Современные представления о механизмах зрительного внимания

Повышение сенсорной чувствительности, подавление нерелевантной информации и эффективные критерии выбора могут быть реализованы одновременно, в рамках одной системы внимания (Eckstein et al., 2002; Lu, Dosher, 1998, 2000; Tse, 2005; Pestilli, Carrasco, 2005). По-видимому, внимание отражает комбинацию таких механизмов, как усиление сигнала, подавление нерелевантной информации и факторы, связанные с выбором критериев для поиска специфических черт стимула. Гипотеза об усилении сигнала предполагает, что внимание напрямую изменяет представление стимула, увеличивая коэффициент усиления для сигнала в пределах локуса селективного внимания (Bashinski, Bacharach, 1980; Cameron, et al., 2002; Carrasco et al., 2000; Carrasco et al., 2002; Dosher, Lu, 2000).

Гипотеза подавления нерелевантной информации имеет несколько формулировок. В частности, внимание может изменить свойства фильтров восприятия, увеличивая долю сигнала и уменьшая долю нерелевантной информации (Dosher, Lu, 2000; Lu, Dosher, 1998; Lu et al., 2002). В этом случае внимание работает как фильтр в определенном положении, пропускающий только часть информации; в других местах поля зрения могут применяться другие фильтры. Другой аспект состоит в подавлении нецелевых стимулов за счет игнорирования информации вне фокуса внимания. Модели подавления дистракторов обычно содержат внутреннюю неопределенность, появляющуюся из-за трудности в различении дистракторов и целевых стимулов. Результаты некоторых исследований свидетельствуют о том, что внимание может содействовать подавлению внешнего шума в двух случаях: 1) когда единственный целевой стимул имеет низкую интенсивность первичных признаков и в силу этого может быть перепутан с пустым местом (пространственная неопределенность); 2) когда сверхпороговый целевой стимул может быть перепутан cо сверхпороговыми дистракторами. Согласно этим представлениям, качество восприятия ухудшается, когда пространственная неопределенность возрастает и количество дистракторов увеличивается, потому что шум, который они создают, может быть перепутан с целевым сигналом (Baldassi, Burr, 2000; Cameron et al., 2002; Kinchla et al., 1995; Morgan, et al., 1998; Shiu, Pashler, 1994; Solomon et al., 1997). Можно предположить, что предварительные подсказки позволяют испытуемым следить только за релевантным местоположением, в котором возможно появление целевых стимулов, вместо всех возможных местоположений (Davis et al., 1983; Eckstein et al., 2002; Kinchla et al., 1995; Nachmias, 2002).

Гипотеза уменьшения внешнего шума имеет две отдельные формулировки: исключение шума и подавление дистракторов. Эти формулировки предполагают существование разных механизмов. Исключение шума может быть основано на возможности внимания исключить влияние внешнего шума, совпадающего с интересующим сигналом. В частности, внимание может изменить свойства фильтров восприятия, увеличивая долю сигнала и уменьшая долю шума (Dosher, Lu, 2000; Lu, Dosher, 1998; Lu et al., 2002). В этом случае внимание работает как фильтр в определенном положении, пропускающий только часть информации; в других местах поля зрения могут применяться другие фильтры (например, для торможения репрезентации других дистракторов).

Согласно гипотезе подавления дистракторов для уменьшения уровня шума, внимание влияет на обработку в выбранной области с помощью активного торможения представительства тех частей поля зрения, которые находятся за пределами фокуса внимания. Некоторые исследования показывают, что эффект внимания появляется, когда целевой стимул представлен вместе с дистрактором (для исключения дистрактора), но не тогда, когда целевой стимул является единственным стимулом; кроме того, он становится более заметен с ростом числа дистракторов (Cameron et al., 2002; Eckstein et al., 2002; Foley et al., 1998). В некоторых работах высказывается предположение о том, что внимание позволяет исключать дистракторы, которые слишком отличаются от релевантных стимулов при помощи сужения фильтров, которые обрабатывают стимулы (Baldassi, Burr, 2000, Solomon et al., 1997). В целом эта гипотеза, основанная на принятии решений о выборе критериев отбора, подразумевает, что внимание позволяет наблюдателю следить за полезными фильтрами и основываться на них при принятии решений о новых критериях.

Было предложено несколько механизмов, способных объяснить, как внимание воздействует на восприятие, многие из которых могут быть отнесены к уже описанной выше модели шаблонов восприятия. Эта модель дает теоретические и практические обоснования для оценки механизмов внимания при помощи регуляции интенсивности и характеристик внешних сигналов, присутствующих одновременно с релевантными стимулами, Согласно модели шаблонов восприятия, сигнал анализируется при помощи сравнения с шаблоном восприятия. Внимание может взаимодействовать с шаблоном восприятия для улучшения качества обработки несколькими способами, описанными в работе Lu et al. (2009).

Модель шаблонов восприятия основана на более старой модели, описанной в ранних работах (Burgess, et al., 1981; Pelli, Farell, 1999). Она включает в себя известные характеристики зрительной системы человека. Точность и качество восприятия ограничены естественными причинами, такими как погрешность выборки рецепторов, шум в ответах нейронов на стимул, возможные потери части информации при передаче, а также внешним шумом, сопровождающим стимулы. Производительность (или качество распознавания, процент корректных ответов) рассчитывается в этой модели как функция, зависящая от задачи, внимания, внешнего шума и уровня контраста. Параметры модели были установлены с учетом результатов психофизиологических экспериментов (Dosher, Lu, 2000; Lu, Dosher, 2004). При использовании экспериментальной парадигмы с внешним шумом, подсказки для направления внимания к определенному месту в пространстве позволяли как усиливать информацию о релевантном стимуле, так и минимизировать внешний шум, что соответствует работе первого и второго механизмов, описанных в модели. Другие работы также подтверждают, что одна из основных функций внимания – исключение внешнего шума в местоположении целевого стимула (Dosher, Lu, 2000; Lu, Dosher, 2000; Lu et al., 2002). Переходящий фокус внимания увеличивает контрастную чувствительность в условиях невысокого уровня шума, демонстрируя работу механизма усиления сигнала, а также улучшает качество и производительность восприятия в условиях высокого уровня шума, указывая на работу второго механизма. (Lu, Dosher, 1998, 2000).

Эксперименты с добавлением внешнего шума были широко распространены при изучении разных уровней зрительной обработки и свойств механизмов выделения и различения объектов. Эти парадигмы предполагают, что обработка входной информации, основанная на шаблонах восприятия, не влияет на свойства фильтра при изменении уровня внешнего шума (Carrasco, 2011). Вместе с тем в ряде работ получены данные, указывающие на наличие зависимости шаблонов восприятия от внешнего шума. В частности, при использовании методики, связанной с классификацией изображений, шаблоны восприятия настраиваются на более низкие пространственные частоты при возрастании внешнего шума (Abbey, Eckstein, 2009). Кроме того, в экспериментах по детектированию объектов показано, что эффект скученности (усложнение распознавания перифовеальной цели в присутствии находящихся рядом с ней дистракторов) обычно не наблюдается, но при некоторых типах зашумления изображений этот эффект начинает сказываться на качестве детектирования целевых стимулов, но только в случае высокого уровня шума (Allard, Cavanagh, 2011).

В большинстве работ рассматривается относительная автономность структур мозга, вовлеченных в управление механизмами явного и скрытого внимания. Однако убедительные доказательства перекрытия этих структур получены в исследованиях, с помощью функциональной магниторезонансной томографии при избирательной активации механизмов явного и скрытого зрительного внимания (рис. 2–3).

Рис. 2. (a) Схема экспериментов для избирательной активации скрытого (covert) и явного (overt, saccades task) внимания; (b) регистрации движений глаз у одного характерного испытуемого во время активного экспериментального блокирования явного внимания (слева) и саккадного теста (справа) (Fig. 1 из работы Nobre et al., 2000)

Рис. 3. (a) области мозга, активируемые в обоих тестах (при функционировании как скрытого, так и явного внимания), наложенные на стандартизованный объем мозга; (b) области мозга, преимущественно активируемые скрытым вниманием. Сагиттальные и коронарные представления пиков активации в правых париетальных и фронтальных фокусах (Fig. 2 из работы Nobre et al., 2000)

1.1.3. Селективное внимание

В одной из работ Kahneman, Henick (1981) при изучении селективного внимания был поставлен вопрос о том, что определяет попадание объекта в фокус внимания при осмотре изображений? До этого внимание представлялось подобным «лучу прожектора» (или «лучу трансфокатора», различие этих метафор в данном случае не имеет значения), освещающим ту или иную область изображения, а также стимулы, расположенные в этой области. Такая трактовка «луча внимания» подтверждалась результатами многих исследований, показавших важность пространственного расположения элементов для скорости и точности решения некоторых типов зрительных задач. Hoffman, Nelson (1981) обнаружили, что если для успешного выполнения задания необходим поиск и распознавание двух стимулов, то задача решается точнее при их более близком взаимном расположении. Downing, Pinker (1985) выяснили, что скорость решения задачи монотонно снижается при удалении позиции целевого стимула от подсказки, что, по мнению авторов, указывает на наличие градиента селективного внимания.

Kahneman, Henick (1981) предположили, что внимание может быть направлено не только на определенное место в пространстве, но и на какой-либо определенный объект. Они считали, что уже на нижнем уровне зрительной системы существует механизм создания образов объектов и что эти образы могут служить основой для селективного внимания. Поскольку объекты занимают определенное положение в поле зрения наблюдателя, то необходимы были эксперименты, которые позволяли бы отделить внимание, направленное на объект, от внимания, направленного на местоположение этого объекта в поле зрения. Для этого применялись несколько экспериментальных парадигм. Во-первых, тестировался эффект предъявления стимулов в местах зрительного пространства, которые по-разному соотносились со структурой объекта, но не отличались по пространственной удаленности друг от друга. Во-вторых, экспериментатор мог провоцировать направление внимания на подвижные объекты, что вело к постоянному изменению положения фокуса внимания в поле зрения.