Времето е ключът към обяснението на закона на Вебер. Кредит: Диого Матиас, Фондация Шампалимо

психофизиката

В продължение на векове умственият свят на ума и физическият свят се третираха като напълно различни. Докато движението на неживите обекти може да бъде измерено и в крайна сметка да се предскаже с помощта на математиката, движението на организмите - тяхното поведение - изглежда се формира от различни сили, под контрола на волята.

Преди около 200 години германският лекар Ернст Хайнрих Вебер направи на пръв поглед безобидно наблюдение, което доведе до раждането на дисциплината Психофизика - науката, свързана с физическите стимули в света и усещанията, които те предизвикват в съзнанието на даден субект. Уебър помоли субектите да кажат кое от две малко по-различни тегла е по-тежко. От тези експерименти той открива, че вероятността субектът да направи правилния избор зависи само от съотношението между тежестите.

Например, ако даден обект е правилен 75% от времето, когато сравнява тегло от 1 Kg и тегло от 1,1 Kg, тогава тя също ще бъде правилно 75% от времето, когато сравнява две тегла от 2 и 2,2 Kg - или, като цяло, всяка двойка тежести, където едната е с 10% по-тежка от другата. Това просто, но точно правило отвори вратата за количествено определяне на поведението от гледна точка на математически „закони“.

Оттогава наблюденията на Вебер са обобщени за всички сензорни модалности в много животински видове, което води до това, което сега е известно като Закона на Вебер. Това е най-старият и твърдо установен закон в психофизиката. Психофизичните закони описват точни правила за възприятие и са важни, защото могат да се използват за получаване на математически обяснения на поведението по отношение на мозъчните процеси, точно както точните модели на движение на планетите в небето са били полезни за разбиране на гравитацията.

През годините са предложени много обяснения на закона на Вебер. Въпреки че всички те могат да отчетат констатациите на Weber, не е открит експериментален тест, който да идентифицира кой модел е правилен. По този начин пъзелът на математическото обяснение на закона на Вебер остава отворен.

Сега екип от изследователи от Центъра за непознати Champalimaud в Лисабон, Португалия, откри, че Законът на Вебер може да бъде описан като последица от ново психофизично правило, включващо времето, необходимо за извършване на избор, а не само резултата от решението. Екипът показа, че това ново правило е достатъчно, за да извлече уникален и точен математически модел, описващ когнитивния процес, лежащ в основата на закона на Вебер. Резултатите от тях са описани в статия, публикувана в научното списание Nature Neuroscience.

Времето е ключово

В това ново проучване Алфонсо Ренарт, главният изследовател, ръководил проучването, и неговият екип, обучавали плъхове, за да различават два звука с малко различна интензивност. Те конструираха миниатюрни слушалки, специално пригодени за главата на плъхове, и ги използваха, за да доставят звуци едновременно на двете уши.

Във всяко изпитание звукът на един от двата високоговорителя щеше да бъде малко по-силен, а работата на плъха беше да докладва кой говорител пуска по-силен звук, като се ориентира към съответната страна. „Това поведение е естествено за плъховете, защото те ориентират главите си към източника на звук, точно както ние“, обяснява Хосе Пардо-Васкес, един от съавторите на статията. Плъховете можеха да изпитат звука толкова дълго, колкото им беше необходимо, за да решат. По този начин всеки опит дава избор и време за решение.

„Нашите експерименти потвърдиха, че поведението на животните съответства на закона на Вебер“, казва Пардо-Васкес. "Способността им да разберат кой от двата звука е по-силен зависи само от съотношението между интензивността на звуците. Ако плъхът трябваше да сравнява интензитета на два звука, които се възпроизвеждаха тихо, точността му беше също толкова добра, колкото при двойка звуци, които се възпроизвеждаха силно, стига и двете двойки да имат еднакво съотношение на интензитета. "

След това екипът започна да анализира подробно колко време отнемаха плъховете, за да вземат решения, стъпка, която се оказа критична. „Обикновено проучванията на закона на Вебер се фокусират върху точността на дискриминацията, което самият Вебер описва“, обяснява Пардо-Васкес. "Изненадващо, времето, необходимо за вземане на решение, не получи малко внимание." Екипът осъзнава времето за вземане на решения и силата на двойката звуци са свързани - колкото по-силни са звуците, толкова по-кратко е времето за вземане на решение. Всъщност те показаха, че естеството на тази връзка е уникално и математически прецизно, като времето за вземане на решение се наблюдава, например, при дискриминация между два тихи звука, точно пропорционално на времето за вземане на решение, измерено, когато субектът прави разлика между два силни звука - - стига относителните им интензитети да са постоянни.

Отвъд закона на Вебер

Всъщност екипът е открил нов „психофизичен закон“, който те наричат ​​„еквивалентност на времевата интензивност при дискриминация“ (TIED), тъй като свързва общата интензивност на двойка звуци и времето, необходимо за дискриминация между тях. TIED е по-строг от закона на Weber, тъй като той не само свързва точността на двойките дискриминации, но и свързва свързаните с тях времена за вземане на решения. „Точността на тази връзка между времето за вземане на решения в нашите експерименти е невероятна“, казва Пардо-Васкес, „необичайно е поведението на животните да бъде описано с такава математическа точност“.

За да разследва дали TIED се провежда и при различни условия, екипът провежда същия вид експеримент с хора, като получава сходни резултати. Те също така анализираха експерименти, направени от други, при които плъховете извършват обонятелна дискриминация на миризмени смеси, отново със същия резултат. „Все още е рано да се каже дали TIED е толкова общ като закона на Вебер, но фактът, че сме получили едни и същи резултати при два вида и в два сензорни модалности, е обнадеждаваща първа стъпка“, заключи Пардо-Васкес.

Затваряне в правилния модел

През годините са предложени десетки математически модели за обяснение на закона на Вебер, но няма ясен експериментален тест, който да ги различи. Изследователите разсъждаваха, че TIED предлага път напред. Техният анализ разкри, че за да бъде в съответствие с TIED, математическият модел на задачата за дискриминация ще трябва да отговаря на набор от строги условия. „Това беше фантастично“, казва Хуан Кастиниерас, друг съавтор на изследването. "TIED ограничи света на възможните обяснения и по този начин разреши неяснотата между многото предложени модели на закона на Вебер." Предложен по-рано модел от психолога Стивън Линк в края на 80-те се доближи до решението, но пропусна важно условие, описващо как интензивността на сензорните стимули се кодира от активността на сензорните неврони.

Последната стъпка беше да се вземе този набор от условия и да се изгради модел, за да се тества колко точно отчита поведението на плъховете. „Анализирахме най-простия модел с възможно най-малък брой параметри“, обяснява Кастиниерас. Когато стойностите на тези параметри бяха избрани, за да увеличат максимално сходството с поведението на плъховете, те откриха, че пригодността на модела е забележителна. „Дори най-простият модел ефективно улавяше всичко, което можем да измерим, с почти никаква грешка. Това значително засили нашата увереност, че моделът описва нещо вярно за това как работи възприятието“, казва Ренарт.

Прецизните експерименти и теории водят до определен напредък

Тези резултати се открояват в своята област поради прецизността както на новото психофизично правило, така и на математическия модел, който описва експерименталните данни. "Въпреки че се наблюдават по-рядко, в биологията и при изучаването на поведението - подобно на физиката - точните експериментални резултати позволяват точни обяснения, които разрешават предишните неясноти и следователно представляват напредък", казва Ренарт. Например, техните резултати показват, че една от основните теории в психофизиката не е била адекватна за описване на TIED. "Производството на математически обяснения, които изключват конкуриращи се теории, е много рядко в неврологията, защото винаги има възможност леко да се модифицира един модел, за да стане съвместим с експерименталните данни", посочва Кастиниерас. "Показахме, че една много влиятелна теория в психофизиката (наречена Теория за откриване на сигнали) не е моделирала времената за вземане на решения и следователно не може да опише TIED. Тя пропусна същността на обяснението на закона на Вебер.

Една от следващите цели на екипа е да разбере как математическият модел, който са идентифицирали, се прилага от мозъка: „Искаме да определим кои мозъчни области са важни за нашата задача и как невроните в тези вериги изпълняват различните изчислителни елементи на модела ", заключава Ренарт.

Справка: Хосе Л. Пардо-Васкес, Хуан Р. Кастинейрас-де Саа, Мафалда Валенте, Ирис Дамяо, Тиаго Коста, М. Инес Висенте, Андре Г. Мендонса, Захари Ф. Майнън и Алфонсо Ренарт. Механистичната основа на закона на Вебер. Природна неврология. DOI: 10.1038/s41593-019-0439-7.

Тази статия е публикувана повторно от следните материали. Забележка: материалът може да е редактиран по дължина и съдържание. За допълнителна информация, моля, свържете се с цитирания източник.