Психофизиология кода речи

Размещено на http://www.allbest.ru/

В процессе восприятия и воспроизведения речи наблюдается два явления. Первое -- это изменения окружающей среды, второе - изменения мозговой деятельности.

Изменения окружающей среды с точки зрения классической физиологии являются сигналом. Природа этих изменений известна. По своим свойствам это в основном последовательности оптических или барических явлений. Для людей с нарушениями слухового анализатора и (или) речевой функции внешний оптический речевой сигнал может представлять собой мимические (так называемое чтение с губ) и жестикуляционные воздействия. Для слепых этот сигнал преобразован в виде точечной азбуки Брайля, дающей возможность из комбинации шести выпуклых точек создать 63 знака, достаточных для обозначения букв алфавита, цифр, знаков препинания, а также математических и нотных знаков. К слову сказать, известный фантаст Чарлз Шеффилд наделил своих героев и феромонической (химической) природой речевых сигналов.

Изменения окружающей среды воспринимаются и трансформируются нашими органами чувств -- зрительным, слуховым, тактильным и другими анализаторами для их обработки последующими нейронными сетями. Сигнал внешний преобразуется в сигнал внутренний. Природой этого внутреннего сигнала является биохимическое и электромагнитное взаимодействия мозговых клеток (нейронов) между собой.

Таким образом, даже при столь поверхностном рассмотрении, в природе речи можно выделить две элементарные, структурные единицы: сигнал внешней среды и внутренний сигнал -- взаимодействие клеток мозга.

В контексте изложенных рассуждений дадим определение понятию код речи применительно к русскому языковому пространству.

Код речи -- это последовательность частей (элементов, сегментов, фрагментов, кодов) речевого сигнала внешней среды, преобразованных мозгом в соответствующий по структуре внутренний речевой сигнал, представленный во взаимодействии нейронов образами кириллических букв.

Определяя биологические возможности обработки потоков речи корковым анализатором, необходимо ввести понятие эволюционная модель кода русской речи.

Эволюционная модель кода русской речи -- это филогенетическая способность мозга к оптимальной обработке наибольших по частотам или вероятностям одинаковых элементов текстовых структур (кириллических знако-и звукобукв) в процессе их восприятия.

Подробнее рассмотрение эволюционных моделей кода речи будет приведено ниже, пока же ограничимся этим определением, необходимым для дальнейшего понимания материала.

Природа сигнала внешней среды изучена достаточно. Изучение же внутреннего речевого сигнала -- взаимодействия нейронов -- является в научном понимании природы речи глобальной проблемой. Сложность этого вопроса заключается в том, что необходимо изучить не миллионы и даже не миллиарды, а Великие Множества подобных взаимодействий в процессе циклических и динамических связей нейронных полей. Вычислительные способности мозга настолько велики, что пока не могут быть моделированы даже на самом мощном из существующих супер­компьютеров.

Абстрагируясь, можно утверждать, что подобный, пока не достижимый, уровень обработки информации откроет много тайн в виде закономерностей существования огромных информационных потоков в сверх­мощных вычислительных системах, одной из которых и является наш мозг.

Традиционно науки, изучающие природу речи (психолингвистика, нейролингвистика, филология и пр.), преимущественно находятся в зоне семантических подходов.

Эти подходы не позволяют представить энергетические затраты начального этапа восприятия речи, направленные на реализацию интимных механизмов обработки текстовой информации, которые заключаются в алгоритмах и стадийности образования (первичного декодирования) мозгом образов букв и слов, а тем более не позволяют ответить на самый главный вопрос в понимании природы речи: в какой степени оставшийся после первичного декодирования ресурс вычислительных возможностей мозга, или, иначе, биологический потенциал семантической обработки (сознания), зависит от структуры кода речи?

Этот вопрос и является основным для психофизиологии кода речи.

Мозг как естественная биологическая система имеет собственные пределы функциональных возможностей, как по декодированию, так и по семантической обработке речи. В связи с этим при увеличении нагрузки декодирования его физиологическое обеспечение должно происходить путем перераспределения ресурсов, в том числе и путем семантической обработки (сознания). Изложенное позволяет обоснованно предположить, что в интересах сохранения вида приоритетным в восприятии речевой информации с точки зрения расходования ресурсов мозга является декодирование в "ущерб" семантической обработке (сознанию), который определен нами как вербальный градиент сознания

Вербальный градиент сознания -- это вектор изменения нагрузок декодирования в поле скалярных (частотных или вероятностных) величин спектра кодов речи (рис. 1). Это та часть обеспечивающих сознание вычислительных мощностей мозга, которая в процессе восприятия речи перераспределяется на декодирование из-за деформации кодовой структуры текста. Чем большие отклонения от эволюционной модели обнаруживает эта кодовая структура, тем больший ресурс сознания для его декодирования должен выделить мозг.

восприятие воспроизведение речь код

Следовательно, в качестве параметров, определяющих воздействие воспринимаемого текста на сознание, можно принять отклонение от эволюционной модели (вектор) числовых (скалярных) величин частот и вероятностей кодов воспринимаемого речевого сигнала.

Под первым этапом декодирования нами понимаются процедуры обработки речевой информации, в результате которых, формируются управляющие коды (энграммы) знакобукв или звукобукв.

Второй этап декодирования заключается в вычислении управляющих кодов слов (энграмм) с использовани­ем кодов букв, полученных на первом этапе.

Функциональный ресурс, затрачиваемый мозгом на обеспечение первого или второго этапов декодирования, рассматривается как динамические нагрузки декодирования речи (ДНД) (рис. 2).

Изменения возбудимости нервных и мышечных клеток связаны с изменениями уровня поляризации их мембран при возникновении процесса возбуждения. При уменьшении величины мембранного потенциала возбудимость незначительно повышается, а если вслед за уменьшением мембранного потенциала возникает потенциал действия, то возбудимость полностью исчезает и мембрана клетки становится нечувствительной (рефрактерной) к каким бы то ни было воздействиям. Это состояние полной невозбудимости получило название фазы абсолютной рефрактерности.

Для быстропроводящих нервных волокон теплокровных животных ее продолжитель­ность составляет 0,4 мс, для скелетных мышц 2,5-4 мс, для мышц сердца 250-300 мс. Восстановление исходного уровня мембранного потенциала сопровождается повышением уровня возбудимости, и мембрана приобретает способность реагировать на сверхпороговые раздражители (фаза относительной рефрактерности). В нервных волокнах относительная рефрактерность длится 4-8 мс, в мышце сердца -- 0,03 мс. Фаза относительной рефрактерности сменяется фазой повышенной возбудимости (экзальтационная фаза рефрактерности), которая характери­зуется повышением возбудимости против исходного уровня и связана со следовой деполяризацией (отрицательный следовой потенциал). Последующая следовая гиперполяризация (положительный следовой потенциал) сопровождается вторичным снижением возбудимости, которая затем сменяется нормальной возбудимостью при восстановлении величины потенциала покоя мембраны.

Все фазы рефрактерности связаны с механизмами возникновения и изменения мембранных потенциалов и обусловлены кинетикой проницаемости мембран для ионов.

На возбудимость и, следовательно, на продолжительность и выраженность отдельных фаз рефрактерности могут оказывать влияние возрастные изменения, воздействие некоторых лекарственных веществ, температурных и других факторов [8].

Согласованность во времени нейронных импульсов -- главное условие существования нейронных ансамблей, создаваемых как под влиянием стимуляции, так и независимо от нее в ходе творческих озарений и обобщения данных, хранящихся в памяти. Волны импульсации в глубинах мозга следуют одна за другой с небольшими промежутками, равными длительности относительной рефрактерности после каждого нейронного импульса. Способность нейрона к генерации следующего импульса восстанавливается не сразу после предыдущего, а с некоторой задержкой. Задержка, необходимая для восстановления исходного состояния, очень мала, порядка одной сотой секунды (рис. 3).

В электроэнцефалографических исследованиях рефрактерность проявляется в скачкообразных смещениях фазы биоэлектрических волн при плавном учащении или урежении воспринимаемых стимулов, например вспышек света. Впервые такой феномен захвата был описан М.Н. Ливановым в 1938 г. "Достаточно возникнуть рас­хождению между частотой раздражения и частотой мозгового ритма на 0,1 как прежний корковый процесс замещается новым", -- утверждал он, объясняя скачкообразные изменения частоты потенциалов навязывания при плавном измерении частоты вспышек.

В данном случае уместно заметить, что человек отличается от животных ярко выраженной регулярностью и ритмичностью мозговых волн с частотой около 10 Гц [1].

На основании изложенного можно сделать важный вывод о том, что функционирование нейронных полей, специализированных на обработке какого-либо сигнала, ограничено частотой его поступления. Чем больше частота сигнала, тем большие нагрузки испытывают нейроны, входящие в данный ансамбль обработки информации, вплоть до перехода в состояние охранного физиологиче­ского торможения и передачи функций способным к ана­логичной деятельности нервным центрам.

Из этого следует, что длительное поступление частого и однородного сигнала (в нашем случае это одинако­вые коды речи или знако- и звукобуквы) приводит к функциональному истощению группы специализированных на его (их) обработке центров и в интересах восприятия информации требует включения дополнительных ресурсов мозга.

Условиями для возникновения рефрактерное при обработке пакетов сигналов отдельных видов знако- или звукобукв являются не только описанные выше. Последующий за рецепторами механизм обработки речевой информации предполагает очень тонкое с позиций нагрузок декодирования реагирование на учащение отдельных ви­дов знако- или звукобукв (кодов) в потоке речи.

Многие теории сознания исходят из принципа повторного входа возбуждения в систему, образующую материальную основу сознания. Широкую известность получила теория повторного входа, которую предложил и теоретически обосновал Дж. Эдельман. Позже эта теория получила экспериментальное и теоретическое развитие в работах A.M. Иваницкого (1997, так называемая теория информационного синтеза).

Дж. Эдельман предположил, что элементарные процессы сознания являются прерывистыми, т.е. требуют циклического повторения некоторой последовательности событий при наличии повторного входа (reetrening) в одну и ту же группу клеток.

Это означает, что система сознания построена таким образом, что сигнал, возникший внутри некоторой системы, входит в нее повторно, как если бы он был внешним сигналом. Распространяя этот принцип на работу нейронных сетей, автор предположил, что сенсорная информация, как от внешней, так и от внутренней среды после ее предварительной обработки в первичной нейрональной группе повторно входит в нее, возвращаясь после дополнительной обработки в других группах клеток.

При этом параллельно в эту же группу нейронов поступает информация в виде ассоциированных сигналов из долговременной памяти. Соединение этих двух потоков информации составляет один цикл активности сознания.

Обсуждая возможную продолжительность каждого цикла, он предполагает, что она равна 100 мс. Важной чертой теории сознания Дж. Эдельмана является не только положение о повторном входе возбуждения. Он подчеркивает связь сознания с операциями обращения к долговременной памяти. Осознание возникает в результате обращения групп нейронов высокого порядка к мультимодальным ассоциативным структурам, заложенным в долговременной памяти на основе прошлого опыта.

Попытаемся объяснить изложенное применительно к ДНД с позиций банальных механистических представлений. Если все циклические процессы повторного входа представить в виде редуктора, диаметр начального маховика которого пропорционален частоте отдельно взятого кода (знако- или звукобуквы) потока речи, то нагрузки на последующие этапы ее обработки будут изменяться определенным образом, как это показано на рис. 4.

В основу популяционных различий переносимости ДНД нами заложено учение о типах высшей нервной деятельности. Тип высшей нервной деятельности -- это совокупность основных свойств высших отделов центральной нервной системы (силы нервных процессов, их подвижности и уравновешенности), характеризующих врожденные индивидуальные особенности высшей нервной деятельности человека и животных.

Понятие типы высшей нервной деятельности ввел И.П. Павлов. Он считал, что сила нервных процессов определяется уровнем работоспособности нервных клеток, степень уравновешенности -- соотношением возбуждения и торможения, а подвижность -- быстротой их возникновения и прекращения. Комбинация этих свойств, их соотношение характеризуют нервную систему конкретного человека или животного и определяют тип его высшей нервной деятельности. С этих позиций практические подходы к исследованиям реализованы нами в контексте классификации темперамента и анкетного психологического метода Айзенка, что будет рассмотрено ниже в процессе описания полученных экспериментальных данных [6, 7, 12, 14].

В какой же степени соотносится физический стимул - в данном случае это увеличение частотности кодов речи -- с ощущением? Интересным является рассмотрение математического характера подобных зависимостей, иными словами, изучение функциональных зависимостей между частотной деформацией текста и степенью ощущений при его восприятии. Этот вопрос достаточно сложен и требует длительных и кропотливых исследований, но с позиций имеющихся в науке данных в самом общем виде на него ответить можно.

С помощью органов чувств мы можем не только констатировать наличие или отсутствие того или иного раздражителя, но и различать раздражители по их силе и качеству. Минимальное различие в ощущениях между двумя раздражителями называется порогом различения, или разностным порогом.

Немецкий физиолог Э. Вебер (1795-1878), проверяя способность человека определять более тяжелый из двух предметов в правой и левой руке, установил, что разностная чувствительность относительна, а не абсолютна. Это значит, что отношение добавочного раздражителя к основному должно быть величиной постоянной.

Так, если на руке лежит груз в 100 г, то для возникновения едва заметного ощущения увеличения веса необходимо добавить около 3,4 г. Если же вес груза составляет 1000 г, то для возникновения ощущения едва заметного различия нужно добавить около 33,3 г. Таким образом, чем больше величина первоначального раздражителя, тем больше должна быть и прибавка к ней.

Другая выявленная закономерность ощущений связана с именем немецкого физика Г. Фехнера (1801--1887). Из-за частичной слепоты, вызванной наблюдением за солнцем, он занялся изучением ощущений. В центре его внимания -- давно известный факт различий между ощущениями в зависимости от того, какова была первоначальная величина вызывающих их раздражителей. Г. Фехнер обратил внимание на то, что подобные эксперименты за четверть века до этого проводил Э. Вебер, который ввел понятие едва заметного различия между ощущениями. Оно не всегда одинаково для всех видов ощущений. Так появилось представление о порогах ощущений, т.е. о величине раздражителя, вызывающего или меняющего ощущение. Исследуя зависимость, которая существует между изменениями силы воздействующих на органы чувств человека раздражителей и соответствующими изменениями величины ощущений, и учитывая экспериментальные данные Вебера, Г. Фехнер выразил зависи­мость интенсивности ощущений от силы раздражителя следующей формулой:

S = К lg J + С,

где S -- интенсивность ощущения, J -- сила раздражите­ля, К и С -- константы. Согласно этому положению, которое носит название основного психофизического закона, интенсивность ощущения пропорциональна логарифму силы раздражителя. Иначе говоря, при возрастании силы раздражителя в геометрической прогрессии интенсивность ощущения увеличивается в арифметической прогрессии. Это отношение получило название закона Вебера-Фехнера (рис. 5) [16].

Таким образом, на основании изложенного можно обоснованно предположить, что соотношение частотной деформации потока кодов речи и ощущения ДНД в соответствии с законом Вебера-Фехнера может быть описано рядом логарифмических зависимостей, учитывающих тип высшей нервной деятельности.

В процессе обоснования психофизиологии кода речи невозможно обойти вниманием работы Н.П. Бехтеревой. В частности, в своей работе "Нейрофизиологические аспекты психической деятельности человека" [2] она под­тверждает увеличение нагрузки на мозг при восприятии отклоняющихся от эволюционной модели сегментов кода речи -- иностранных и квазислов в сравнении с обычны­ми словами, но объясняет это с позиций нейрофизиологических механизмов памяти: "При применении в тестах на краткосрочную память слов, имеющих высокий частотный индекс, устойчивые автономные паттерны наблюдаются только в первые 2--3 с ретенции теста в памяти и в конце ретенции. При запоминании слов, характеризующихся низким индексом частоты, автономные паттерны обнаруживались значительно дольше, на протяжении 18-30 с (при общей длительности ретенции 30 с). В случаях предъявления больному квазислов отмечается ультраустойчивая периодическая реверберация автономных паттернов, которая к концу фазы ретенции обнаружива­ется в работе всех нейронных популяций" [2].

К сожалению, ограниченные объемом статьи, мы не можем привести блестящие и свидетельствующие в пользу психофизиологии кода речи работы Дж. Экклса, К. Прибрама, Ю.К. Косяковаидр. [9, 10,15, 17, 18--23].

Определяя роль и место изложенных представлений в системе лингвистических наук, обратимся к работе А.Р. Лурия, где он, разделяя сферы психолингвистики и нейролингвистики, пишет: "Поиск строгих моделей тех языковых структур, которые передают речевую информацию, и разработка экспериментально-психологических методов, позволяющих подвергнуть речевой процесс анализу, лежит в сфере психолингвистики. Объективные методы, которые могут внести существенный вклад в анализ реального процесса кодирования и декодирования сообщений и его составных частей являются методом нейропсихологического анализа, этот метод составляет основу нейролингвистики" [11].

Интерпретируя это определение применительно к нашим данным, можно утверждать следующее: с одной стороны, параметры вербального градиента сознания являются формальными или релевантными характеристиками "строгих моделей языковых структур, которые передают речевую информацию". Эти характеристики подтверждены экспериментальными и психологическими методами исследований (о чем будет рассказано ниже), позволяющими подвергнуть речевой процесс анализу. Очевидно, что с этих позиций излагаемый материал можно отнести к сфере психолингвистики.

С другой стороны, полученные нами строгие программно-математические модели восприятия речи (что также будет рассмотрено в следующих публикациях) являются объективными и "могут внести существенный вклад в анализ реального процесса кодирования и декодирования сообщений и его составных частей". Но это уже является методом нейропсихологического анализа и "составляет основу нейролингвистики".

В то же время, в основе объяснения природы упомянутых психолингвистических и нейролингвистических аспектов речи нами заложено учение И.П. Павлова о типах высшей нервной деятельности и физиологическое явление, называемое рефрактерностью живой клетки, что нельзя игнорировать в процессе определения совокупности полученных знаний и умений.

Таким образом, на основании приведенных посылок полученные нами знания и умения следует определять более широким с акцентом на физиологию и выходящим за рамки психолингвистики и нейролингвистики комплексом понятий, которым, по нашему мнению, является "Психофизиология кода речи".

Список литературы

1.Психофизиология / под ред. Александрова Ю.И. -- М.,2003, П., 2003. -с. 491.

2. Бехтерева Н.П. Нейрофизиологические аспекты психической деятельности человека. -- Л.: Медицина, 1974 -- 152 с.

3. Биркин А. А. Вербальный градиент сознания // Вестник восстановительной медицины. -- 2005. -- Т. 3, №13. -- С. 60--61.

4. Биркин А. А. Закономерности влияния частот кодов речи на функциональное состояние коркового анализатора // VII Международная конференция "Современные технологии восстановительной медицины". -- М., 2004. -- С. 133--134.

5. Биркин А. А. Филологический и физиологический аспекты психотерапии // Вестник восстановительной медицины. -- 2005 - №4(14). - С. 35-40.

6. Большая медицинская энциклопедия, 3-е изд. / Под ред.Б.В. Петровского. -- М., 1985. -- Т. 25. -- С. 227--231.

7. Большая медицинская энциклопедия, 3-е изд. / Под ред.Б.В. Петровского. - М., 1985. - Т. 24. - С. 1588-1591.

8. Большая медицинская энциклопедия, 3-е изд. / Под ред.Б.В. Петровского. - М., 1984. - Т. 22. - С. 758-759.

9. Компьютер и мозг новые технологии. -- М.: Наука, 2005. --320с.

Размещено на Allbest.ru