第二篇　人的信息加工

2.1　内容精讲

第三章　感　觉

人们对客观世界的认识常常是从认识事物的一些简单属性开始的。人的头脑接受和加工了这些属性，进而认识了这些属性，这就是感觉。因此感觉也可以说是人脑对事物的个别属性的认识。

第一节　感觉概述

一、什么是感觉

感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物个别属性的反映。

人的认识过程可分为若干阶段，感觉属于人的认识过程的最初级阶段。在人的内、外部环境中存在着各种各样的刺激物。每一刺激物都有多种属性，例如一只香蕉，有颜色、味道、气味、软硬、重量等多种属性。感觉就是对事物的个别属性的反映。

在现实生活中，各种刺激物分别作用于人的各种感觉器官，各种感觉信息经神经传入，在人的头脑中就产生各种各样的感觉。如，听到声音，看到颜色，嗅到气味，感受到冷或热等等。人的感觉刺激不只来自外部世界的事物及现象，也可来自机体内部，如内脏器官的活动状态与自身的运动、姿势等。

感觉是关于客观事物最原始的心理信息。但对于一个有一定知识与经验的人来说，对感觉到的信息都会有所组织，有所划分。例如，听到某种声音时，知道这是一种什么声音。人的知识、经验将各种刺激或事物的各种属性联系或整合起来，此时所产生的认识就不是单纯的感觉阶段的认识了。一切较高级、较复杂的心理现象如知觉、记忆、思维等都是在感觉基础上产生的。感觉是我们认识世界的第一步，是关于世界一切知识的最初源泉。

二、感觉的分类

感觉种类可以根据划分标准的不同来区分。

1．从刺激的来源来分，可分为外受感觉、内受感觉和本受感觉。外受感觉接受身体外部的刺激，反映外界事物的个别属性。属于外受感觉的有视觉、听觉、嗅觉、味觉、皮肤感觉等。内受感觉是人对机体内的刺激即身体内脏器官的不同状态的反映。饥饿觉、渴觉、内脏痛觉均属于内受感觉。在这里需加以说明的是，人体外部的事物属于客观存在，人的机体对于人的意识来说也是客观存在，因此人对机体这个客观存在也有感觉。例如，人的肠胃收缩时，人对这种刺激也会产生相应的饥饿觉或内脏感觉。本受感觉就是运动觉或动觉。它接受的刺激是人在运动时肌肉的活动情况。本受感觉是对机体位置、运动状态的反映。

2．从刺激的性质来分，感觉又可分为电磁的、机械的、热的、化学的四大类。视觉是对电磁波（光波）的反映；听觉是对机械振动（声波）的反映；温度觉是对热（即温度）的反映；味觉、嗅觉是对化学刺激（即气味、味道）的反映。

三、感受野与特征侦察

20世纪60年代后期，研究者采用微电极技术研究神经系统的感觉信息加工，发现当呈现某种特定刺激的同时，可记录到感觉神经通路及大脑皮质各水平上单个神经细胞的放电现象。据此，可揭示这个神经细胞所管辖的刺激区域。这个区域称为该神经细胞的感受野，而每个神经细胞的感受野都有其侦察特定特征的功能，所以亦称为特征侦察器。

现在已发现，视神经节细胞的感受野（即某一视神经节细胞所管辖的视网膜区域）有两种类似同心圆的典型形式：一是on—off，即中心对光反应，周围对暗反应；另一是off—on，即中心对暗反应，周围对光反应。如on—off形式的视神经节细胞的感受野，若其中心受到光点刺激，则主管此感受野的视神经节细胞放电频率增加，若光点刺激其周围，则视神经节细胞放电频率不增加。

不同的特征侦察器觉察不同刺激。有侦察线条长短的、运动方向的、面积大小的等特征侦察器。如有的特征侦察器觉察“边”。即当呈现一边暗一边亮的分界线时，相应的神经细胞的发电频率会增加，那么这一放电频率增加的神经细胞的感受野就是主管侦察“边”的特征侦察器。

现在也已发现，作为视觉特征侦察器的大脑相应皮层细胞可分为三类：一是简单细胞；二是复杂细胞；三是超复杂细胞。

简单细胞只对特定视网膜位置的特定特征进行反应，即使是同样特征但位置不同，这种简单细胞也不反应；复杂细胞只对特定特征进行反应，而不受视网膜位置的影响；超复杂细胞可觉察由简单特征组成的复杂特征。

四、感觉的编码

所谓编码是指将一种能量转化为另一种能量，或者将一种符号转化为另一种符号。外界的物理能量或化学能量只有经过感官的换能作用，才能转化为神经系统能够接受的神经能或神经冲动，这个过程就是感觉编码。

19世纪德国著名生理学家缪勒提出了神经特殊能学说，认为感觉编码不决定于刺激的性质，而决定于感觉神经的性质。近年来感觉编码的研究形成了两种有代表性的理论。一种是特异化理论。认为不同性质的感觉是由不同的神经元来传递信息的。有些神经元传递红色信息，有些神经元传递甜味信息，当这些神经元分别被激活时，神经系统把它们的激活分别解释为“红”和“甜”。另一种是模式理论或模块理论。这种理论认为，编码是由整组神经元的激活模式引起的。红光不仅引起某种神经元的激活，而且引起相应的一组神经元的激活，只不过某种神经元的激活程度较大，而其他神经元的激活程度较小。整组神经元的激活模式才产生了红色的感觉。研究还发现，不同的感觉系统中，神经系统同时采用了特异化编码和模式编码。

第二节　感觉的心理物理学研究

感觉是由刺激物直接作用于某种感官引起的。但是，人的感官只对一定范围内的刺激作出反应，只有在这个范围内的刺激，才能引起人们的感觉。这个刺激范围及相应的感觉能力，我们称之为感觉阈限和感受性。

一、绝对感受性与绝对感觉阈限

刺激物只有达到一定强度才能引起人们的感觉。这种刚刚能引起感觉的最小刺激量，叫绝对感觉阈限；而人的感官觉察这种微弱刺激的能力，叫绝对感受性。绝对感受性可以用绝对感觉阈限来衡量。绝对感觉阈限越大，即能够引起感觉所需要的刺激量越大，感受性就越低。相反，绝对阈限越小，即能够引起感觉所需要的刺激量越小，则感受性越高。因此，绝对感受性与绝对感觉阈限在数值上成反比例。用公式表示为：

在这个公式中，E代表绝对感受性，R代表绝对感觉阈限。

二、差别感受性与差别阈限

两个同类的刺激物，它们的强度只有达到一定的差异，才能引起差别感觉，即人们能够觉察出它们的差别，或把它们区别开来。这种刚刚能引起差别感觉的刺激物间的最小差异量，叫差别阈限或最小可觉差（JND）。对这一最小差异量的感觉能力，叫差别感受性。

差别感受性与差别阈限在数值上也成反比例。差别阈限越小，即刚刚能够引起差别感觉的刺激物间的最小差异量越小，差别感受性就越高。

德国生理学家韦伯曾系统研究了触觉的差别阈限。经过研究发现，为了引起差别感觉，刺激的增量与原刺激量之间存在着某种关系。这种关系可用以下公式来表示：

其中I为标准刺激的强度或原刺激量，△I为引起差别感觉的刺激增量，即JND。K为一个常数。这个公式叫韦伯定律。对不同感觉来说，K的数值是不相同的，即韦伯分数不同。根据韦伯分数的大小，可以判断某种感觉的敏锐程度。韦伯分数越小，感觉越敏锐。

韦伯分数适合于中等强度的刺激。

三、刺激强度与感觉大小的关系

（一）对数定律

1860年，德国物理学家G·费希纳在韦伯研究的基础上，进一步探讨了刺激与感觉强度的关系，推导出一种数学关系式：P＝K·1gI。这就是费希纳的对数定律。其中I指刺激量，P指感觉量。按照这个公式，感觉的大小（或感觉量）是刺激强度（或刺激量）的对数函数。当刺激强度按照几何级数增加时，感觉强度只按算术级数上升。

费希纳定律提供了度量感觉大小的一个量表，对许多实践部门有重要意义。但他假定所有最少可觉差在主观上相等，已经为事实所否定。费希纳定律和韦伯定律一样，也只有在中等强度的刺激时才适用。

（二）乘方定律

20世纪50年代，美国心理学家斯蒂文斯用数量估计法研究了刺激强度与感觉大小的关系。研究发现，心理量并不随刺激量的对数的上升而上升，而是刺激量的乘方函数（或幂函数）。换句话说，知觉到的大小是与刺激量的乘方成正比例的。这种关系可用数学式表示为：

公式中的P指知觉到的大小或感觉大小，I指刺激的物理量，K和n是被评定的某类经验的常定特征。这就是斯蒂文斯乘方定律。

斯蒂文斯的乘方定律同样具有理论和实践的意义。在理论上，它说明对刺激大小的主观尺度可以根据刺激的物理强度的乘方来标定。在实践上，它可以为某些工程计算提供依据。

第三节　视觉

视觉是人类最重要的一种感觉。它主要由光刺激作用于人眼产生的。在人类获得的外界信息中，80％来自视觉。

一、视觉的生理机制

（一）视觉系统的生理机制

从生理结构上研究主要是从眼球的结构、视网膜（包括上面的锥体和棒体细胞）等角度加以认识。

视觉系统的生理机制就是一个接收视觉信息、处理视觉信息、感知视觉信息的过程。从解剖——生理的联系，可以将其归纳为三个阶段：（1）视觉信息的光学处理过程；（2）视觉信息的神经处理过程；（3）视觉信息的皮层整合定型过程。

（二）视觉的传导机制

电信号从感受器产生以后，沿着视神经传至大脑。传递机制由三级神经元实现：第一级为视网膜双极细胞；第二级为视神经节细胞，由视神经节发出的神经纤维，在视交叉处实现交叉，鼻侧束交叉至对侧，和对侧的颞侧束合并，传至丘脑的外侧膝状体；第三级神经元的纤维从外侧膝状体发出，终止于大脑枕叶的纹状区（17区）。视觉的机制不仅把神经兴奋从外周传入中枢，而且对输入的信号进行了加工处理。这对各种视觉现象的产生有重要的意义。

首先，视网膜上锥体细胞和棒体细胞的数量远远超过视神经节细胞（100万）的数量。因此，来自视觉感受器的神经兴奋必然出现聚合作用，即来自许多锥体和棒体细胞的神经兴奋，会聚到一个或少数几个视神经节细胞上。由于锥体细胞与棒体细胞的数量不同，它们会聚到双极细胞和视神经节细胞上的会聚比例也不同。这对视觉信息加工有重要的影响。

视觉系统内的侧抑制作用，也影响到神经信号的加工。侧抑制是指相邻的感受器之间能够互相抑制的现象。侧抑制是动物感受神经系统内普遍存在的一种基本现象。由于侧抑制作用，一个感受器细胞的信息输出，不仅取决于它本身的输入，而且也取决于邻近细胞对它的影响。

（三）视觉的中枢机制

大脑枕叶的纹状区是实现对视觉信号初步分析的区域。当这个区域受到刺激时，人们能看到闪光；这个区域被破坏，病人会失去视觉而成为瞎子。与第17区邻近的另一些脑区，负责进一步加工视觉的信号，产生更复杂、更精细的视觉，如认识形状、分辨方向等。这些部位受损伤，病人将失去对物体、空间关系、人面、颜色和词的认识能力，产生各种形式的失认症。

视觉感受野指视网膜上的一定区域或范围。从20世纪60年代以来，休伯（Hubel）和威塞尔（Wiesel）等对视觉感受野进行了系统研究。当感受野受到刺激时，能激活视觉系统与这个区域有联系的各层神经细胞的活动。视网膜上的这个区域就是这些神经细胞的感受野。根据感受野的研究，休伯等人认为，视觉系统的高级神经元能够对呈现给网膜上的、具有某种特性的刺激物作出反应。这种高级神经元叫特征觉察器。高等哺乳动物和人类的视觉皮层具有边界、直线、运动、方向、角度等特征觉察器，由此保证了机体对环境中提供的视觉信息作出选择性的反应。

二、视觉的基本现象

（一）明度

明度是指色彩的明暗程度。也可以形容光源的光度。任何一种色相的颜色，都可以混合黑色或白色，而使色彩产生明度的转变。白颜料明度高，混入白色越多，明度越高。黑色明度低，混入黑色越多，明度越低。同时，白与黑是代表明与暗对比的两种颜色，这两种颜色的混合，可以形成黑白灰色调的明暗度变化。

（二）颜色　

颜色是光波作用于人眼所引起的视觉经验。颜色有广义的和狭义之分。广义的颜色包括非彩色（白色、黑色和各种不同程度的灰色）和彩色（如红绿黄蓝等）；狭义的颜色仅指彩色。

颜色具有三个基本特性，即色调、明度和饱和度。色调主要决定于光波的波长。对光源来说，由于占优势的波长不同，色调也就不同。色调取决于物体表面对不同波长的光线的选择性反射。明度是指颜色的明暗程度。色调相同的颜色，明暗可能不同。颜色的明度决定于照明的强度和物体表面的反射系数。饱和度指某种颜色的纯正程度或鲜明程度。纯的颜色都是高度饱和的，例如鲜红、鲜绿等。混杂上白色、灰色或其他色调的颜色，是不饱和的颜色，例如酱紫、粉红、黄褐等。完全不饱和的颜色根本没有色调，如黑白之间的各种灰色。颜色的三个特性及其相互关系可以用三度空间的颜色立体表示。

颜色混合分两种：色光混合和颜料混合。色光混合是把不同波长的光混合在一起。而颜料混合是将两种或两种以上的颜料混合在一起。两者都是作用于视觉系统实现的混合。色光混合是一种加法过程，即将各种波长的光相加；颜料混合是一种减法过程，即某些波长的光被吸收了。

（三）色觉理论

1．三色说

英国科学家托马斯·扬假定，在人的视网膜中有三种不同的感受器。每种感受器只对光谱的一个特殊成分敏感。当它们分别受到不同波长的光刺激时，就产生不同的颜色经验。

1860年，赫尔姆霍兹放弃了一种感受器只对一种波长敏感的看法，认为三种感受器对各种波长的光都有反应。只是红色感受器对长波更敏感；绿色感受器对中波更敏感；蓝色感受器对短波更敏感。因此，当光刺激作用于眼睛时，将在三种感受器中引起不同程度的兴奋。各种颜色经验是由各种感受器按相应的比例活动而产生的。三色理论与在锥体细胞中现已发现的三种视觉色素是一致的，且能很好地说明颜色混合的事实。但是，这个理论也有明显的缺陷，例如不能解释红绿色盲。

2．对立过程理论

1874年，黑林提出了四色说，这是对立过程理论的前身。黑林认为，视网膜存在着三对视素：黑－白视素，红－绿视素，黄—蓝视素。它们在光刺激的作用下表现为对抗的过程，黑林称之为同化作用和异化作用。行为实验和电生理学的研究结果支持了黑林的观点。1958年，心理学家赫尔维奇（Hurvich）和詹米逊（Jameson）用心理物理学方法，证实了黑林的对立过程理论。现代的对立过程理论，得到了一系列生理学实验的支持。研究证实，在人的视网膜上存在的三种锥体细胞，分别对不同波长的光敏感。在视网膜水平上，色觉是按三色理论提供的原理产生的。而在视觉系统更高级的水平上，存在着功能颉抗的细胞，颜色的信息加工表现为颉抗的过程。

三、视觉的空间因素

（一）视觉对比

视觉对比是由光刺激在空间上的不同分布所引起的视觉经验。可分成明暗对比与颜色对比两种。明暗对比是由光强在空间上的不同分布造成的。对比不仅能使人区别不同的物体，而且能改变人的明度经验。颜色也有对比效应。一个物体的颜色会受到它周围物体颜色的影响而发生色调的变化。对比使物体的色调向着背景颜色的补色的方向变化。

（二）边界突出与马赫带

所谓马赫带是指人们在明暗交界的边界上，常常在亮区看到一条更亮的光带，而在暗区看到一条更暗的线条。从刺激物的能量分布来说，亮区的明亮部分与暗区的黑暗部分，在刺激的强度上和该区的其他部分相同，而我们看到的明暗分布在边界处却出现了起伏现象。可见，马赫带不是由于刺激能量的实际分布，而是由于神经网络对视觉信息进行加工的结果。马赫带现象可以用侧抑制理论加以解释。

四、视觉的时间因素

（一）视觉适应

适应是我们熟悉的一种感觉现象。它是由于刺激物的持续作用而引起的感受性的变化。在视觉范围内，可区分为暗适应和明适应。

（1）暗适应。暗适应指照明停止或由亮处转入暗处时视觉感受性提高的时间过程。研究发现，视网膜上的棒体细胞和锥体细胞都参与暗适应过程，但作用的大小及起作用的阶段不同。整个暗适应过程大约持续30～40分钟。暗适应的机制一般用感受器内光化学物质的变化来解释。当光线停止作用后，视黄醛与视蛋白重新结合，产生还原过程。

（2）明适应。明适应是指照明开始或由暗处转入亮处时人眼感受性下降的时间过程。明适应进行的时间短暂。在一秒钟的时间内，由明适应引起的阈限值上升，就已很明显。在5分钟左右，明适应就全部完成了。一般用漂白原理解释明适应。当视色素吸收光线时，视色素中的视黄醛完全脱离视蛋白，视网膜颜色由红转橙，转黄，最后成为无色透明的物质。

（二）后像

刺激物对感受器的作用停止以后，感觉现象并不立即消失，它能保留一个短暂时间，这种现象叫后像。后像可以分为正后像和负后像。后像的品质与刺激物相同叫正后像；后像的品质与刺激物相反，叫负后像。

（三）闪光融合

断续的闪光由于频率增加，人们得到融合的感觉，这种现象叫闪光融合。闪光融合依赖于许多条件。刺激强度低时，临界频率低；随着强度上升，临界频率明显上升。

（四）视觉掩蔽

在某种时间条件下，当一个闪光出现在另一个闪光之后，这个闪光能影响到对前一个闪光的觉察，这种效应叫做视觉掩蔽。视觉掩蔽除了光的掩蔽以外，还有图形掩蔽、视觉噪音掩蔽等。

第四节　听　觉

一、听觉基本现象

听觉是通过听觉系统的感受和分析引起的感觉。

（一）音调

音调主要是由声波频率决定的听觉特性。音调是一种心理量。声波频率不同，我们听到的音调高低也不同。音乐的音调一般在50～5000赫兹之间，言语的音调一般在300～500赫兹之间。人的听觉的频率范围为16～20000赫兹。其中1000—4000赫兹是人耳最敏感的区域。16赫兹是人的音调的下阈。20000赫兹是人的音调的上阈。当频率约为1000赫兹、响度超过40分贝时，人耳能觉察到的频率变化范围为0.3％。也就是说，人耳能够分辨1000赫兹与l003赫兹两种音调的差别。这是音调的差别阈限。

（二）音响

音响是由声音强度或声压水平决定的一种听觉特性。强度大，听起来响度高；强度小，听起来响度低。音响还和声音频率有关。测量音响的单位是贝尔（Bel）或分贝（dB）。音响与频率的关系可以用等响度曲线表示。

（三）声音的掩蔽

一个声音由于同时起作用的其他声音的干扰而使听觉阈限上升，称为声音的掩蔽。声音掩蔽有几种：纯音掩蔽、噪音对纯音的掩蔽、纯音和噪音对语音的掩蔽。研究发现，与掩蔽音频率接近的声音，受到的掩蔽作用大。频率相差越远，受到的掩蔽作用就越小。频率太近，产生拍音。低频掩蔽音对高频声音的掩蔽作用，大于高频掩蔽音对低频声音的掩蔽作用。掩蔽音强度提高，掩蔽作用也增加。当掩蔽音强度很小时，掩蔽作用覆盖的频率范围也较小；掩蔽音的强度增加，掩蔽作用覆盖的频率范围也增加。

二、听觉的不同学说

人耳怎样分析不同频率的声音，产生高低不同的音调。从19世纪以来，科学家们提出了各种不同的学说。

（一）频率理论

物理学家罗•费尔得提出的一个理论。他们认为，内耳的基底膜是和镫骨按相同频率运动的。振动的数量与声音的原有频率相适应。如果我们听到一种频率低的声音，联接卵圆窗的镫骨每次振动次数较少，因而使基底膜的振动次数也较少。如果声音刺激的频率提高，镫骨和基底膜都将发生较快的振动。这种理论也叫电话理论。

频率理论难以解释人耳对声音频率的分析。人耳基底膜不能作每秒1000次以上的快速运动。这是和人耳能够接受超过1000赫兹以上的声音不相符合的。

（二）共鸣理论

赫尔姆霍茨提出的一个理论。他认为，由于基底膜的横纤维长短不同，靠近蜗底较窄，靠近蜗顶较宽，因而就像一部竖琴的琴弦一样，能够对不同频率的声音产生共鸣。声音刺激的频率高，短纤维发生共鸣，作出反应；声音刺激的频率低，长纤维发生共鸣，作出反应。人耳基底膜约有24000条横纤维，它们分别反应不同频率的声音。基底膜的振动引起听觉细胞的兴奋，因而产生高低不同的音调。共鸣理论强调了基底膜的振动部位对产生音调听觉的作用，因而也叫位置理论。但是由于研究发现横纤维的长短与频率的高低之间并不对应，因此这种理论根据不充分。

（三）行波理论

生理学家冯·贝克西（Von·Kekesy）在发展赫尔姆霍茨的共鸣说合理部分基础之上提出的一种理论。他认为声波传到人耳，将引起整个基底膜的振动。振动从耳蜗底部开始，逐渐向蜗顶推进，振动的幅度也随着逐渐增高。振动运行到基底膜的某一部位，振幅达到最大值。然后停止前进而消失。随着外来声音频率的不同，基底膜最大振幅所在的部位也不同。声音频率低，最大振幅接近蜗顶；频率高，最大振幅接近蜗底（即镫骨处），从而实现了对不同频率的分析。这种理论适合于解释500赫兹以上的声音引起的基底膜的运动。

（四）神经齐射理论

韦弗尔提出的神经齐射理论认为，当声音频率低于400赫兹以下时，听神经个别纤维的发放频率是和声音频率对应的。声音频率提高，个别神经纤维无法单独对它作出反应。在这种情况下，神经纤维将按齐射原则发生作用。个别纤维具有较低的发放频率，它们联合“齐射”，就可反应频率较高的声音。他指出，用齐射原则可以对5000赫兹以下的声音进行频率分析。声音频率超过5000赫兹，位置理论是对频率进行编码的惟一基础。