Элементы теории биологических анализаторов - Позин Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
тивными работы, сочетающие создание модельных представлений с психофизиологическими исследованиями закономерностей работы слуховой системы при решении достаточно сложных задач, таких как классификация речевых и музыкальных или подобных им сигналов, т. е. задач, в решении которых заведомо участвуют центральные отделы.
В части II книги рассмотрены четыре группы вопросов из названных в предыдущем разделе.
Во-первых, изучаются принципы частотно-интенсивностного анализа в слуховой системе. Ставятся задачи: систематизировать электро- и психофизиологические данные, затем выдвинуть и обосновать модельные представления о механизмах выделения координат максимумов спектральной плотности сигиала, наконец разработать рекомендации по построению частотного анализатора, использующего принципы, сформулировапные при создапии модели. Вся группа вопросов рассматривается в гл. V.
Во-вторых предпринята попытка исследовать некоторые закономерности, характеризующие временной анализ сигналов. Конкретно, речь идет о выяснении принципов пассивной локации или бинаурального слуха, позволяющего живым организмам определять направление па источник звука. По системе бинаурального слуха накоплен подробный и разносторонний физиологический материал; его анализ и обобщение представляют первый шаг в создании модельных представлений о принципах пассивной локации у животных. Следующий шаг — разработка нейронной модели узловых механизмов бинауральной системы. К их числу относятся механизмы извлечения из звукового сигиала информации о моменте его прихода и о крутизне его нарастания (характеристика интенсивности сигнала). Кардинальную роль в этой системе выполняет механизм вычисления результирующей разности моментов прихода сигпалов па левое и правое ухо. Методологически задача состоит не в том, чтобы получить алгоритм па уровне «входно-выходных отношений», а в том, чтобы направить усилия на выяснение собственно нейронных механизмов системы бинаурального слуха. Этому комплексу вопросов посвящена гл. VI.
В третьих, в гл. VII систематизированы психофизиологические данные о восприятии высоты сложных звуковых сигналов и разработана и исследована на ЭВМ модель выделения высоты, использующая временные механизмы анализа звуковых сигналов.
В четвертых, изложены результаты психофизиологических экспериментов по исследованию закономерностей восприятия ритмики сигналов, которые проводились с помощью гибридного вычислительного комплекса. На базе полученных результатов разработана модель системы восприятия ритмики. Этим вопросам посвящена гл. VIII.
ЧАСТОТНО-ИНТЕНСИВНОСТНЫЙ АНАЛИЗ
Частотпый анализатор в виде параллельного набора фильтров в технике принято характеризовать разрешающей способностью, точностью определения частоты и временем анализа. Если на входы фильтров подано два сигнала чистого тона, огибающая выходных сигналов в общем случае представляет двугорбую кривую.
Разрешающая способность анализатора определяется минимальным частотным интервалом А/, при котором отношение ординаты седла к ординате горба равно выбранной величине (обычно 0,7). Для набора фильтров разрешающая способность по порядку величины совпадает с точностью (см. § 3 гл. V). Произведение минимального разрешаемого интервала А/ па время анализа At является приблизительно величиной постоянной для каждого конкретного набора фильтров, следовательно, чем меньше допустимое время анализа, тем больше интервал А/, т. е. тем хуже разрешающая способность.
Результаты психофизических экспериментов показывают, что свойства слуховой системы отличаются от свойств обычного спектрального анализатора. Главное отличие состоит в том, что высокая точность частотного анализа обеспечивается в ней при использовании в качестве набора фильтров низкодобротной колебательной системы — основной мембраны. Кроме того, точное различение частот достигается за короткий интервал времени. Как указывалось выше, с технической точки зрения такие качества как высокая точность различения частот при низкодобротных фильтрах или точное различение при коротком времени анализа являются взаимоисключающими, несовместимыми. Они могут быть объяснены только за счет дополнительной обработки информации в нейронных структурах, расположенных выше рецепторного аппарата — основной мембраны и волосковых клеток. Выяснению принципов обработки информации о частоте и интенсивности и разработки модели нейронных структур, осуществляющих эту обработку, и посвящена гл. V.
§ 1. Физиологические данные о восприятии частоты и интенсивности сигналов чистого тона
1. Мембрана и рецепторы. Частотные характеристики и величина колебаний мембраны. Как отмечалось выше, на основной мембране частота звукового сигнала однозпачно определяется местом участка мембраны, амплитуда колебаний которого максимальна, т. е. частотные свойства мембраны описываются семейством амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), примеры которых изображены на рис. 27, 28. По разным измерениям наклоны ветвей этих характеристик составляют: для высокочастотной ветви от 20 дБ/окт [85] до 60—75 дБ/окт [86, 87]; для низкочастотной ветви
