу инструмента или поведение машины. Как показано многими другими авторами, сходному воздействию подвергаются и другие, неинструментальные, виды деятельности. Эту новую многообещающую область исследований открыл Ли, который с помощью двойного звукозаписывающего устройства фиксировал речь испытуемого и подавал ее обратно на его уши с помощью электрического преобразователя через наушники, которые препятствовали непосредственному восприятию испытуемым своей речи [90—92], Такая система позволяла создавать задержки между речевыми движениями испытуемого и звуковой обратной связью от этих движений. Эффект оказался драматическим. Задержки около 0,2 с вызывали у большинства испытуемых радикальные нарушения речи — заикание, паузы, ошибки и в ряде случаев полную блокировку.

Вслед за этими работами было проведено множество разнообразных исследований влияния задержек обратной связи как на инструментальные, так и на неинструментальные виды деятельности. На рис. 10.9 иллюстрируется ряд методов, кото-

Рис. 10.5. Методы, используемые для создания задержки сенсорной обратной связи от различных движений тела, а — звуковой магнитофон, снабженный системой задержки; б - - силовые (усовершенствованные) и де'миферные системы слежения; в — перекрестная двойная телевизионная установка с замкнутым контуром; г — видеомагнитофон, снабженный системой задержки; д — аналого-цифро-а налоговая компьютерная система.

510 Глава 16

рые были разработаны в этих исследованиях для таких видов деятельности, как слежение, рулевое управление, письмо, рисование, управление позой и движениями головы и другие [142]. Была разработана многоцелевая компьютерная система, сравнимая с представленной на рис. 10.7. С помощью такой системы было проведено многостороннее исследование временных свойств цепей обратной связи с двойным расщеплением сигналов, координирующих движения тела [171].

Когда впервые неблагоприятное влияние задержек, создаваемых машиной, было обнаружено при изучении слежения, это явление рассматривалось только по отношению, к деятельности с машинами. Рост числа исследований, показывающих, что задержка сенсорной обратной связи снижает организацию и эффективность всех движений тела, привел к осознанию того факта, что обратная связь участвует в регуляции всех видов поведения. Изучение задержек обратной связи представило наиболее убедительное доказательство, касающееся центрального понятия поведенческой кибернетики: поведение регулируется динамическими взаимоотношениями движения и генерируемой им обратной связи [155, 156, 165, 167]. Поведенческие системы являются системами с замкнутым контуром регулирования. Они отвечают на внешние стимулы не так, как системы с открытым контуром, а регулируют собственные действия посредством обратной связи, создаваемой этими действиями.

10.3.1. Эффекты задержек обратной связи

В данном и последующих разделах рассматриваются основные факты, полученные при изучении задержек сенсорной обратной связи. Было обнаружено, что при введении задержек обратной связи наблюдается ухудшение точностных, временных и инте-гративных характеристик всех мотосенсорных механизмов.

Задержки обратной связи оказывают неблагоприятное влияние на интеграцию более сложных двигательных координации (например, билатеральные движения), причем это влияние сходно с тем, которое наблюдается при изучении специфических мотосенсорных взаимодействий. Это показывает, что разные мотосенсорные механизмы координируются путем перекрестного взаимодействия следящих движений тела.

Некоторые мотосенсорные механизмы, включая речь, пение и билатеральные двигательные координации, нарушаются в наибольшей степени лишь при определенных величинах задержки. Нарушение других мотосенсорных механизмов происходит, напротив, постепенно, по мере изменения величины за-

Механизмы обратной связи

Sit

держки. Речь молодых людей подвергается наиболее существенным нарушениям при задержке слуховой обратной связи около 0,2 с, а при удалении задержки от этой величины степень нарушений снижается. Однако для детей и пожилых людей задержка, вызывающая максимальные нарушения речи, обычно больше 0,2 с, что указывает на изменение с возрастом и важное место в мотосенсорных взаимодействиях временных характеристик обратной связи. В результате замедления процессов во внутренних контурах регулирования у пожилых людей время задержки, при которой наблюдаются максимальные нарушения речи, у них больше, чем у молодых людей.

Как показано в исследованиях упреждающего рулевого управления, движения, включающие элементы предвосхищения, нарушаются при небольших величинах задержки в меньшей степени, чем при работе с монитором. Незначительному нарушению подвергаются дискретные или повторяющиеся заученные виды деятельности, но лишь в том случае, если с помощью памяти удается расширить интервалы времени между отдельными движениями, как это происходит при кодировании взаимодействий предсказуемых движений тела.

При формировании навыков мониторного слежения или рулевого управления в условиях задержки обратной связи практически не наблюдается изменения деятельности по мере тренировки. При коротких интервалах задержки по мере тренировки происходит овладение навыками упреждающего рулевого управления, которые, однако, являются нестабильными.

Задержки обратной связи в большей степени влияют на сложные движения (к которым предъявляются высокие требования по точности), чем на простые движения (для которых таких требований нет).

Если наряду с задержками обратной связи имеются и другие возмущения (например, пространственные искажения обратной связи), то нарушения всех основных аспектов управления движениями, восприятия и интегративных механизмов выражены в большей степени, чем при наличии только задержки обратной связи. Этот факт особенно важен для учета человеческих факторов при проектировании таких машин, которые могут производить задержки обратной связи одновременно с пространственной несогласованностью [120]. При введении задержек обратной связи наблюдается нарушение всех исследуемых видов деятельности с инструментами и машинами, включая и те, где задержка создается силовым приводом или следящими устройствами. Задержки обратной связи, создаваемые машиной, в сочетании с временами ответов на различные внешние ситуации определяют колебательный характер ошибок при слежении и рулевом управлении.

512 Глава 10

10.3.2. Задержка обратной связи как проблема человеческих факторов

До сих пор задержка мотосеисорной обратной связи является центральной проблемой человеческих факторов, что связано с влиянием, которое оказала теория операитного обучения на психологию и эргономику. Последователи этой теории обычно отождествляли сенсорную обратную связь с подкреплением (одним из видов последействия ответа), которое представляло собой в зависимости от успешности обучения награду или наказание. Таким образом, многие психологи, занимающиеся обучением, рассматривали задержку обратной связи по аналогии с интервалом подкрепления в оперантном обучении и определяли ее как время между ответом, который необходимо выучить, и предоставлением подкрепления. Это неправильное понимание существует до сих пор, несмотря на установленный факт, что обучение может происходить при задержках подкрепления, но нарушается и может стать невозможным при значительных задержках обратной связи в мотосенсорных действиях. В ряде работ описаны существенные различия между эффектами задержки обратной связи и задержки подкрепления [2, 164]. Как впервые показано в работе [138], эффекты обучения при оперантных наградах и наказаниях являются мнимыми и представляют собой артефакты прямых влияний физиологической обратной связи от двигательной активности, от первичного заучиваемого ответа или от так называемых ответов-подкреплений.

Проектирование машии, деятельности оператора и сложных систем с учетом человеческих факторов будет упрощенным и обреченным иа неудачу, если оно опирается на теорию операитного обучения. Для обеспечения максимальной эффективности и безопасности проектирование таких систем должно основываться иа кибернетических принципах, согласно которым необходимо максимально повышать эффективность обратной связи и сводить к минимуму ее задержки.

10.3.3. Теории координации быстрых движений

Исследования задержек обратной связи особенно важны для оценки различных теорий, в которых предполагается, что двигательные навыки не регулируются с помощью сенсорной обратной связи, а программируются заранее [6, 84—87, 89, 100, 115, 133, 186, 187]. Наблюдая за скоростными параметрами ряда двигательных паттернов (например, последовательных движений пальцев при игре на пианино и машинописи), а также получив доказательства сохранения двигательных на-

_______ Механизмы обратной связи ___________________________У**

выков при сенсорной деафферентации движущейся конечности, некоторые исследователи предположили, что для управления этими движениями сенсорная обратная связь не нужна [Я4, 85].

Практически невозможно экспериментально исследовать концепцию центрального программирования, тогда как концепция управления с помощью обратной связи проверялась неоднократно в различных экспериментальных ситуациях и на различных двигательных координацнях, включая игру на пианино. В специальных экспериментах было показано, что качество игры на пианино и более утонченной игры на таких музыкальных инструментах, как флейта и скрипка, резко снижается при введении с помощью компьютера задержек слуховой обратной связи [3, 164]. После кратковременного предъявления задержек слуховой обратной связи высококвалифицированные скрипачи, пианисты, флейтисты и виолончелисты полностью отказались от участия в дальнейших экспериментах. Обнаружив влияние задержек иа свою деятельность, они почувствовали, что этот опыт разрушает навыки игры. При рассмотрении координации глаз — рука (например, в навыках машинописи) необходимо отметить, что эффективность решения любой задачи, включающей зрение, зависит от регуляции движений посредством зрительной обратной связи. В различных экспериментах с применением компьютеров было показано, что задержка зрительной обратной связи от движений глаз ухудшает все виды зрительно-двигательного слежения [34, 118, 150, 173].

Основная посылка концепции моторного программирования состоит в том, что движения могут инициироваться и выполняться под эфферентным контролем заранее составленных моторных программ без обращения к афферентным сигналам с периферии. Для доказательства того, что такие сложные навыки, как игра на пианино и машинопись, программируются заранее и не зависят от сенсорной обратной связи, необходимо экспериментально подтвердить, что задержки мотосенсорной обратной связи и искажение зрительной обратной связи не влияют на эти навыки. Однако экспериментально было показано, что как задержки зрительной обратной связи, так и ее инверсия, реверсия, комбинация инверсии и реверсии и угловое смещение радикально влияют на выполнение (точность и четкость) всех графических задач (рисование, написание букв и слов) и соответствующее обучение [142, 164, 180], а в наибольшей степени они влияют иа тонкие маиипуляционные движения. Более подробно исследования по искажению зрения рассматриваются в следующем разделе, здесь же необходимо отметить, что реверсия зрительной обратной связи от движений глаз делает невозможной зрительную фиксацию,

514 Глава 10

По нашему мнению, эти исследования разрушающего влияния временного и пространственного искажения зрительной обратной связи на моторное исполнение и обучение создают серьезные трудности для защитников концепции моторного программирования, причем большинство из них проигнорировало вытекающие из них выводы (на эти исследования нет ссылок в работах [6, 84, 85, 87, 100, 115, 133]). Независимо от того, какие нейронные механизмы принимают участие в процессах овладения двигательным навыком, тот факт, что даже небольшие нарушения нормальных временных и/или пространственных параметров обратной связи вызывают существенное ухудшение моторной деятельности и обучения, позволяет предположить наличие тесных взаимосвязей между периферическим мотосеисорным и центральным механизмами регуляции динамики движений. Те концепции, в которых предполагается, что в некоторых условиях мотосенсорныи суОстрат моторного поведения может быть вспомогательным или производным от центральных механизмов, игнорируют тесные реципрокные взаимосвязи между мышцей, рецептором и центральной мозговой активностью, тогда как эти взаимосвязи представляют собой основу для понимания как роли обратной связи, так и предвидения в динамической регуляции моторной активности.

В описанных выше экспериментах по изучению рулевого управления автомобилем было показано, что природа регуляции с помощью обратной связи конкретизируется в тех задачах, где имеются элементы предвидения и перцептивно-моторная система может в течение ограниченного интервала времени планировать процессы управления [121, 124]. Это не означает, что паттерны предвидения в моторной деятельности программируются мозгом; скорее, регуляция с предвидением в значительной степени зависит от взаимодействий между системами слежения, которые опосредуются проприоцептивной, кинестетической и тактильной рецепторными системами.

Безусловно, процессы слежения обнаруживаются в перекрестной последовательности движений пальцев при выполнении ручных навыков, при координации движений губ, языка, щек и челюстей в процессе речи. Движения пальцев каждой руки могут регулироваться отдельно в режиме раздвоения во времени посредством прямой тактильной регуляции и посредством отслеживания движений одного пальца другим. Большой палец, вероятно, является ведущим в процессе слежения, а другие пальцы тактильно и проприоцептивно следят за его движением. Такое координированное слежение может уменьшать время между последовательными движениями гтальцев до интервала тремора, равного 0.1 с и меньше. Нсли последовательные движения пальцев производятся одновременно с коле-

Механизмы обратной связи

бательными движениями руки, как при работе на клавиатуре, то благодаря проприоцептивной регуляции движений руки интервал между последовательными движениями пальцев становится равным нескольким сотым долям секунды. Вероятно, сходным образом происходит процесс взаимосвязанного слежения между большим и другими пальцами ноги при беге и ходьбе. Судя по тому, что на коре полушарий головного мозга наиболее отчетливо выступают проекции больших пальцев рукн, ноги и губ, можно предположить, что при слежении за движениями тела именно они являются ведущими для движений остальных пальцев и лица. Как было указано выше, основное предположение моделей программирования двигательных координации состоит в том, что еще до обучения движения могут включать собственные контуры обратной связи, но в результате обучения формируется мозговая программа, которая позволяет осуществлять упреждающий контроль координированного паттерна движений без участия обратной связи от конкретного движения. Убедительных доказательств в пользу этой модели не существует.

Зуссмап и Смит [169, 199] изучали роль обратной связи в обучении и кратковременном запоминании путем варьирования послесвечения заучиваемого зрительного паттерна. На экране осциллографа с помощью движущейся точки предъявлялась кривая; послесвечение зрительного паттерна менялось посредством изменения режима предъявления от случая, когда была видна только движущаяся точка, до случая, когда была видна вся кривая. Испытуемых просили воспроизвести предъявляемую линию, и точность воспроизведения менялась как функция послесвечения зрительного паттерна. Сходные результаты были получены как при простом наблюдении динамического паттерна, так и при его ручном отслеживании, хотя в случае простого наблюдения точность, воспроизведения была несколько выше. Таким образом, было показано, что обучение и кратковременное запоминание являются функцией устойчивости сенсорной обратной связи, которая регулируется посредством следящих движений глаз или ручного слежения.

В этих экспериментах испытуемые воспроизводили зрительный паттерн (движущуюся линию), оперируя органом управления. Если зрительная обратная связь от этих движений задерживалась, точность воспроизведения снижалась как в группах с наблюдением, так и в группах с ручным слежением. Степень снижения была функцией величины задержки обратной связи. И перцептивно, и моторно выученные движения сохранили зависимость от обратной связи.

Обсуждаемые исследования основаны на динамических системах измерения межмоторных и мотосенсорных координации,

516 Глава Ш

Эти системы определяют новую область исследований, направленных на эргономическое проектирование квалифицированной двигательной деятельности. В предшествующих экспериментах и предварительных наблюдениях было обнаружено большое разнообразие регулирующих функций обратной связи, которые могут быть проанализированы в более строгих исследованиях. Два и более движений тела могут сочетаться при параллельном слежении. Те же движения могут быть соединены последовательно, так что одно движение является сигналом слежения для второго и наоборот. Одно движение может отслеживать второе по типу компенсаторных взаимоотношений или по типу отрицательной обратной связи. Движения могут группироваться для отслеживания сенсорных последствий отдельного движения или другой группы движений. Движение может осуществляться для отслеживания характерных взаимоотношений между двумя другими движениями. Второе движение также может осуществляться с целью увеличения, умножения или временного либо пространственного развития сенсорных эффектов первого движения. По существу для изучения и объяснения систем интеграции движений тела с помощью межмышечной обратной связи недостаточно обращения к абстрактной концепции когнитивного центрального программирования; теоретический и экспериментальный анализы мышечной интеграции должны основываться на конкретном, объективном, хорошо спланированном исследовании процессов слежения за движениями тела.

10.4. Нейрогеометрическая организация поведения

Более века назад Гельмгольц написал (1856—1866) обширный трактат «Физиологическая оптика» по проблемам зрения и восприятия пространства, оказавший значительное влияние на психологические теории и эксперимент. Ключевая часть книги содержит эмпирическую теорию восприятия пространства и, в частности, представление о том, что обучение восприятию пространства происходит путем создания ассоциативных связей между зрительным и двигательным опытом. Основные доказательства Гельмгольца касались эффектов приспособления зрения к пространственным искажениям (например, корректирование косоглазия и других дефектов зрения). Начиная со Стрэттона [194—196J, многие психологи экспериментально изучали зрительное восприятие при пространственных искажениях, исполь зуя телескопические очки, призмы, зеркала и другие оптические приспособления для искажения у испытуемого образа внешнего окружения и его собственных движений. Основная задача состояла в определении того, насколько восприятие пространства

Механизмы обратной связи

зависит от обучения и других эволюционных факторов. Если восприятие пространства и движений в нем полностью зависит от обучения, то испытуемый может научиться выполнять задание при любой организации пространства, создаваемой машинами или другими внешними условиями.

Тщательный анализ методов и результатов всех исследований зрительного восприятия при пространственных искажениях вплоть до 1961 [168] обнаружил, что испытуемые частично приспосабливаются.к искажениям даже после длительного периода их предъявления. Различные типы искажений (угловое смещение, инверсия, реверсия, комбинация инверсии и реверсии) вызывают нарушения движений различной тяжести, что приводит к необходимости приспособительной деятельности.

Один из ярких примеров таких исследований, тщательно рассмотренный в работе [168],—эксперименты Колера [88], в которых изучалось восприятие в условиях реверсии, инверсии и угловых смещений; считают, что они решили проблему соотношения приобретенного и врожденного опыта в развитии восприятия пространства. В первом исследовании реверсия восприятия двух испытуемых (одним из которых был сам Колер) в течение 24 и 37 сут достигалась с помощью выпуклых линз. Во втором исследовании для создания инверсии зрительного поля у трех испытуемых в течение 6, 9 и 10 сут использовалось зеркало, укрепленное горизонтально на голове над глазами. И наконец, у ряда испытуемых в течение различных периодов времени от 5 до 124 сут с помощью выпуклых призм создавалось смещение зрительного поля на угол от 5 до 30°. Исходя из этих исследований были сделаны выводы, что человек может полностью адаптироваться к пространственным искажениям зрительного поля, эта адаптация происходит через обучение и перцептивная переориентация — обобщенное явление, затрагивающее все мотосенсорные модальности.

Обоснованность этих выводов, а также значение, которое придавалось этой работе последующими исследователями, могут быть подвергнуты критике по разным причинам. В процессе наблюдения Колер [88] практически полностью опирался на интроспективные (субъективные) отчеты испытуемых о воспринимаемых искажениях. Строго контролируемых, объективных исследований двигательной деятельности было немного. Ввиду ограниченности чисел испытуемых и критических наблюдений в ряде экспериментальных условий трудно определить, как сказалась субъективность на сделанных выводах. Далее, лрименяемое для искажения зрения оборудование несомненно вызывало и другие зрительные нарушения, которые не учитывались при анализе. Например, призмы для реверсии вызывали также реверсию глубины, но ни у одного из двух испытуемых,