Чеширская улыбка кота Шрёдингера: мозг, язык и сознание

Сказанное выше в описании языка, как и в случае биологических систем, свидетельствует о возрастании количества регуляторных факторов и регулируемых параметров, то есть в данном случае ведет к наиболее адекватной передаче информации, к формулированию мысли.

Эволюция программ как единого целого

Эволюция программ идет по пути увеличения их независимости от конкретного типа вычислительной машины. Так, был специальный язык BASIC для ЭВМ ДЗ-28, для Искры-226, для ZX-Spectrum или FX-702P. В процессе эволюции язык стал машинно независимым, что можно интерпретировать как повышение степени «гомеостаза» данного языка.

Другое направление эволюции программ заключается в росте числа характеристик, по которым оценивается качество программы и процесса ее создания. Так, помимо основного требования к реализации заданного алгоритма, к программе стали предъявляться требования наглядности и удобочитаемости. Другое дополнительное требование, возникшее в процессе эволюции языка, заключалось в удобстве отладки и тестирования программ. Это вызвало к жизни целый арсенал средств поиска, трассировки (TRACEON), наблюдения (WATCH), запоминания команд (HISTORYON), остановки в заданном месте программы (BREAKPOINT) и синтаксического контроля отдельной строки программы [Kameny, Kurtzi, 1985; Inman, Albrechi, 1989].

* * *

Заключение

Все сказанное в статье представляет собой попытку обосновать применимость некоторых принципов эволюции функций к таким далеким явлениям, как естественный язык, язык программирования и физиологическая система. Сделанное следует понимать как стремление проанализировать принципы эволюции этих систем с нестандартной точки зрения. Выше было показано, что между процессом эволюции физиологической системы и процессом эволюции естественного языка и языка программирования существуют достаточно обширные аналогии. Это тем более удивительно, что механизмы эволюции гомеостатических систем и языков резко отличаются. Например, естественный отбор и генетическое наследование признаков заменяются конкуренцией между фирмами – поставщиками программного обеспечения вычислительных машин и всемирной доступностью информации о языках программирования. Замеченные аналогии дают основание предположить, что существуют некоторые общие закономерности эволюции функциональных систем. В физике давно замечена и плодотворно используется аналогия между механическими, акустическими и электрическими явлениями [Ольсон, 1947]. Появление кибернетики привело к пониманию единства процессов управления в живой и неживой природе. Возможно, что существует такое же единство процессов эволюции различных систем.

Распознавание человеком разных типов звуковых сигналов, издаваемых обезьянами (Cebus сapucinus)4

Несмотря на то что человек постоянно встречается со звуками, издаваемыми животными, и широко использует распознавание этих звуков в своей жизни, методы научного изучения распознавания подобных звуков до сих пор не разработаны. Между тем этот вопрос представляется существенным как для характеристики структуры звуковой среды, важнейшим компонентом которой являются звуки, издаваемые животными, так и особенно для изучения эволюции функции звуковой коммуникации в животном мире, высшим уровнем которой является речь человека. Одновременно исследование издаваемых животными звуков существенно с общей психофизиологической точки зрения для всего вопроса распознавания человеком сложных звуков, характеризуемых некоторым множеством физических параметров. Биоакустические сигналы представляют собой частный случай подобных сложных звуков; их физическая структура определяется свойствами биологических звукоизлучающих аппаратов, что в первую очередь выражается в наличии временного членения. Эта сторона вопроса рассматривалась уже ранее в работах лаборатории, связанных с электрофизиологическим исследованием характеристик слуховой системы млекопитающих [Гершуни, 1973; Гершуни, Вартанян, 1975].

Первой задачей исследования, начатого нами в 1973 году [Гершуни и др., 1975], являлась разработка приемов качественной и количественной оценок распознавания человеком сигналов, издаваемых животными.

В качестве биоакустических сигналов, подлежащих распознаванию, был избран набор звуков, издаваемых обезьянами в различных условиях их поведения [Фирсов, 1954; Мальцев, 1970]. Выбор этих биоакустических сигналов представляется выгодным по следующим соображениям:

1) звуки, издаваемые капуцинами в разных поведенческих ситуациях, хорошо разделяются по своим физическим характеристикам на ряд отличных групп;

2) частотный состав этих звуков, значимый по амплитуде, лежит в пределах от 100 до 6–8 кГц, то есть в пределах частот, к которым ухо человека достаточно чувствительно;

3) звукоизлучающий аппарат капуцинов, как и других обезьян, имеет много общих черт с голосовым аппаратом человека.

Это позволяет делать определенные заключения о работе звукоизлучающих органов у обезьян, пользуясь физическими характеристиками издаваемых звуков и данными строения этих органов [Zhinkin, 1963; Lieberman, 1968], опираясь на хорошо изученные явления речеобразования у человека [Фант, 1964].

Как было описано в предыдущих работах лаборатории [Мальцев, 1970; Гершуни, Мальцев, 1970], наблюдаемый в различных поведенческих ситуациях набор звуков у капуцинов мог быть разбит на восемь типов; критерием, используемым для классификации звуков, служило соотношение трех родов явлений:

1) поведенческой ситуации, в которой наблюдались данного рода звуки;

2) опознания сигналов человеком (экспериментатором) как относящихся к данной поведенческой ситуации (то есть отнесение их к определенной категории);

3) установление физических параметров сигналов (временных и спектральных), характерных для данной поведенческой ситуации.

Результаты опознания этих звуков экспериментатором, необходимые для классификации сигналов, выражали деятельность человека в его естественной жизни. Сама по себе эта деятельность не служила предметом исследования; характерной для нее была достаточно большая длительность периода обучения (несколько месяцев); по существу это была деятельность, подобная той, которая характеризует работу натуралиста или охотника, постепенно обучающегося восприятию и опознаванию звуков животных и соотношения их к определенным условиям поведения, в которых эти звуки издаются.

В экспериментах по исследованию набора звуков капуцинов людьми, никогда не слышавших подобных звуков, полностью исключались сведения о поведенческом значении различных групп сигналов. Таким образом, условия опознания звуков в этих психофизиологических экспериментах значительно отличались от опознания звуков, осуществляемых в условиях естественного наблюдения за поведением животных.

Методика

Переход от магнитных записей звуков, издававшихся в различных поведенческих ситуациях капуцинами, к выборочным записям (монтажам), которые предъявлялись испытуемым, осуществляли с помощью перезаписи на магнитофон МЭЗ-28А. Исходной для этих монтажей являлась запись ста сорока звуков самца капуцина, которые были разбиты на восемь типов; согласно ранее принятой классификации, эти типы сигналов получили следующие наименования: ориентировочный, приветственный, призывный, оборонительный, угрозы, агрессии, пищевой длинный, пищевой короткий [Мальцев, 1970; Гершуни, Мальцев, 1970]. Было изготовлено два варианта монтажей, которые использовались при двух отличительных процедурах опознания их человеком. Эти монтажи воспроизводились на магнитофоне МЭЗ-28А и многократно прослушивались испытуемыми в условиях звукозаглушенной камеры. В качестве звукоизлучателя использовалась акустическая система 20АС-1 с рабочим диапазоном частот 40–18 000 Гц.

Первый монтаж для прослушивания наивными слушателями (сокращенно МНС-1) использовался для получения качественной оценки восприятия семи различных типов сигналов (в монтаже отсутствовал сигнал угрозы). Этот монтаж содержал двадцать один сигнал – в среднем по три сигнала каждого типа. Сигналы одного типа следовали друг за другом с интервалами около трех секунд, тогда как интервалы между группами сигналов одного типа составляли около десяти секунд. В процессе прослушивания МНС-1 испытуемые должны были дать характеристику каждого типа сигналов по определенным критериям, а именно:

1) подобию с другими известными им звуками;

2) эмоциональному выражению;

3) звуковысотным и мелодическим особенностям;

4) фонетической транскрипции.

Для этой цели была использована группа слушателей (четырнадцать человек), в которую входили фонетики, психоакустики, а также лица с музыкальным слухом. Каждый испытуемый должен был давать оценку не менее чем по двум критериям. Опытные сеансы, состоявшие из шести – восьми прослушиваний, производились до достижения стабильных характеристик.

Второй монтаж звуков (МНС-2) использовали для количественной оценки опознания сигналов восьми различных типов. В этот монтаж входило шестьдесят четыре сигнала, по восемь сигналов каждого типа, выбранных по таблице случайных чисел из исходного набора. Последовательность сигналов на магнитной ленте была также случайной, с интервалами около пяти секунд. Таким образом, в монтаже МНС-2, в отличие от МНС-1, никаких сведений о делении сигналов на группы не содержалось. Классификацию сигналов производили сами испытуемые, опираясь только на акустическое сходство и различие сигналов. Для каждой классификационной группы испытуемый должен был ввести кратное обозначение (характер обозначения не оговаривался) и присвоить его одной из восьми клавиш, установленных на пульте испытуемого, которую он в дальнейшем нажимал при появлении сигнала данной группы. Если испытуемый не мог отнести какой-либо сигнал МНС-2 ни к одной из своих классификационных групп (их общее количество не должно было превышать восьми), он нажимал специальную, девятую клавишу недифференцированного ответа. Для опытов с монтажом МНС-2 была использована другая группа испытуемых – студенты медицинского вуза (десять человек), не занимавшиеся когда-либо акустическими измерениями. Опыты проводили несколько дней подряд (по четыре прослушивания монтажа в день) до достижения стабильной классификации сигналов.

Поскольку при нажатии клавиш на пульте испытуемого с помощью разработанного в лаборатории устройства на перфоленте автоматически печатался порядковый номер нажатой клавиши, результаты классификации получали в процессе опыта численное представление и обрабатывались в дальнейшем на ЭВМ «Наири-3». При обработке результатов оценивали величину соответствия классификации, даваемой испытуемыми, с типами сигналов, представленных в МНС-2. Для этого каждому из восьми этих типов присваивали порядковый номер i(i = 1, 2… 8) и подсчитывали общее число nij случаев, когда в процессе прослушивания при предъявлении i-го типа была нажата клавиша с j-м номером (j = 1, 2… 9). Каждое прослушивание испытуемым серии сигналов МНС-2 давало матрицу {nij} из семидесяти двух чисел, выражающую его текущую классификацию сигналов. Кроме того, оценивали стабильность классификации испытуемых в различные опытные дни, а также разброс классификаций разных испытуемых. Для этого производили дополнительный информационный анализ матриц {nij}, широко используемый в практике подобного рода психологических измерений [Решлен, 1966]. Вычисляли среднюю информацию I(i, j), воспринимаемую испытуемым о разных типах сигналов за одно прослушивание МНС-2 (формула 1):

где H(j) – энтропия реакций испытуемого; Hi(j) – средняя условная энтропия реакций испытуемого при условии предъявления i-го типа сигналов МНС-2.

Количество ni9 нажатий на клавишу, соответствующую недифференцированному ответу, при вычислениях поровну распределяли между остальными клавишами. Очевидно, что при полном соответствии классификации испытуемого с типами сигналов МНС-2 I(i,j) = Hi(j) = 3 бита. Для определения разброса классификаций разных испытуемых вычисляли коэффициент вариации СI (формула 2):

где Ī – среднее значение I(i, j) для разных испытуемых; σ1 – среднее квадратическое отклонение значений I(i, j) для разных испытуемых.

Результаты исследования

Первая серия. После четырех – шести прослушиваний монтажа МНС-1 каждый испытуемый начинал давать однозначные или близкие определения для отдельных типов сигналов. Наименование по подобию со знакомыми звуками использовалось всеми испытуемыми. Фонетическая транскрипция определялась шестью лицами (из них четыре являлись высококвалифицированными фонетистами). Эмоциональное выражение и звуковысотные характеристики были зафиксированы десятью испытуемыми.

В табл. 1 представлена выборка наименований, даваемых слушателями по разным критериям оценки. Из нее видно, что определения по критериям подобия со знакомыми звуками для одних типов сигналов переслаиваются друг с другом, для других – оказываются весьма отличными. Так, ориентировочный и приветственный сигналы получают у некоторых слушателей такие одинаковые наименования, как трель; призывный, оборонительный и пищевой длинный определяются как скуление, повизгивание; сигнал агрессии, определяемый как хрип, рычание, оказывается резко отличным от других, но имеет общее наименование с конечным компонентом ориентировочного сигнала, характеризуемого как хрип. По эмоциональным характеристикам три сигнала – призывный, оборонительный, пищевой длинный – получают такое общее определение, как жалобный звук. По звуковысотным характеристикам изменение высоты вверх определяется для двух сигналов – приветственного и пищевого длинного; изменение высоты вниз характерно для ориентировочного сигнала.

Таблица 1. Оценка разных типов звуков обезьян по четырем критериям (первая серия опытов)

Примечание: точками с запятой разделены обозначения, даваемые разными испытуемыми, запятыми —обозначения, даваемые одним и тем же испытуемым.

Весьма интересны данные фонетической транскрипции. Так, четыре сигнала (призывный, оборонительный и пищевые длинный и короткий) относятся к группе гласных. Один сигнал, имеющий чисто шумовой характер (агрессивный), относится к группе согласных. Один из сигналов (ориентировочный) характеризуется как состоящий из последовательности согласного и гласного или как звучный согласный (вибрант). К этому сигналу, по определению одного фонетиста, примыкает приветственный сигнал; другие фонетисты отмечают в приветственном лишь гласноподобные компоненты. Как можно видеть из табл. 1, в фонетической транскрипции выступает не только отнесение разных типов сигналов к трем общим категориям: гласноподобных, согласноподобных и смешанных (гласный + согласный), но и наличие более специализированных оценок, характеризующих каждый тип сигнала по дополнительным признакам.

Из изложенного следует, что для представленных типов сигналов, из которых каждый опознается испытуемыми как отличный от другого, характерной является множественность определений одного и того же сигнала. Это множественность определений является, как хорошо известно, типичной для опознания сложных многомерных звуков.

Вторая серия. А. При первых прослушиваниях монтажа сигналов МНС-2 испытуемые выделяют все большее число групп сходных сигналов, приписывая соответствующим клавишам самые различные обозначения. На рис. 1 показана усредненная для восьми испытуемых величина информации о типах сигналов, воспринятая ими при разных прослушиваниях МНС-2 (кривая 1), а также значения коэффициента вариации этой величины, отражающие разброс классификаций сигналов разными испытуемыми (кривая 2). Как видно из рис. 1, изменение этих величин имеет закономерный характер. В начале опытов информация, воспринимаемая испытуемыми о типах сигналов, быстро растет и их классификации начинают быстро сближаться. После шестого – восьмого прослушиваний скорость нарастания величины воспринятой информации значительно падает и различия классификаций разных испытуемых стираются медленнее.

Рис. 1. Средняя величина информации I о типах сигналов, воспринимаемая испытуемыми (кривая 1), коэффициент вариации CI величины информации I, воспринятой разными испытуемыми (кривая 2). По ординате – информация в битах, по абсциссе – номер прослушивания

Следует отметить что начиная с двенадцатого – четырнадцатого прослушивания обозначения, даваемые испытуемыми сводным группам сигналов, оставались постоянными и соответствовали одним и тем же клавишам. В результате к концу опытов классификация испытуемых стабилизировалась и становилась тесно связанной с типами сигналов. В табл. 2 приведена средняя классификационная матрица, дающая численное выражение этой связи для отдельных типов сигналов. В этой таблице просуммировано 4096 ответов восьми испытуемых, полученных в течение девяти последних прослушиваний, соответствующих периоду стабилизации ответов. В левом столбце таблицы указаны номера соответствующих клавиш (письменные наименования клавиш в целом соответствуют наименованиям по критерию подобия табл. 1). Остальные столбцы соответствуют типам сигналов, представленных в монтаже МНС-2. Цифры таблицы выражают процентное соотношение нажатия различных клавиш для каждого типа сигналов. Как видно из диагонали таблицы, выделенной жирными цифрами, для большинства типов сигналов от 72 до 99 % нажатий на клавиши соответствуют определенному типу. Лишь для двух типов (оборонительного и длинного пищевого) это соответствие выражается 66 и 23 %.

Таблица 2. Классификация разных типов звуков обезьян (вторая серия опытов)

Как уже указывалось ранее, в монтаже МНС-2 полностью отсутствовали сведения о делении сигналов на типы. Поэтому высокий процент ответов испытуемых, соответствующих большинству типов сигналов, позволяет предположить, что классификация испытуемых основывается на тех же общих физических признаках сигналов, которые существенны в обоих случаях.

Числа nij (при i ≠ j) классификационной матрицы, расположенные вне выделенной диагонали табл. 2, соответствуют отклонениям состава классификационных групп испытуемых от типов предъявлявшихся сигналов. Каждое из этих чисел выражает процент нажатия j-й клавиши, связанной преимущественно с другими типами сигналов, при предъявлении данного, i-го типа. Сумма чисел nij и ni‘j‘‘ (при i‘ = j; j‘ = i; i ≠ j), симметричных относительно выделенной диагонали, соответствует, таким образом, взаимному перекрытию сигналов i-го и i‘-го типов в ответах испытуемых (в процентах от общего количества ответов на каждый тип). Сравнение перекрытий сигналов различных типов с их физическими характеристиками позволяет судить о значении различных параметров сигнала для его опознания.

Б. При предъявлении монтажа МНС-2 была проведена серия прослушиваний, задачей которых являлась оценка эмоциональных характеристик звуков. Испытуемые получали инструкцию давать эмоциональную оценку по произвольно выбираемым ими наименованиям. В прослушиваниях участвовало десять испытуемых второй группы. Распределение даваемых испытуемыми письменных наименований эмоциональных характеристик после двадцать четвертого прослушивания носило весьма закономерный характер. Так, из шестидесяти четырех наименований соответственно общему числу сигналов в монтаже МНС-2 лишь одно не совпадало по характеру обозначенной эмоции со всеми другими определениями сигнала (относится к сигналу агрессии). Полученные данные близки к эмоциональным характеристикам, представленным в табл. 1, несмотря на то что в обоих сериях опытов использовались отличные психофизические процедуры.

Сопоставление результатов, полученных при прослушивании двух монтажей (МНС-1 и МНС-2). Сопоставление требует выделения обобщенных групп характеристик, по которым могут быть классифицированы типы сигналов. Наиболее ясными классификационными группами по фонетической транскрипции являются следующие:

1) гласноподобные;

2) согласноподобные;

3) смешанные (согласный + гласный).

Эмоциональные характеристики можно разбить на четыре группы:

1) эмоционально-нейтральные (вопрос, удивление, покой, возглас…);

2) эмоционально-положительные (радость, удовольствие, веселье…);

3) эмоционально-отрицательные активные (гнев, ярость, злоба…);

4) эмоционально-отрицательные пассивные (жалоба, тревога, испуг, неудовольствие…).

Это разделение, хотя и является грубым, оказывается полезным для обобщенной характеристики типов сигнала. Музыкально-высотные характеристики могли быть разделены на три группы:

1) мелодичные;

2) шумовые;

3) смешанные.

В результате получаются десять обобщенных характеристик, по которым могут быть описаны все типы сигналов.

В табл. 3 представлены подобного рода данные. Поскольку таблица носит качественный характер, в ней вводятся лишь два обозначения, показывающие наличие данной характеристики в большинстве случаев (+ +) и в редких случаях (+).

Рассмотрение отношений характеристик по сходству и различию для разных типов сигналов показывает, что все гласноподобные сигналы одновременно характеризуются как мелодичные; некоторую особенность представляют приветственные сигналы (№ 2), которые фонетически характеризуются чаще как гласноподобные, реже как смешанные. По эмоциональным выражениям три гласноподобных мелодических сигнала (№ 3, 4, 7) получают характеристики эмоционально-отрицательных пассивных, а сходные с ними приветственные сигналы получают во всех без исключения случаях эмоционально-положительное наименование.

Ориентировочные сигналы (№ 1) получают наиболее частые наименования, характеризуемые как эмоционально-нейтральные. Встречаются очень редко эмоционально-положительные наименования, сближающие их с приветственными (№ 2), что видно также по фонетической транскрипции, и эмоционально-отрицательные, пассивные, сближающие их с сигналами угрозы (№ 5). Эмоционально-нейтральными во всех случаях являются короткие пищевые сигналы (№ 8), которые по этой характеристике подобны ориентировочным. Таким образом, эти два типа сигналов (№ 1 и 8), несмотря на отличие всех других характеристик, оказываются сходными по их наименьшей эмоциональной выраженности (нейтральные).

Таблица 3. Оценка разных типов звуков обезьян по обобщенным характеристикам (первая и вторая серии опытов)

Сопоставление данных опознания с физическими характеристиками сигналов. На рис. 2 представлены динамические спектрограммы восьми типов сигналов, входящих в монтажи. По этим динамическим спектрограммам возможно судить о спектральных и временных параметрах разных типов сигналов. Расположение спектрограмм на рис. 2 соответствует наличию или отсутствию тех или иных фонетических обобщенных характеристик сигналов по данным табл. 3. В верхней части рис. 2, А показаны спектрограммы согласноподобного сигнала (агрессии, 6) и смешанных сигналов (ориентировочного, 1; угрозы, 5). В нижней части рис. 2, А и на рис. 2, Б показаны спектрограммы гласноподобных звуков (призывный, 3; длинный пищевой, 7; оборонительный, 4; приветственный, 2; короткий пищевой, 8).

Как видно из спектрограмм, наиболее общим признаком, объединяющим гласноподобные звуки, является хорошо выраженная гармоническая структура их спектра, несмотря на различную длительность импульсов и выраженность частотной модуляции гармоник. Для импульсов согласноподобных звуков, напротив, характерно наличие широких спектральных полос с одним размытым максимумом на низких частотах. В полном соответствии с данными табл. 3 спектральная структура смешанных (гласный + согласный) сигналов имеет промежуточный характер: их начальные импульсы имеют гармоническую структуру, а спектры конечных импульсов имеют признаки, сближающие эти звуки с согласноподобными. Как уже отмечалось выше, по звуковысотным обобщенным характеристикам можно выделить группы сигналов, которые полностью соответствуют группам, выделенным по фонетическим характеристикам. Это позволяет полагать, что звуковысотным характеристикам соответствуют те же физические признаки различных типов сигналов, которые оказываются существенными для их фонетической характеристики.