Память и научение у животных
Лекция № 5
Память и научение у животных.
Изучение процессов обучения и памяти у животных имеет долгую историю. Одним из первых к этой проблеме с экспериментальной научной точки зрения подошел И.П.Павлов. Большой вклад в разработку данной проблематики внесли представители бихевиоризма – Э.Торндайк, Дж.Уотсон, Ф.Скиннер, представитель гештальтпсихологии – В.Келлер, представители когнитивного направления в изучении поведения животных - Э.Толмен, Л.Крушинский, Бериташвили и др.
Проблема научения и памяти является многогранной. В лекции будут затронуты следующие аспекты этой отрасли науки о поведении. Во-первых, мы посмотрим, в чем специфика изучения памяти и научения у животных. Во-вторых, определим, что такое опыт, который лежит в основе памяти и научения. Наконец, большую часть этой темы будет посвящена рассмотрению разнообразия форм научения в животном мире. При этом будут использоваться не только психологические (поведенческие), но и физиологические данные. Это связано с тем, что физиология памяти и научения является в настоящее время одной из интенсивно разрабатывающихся проблем в современной науке. В этой области знаний получено много интересных фактов, выдвинуто много заслуживающих внимания теорий и гипотез.
Специфика изучения памяти у животных.
В недавно переведенной на русский язык книге известного английского ученого С.Роуза “Устройство памяти” автор так определяет проблематику, связанную с изучением памяти у животных. “Когда я говорю, что помню голос матери, моего школьного товарища или как ездить на велосипеде, всякий поймет, что я имею в виду. Но в каком смысле можно говорить, что помнят обезьяны, кошки, цыплята..? … Вправе ли я использовать это слово в отношении животных, не имея прямого доступа к их внутреннему миру… Какова разница между человеческой и животной памятью?”
Не имея возможности проникнуть во внутренний мир животного, зоопсихолог исследует их память, используя определенные методы исследования. Перед животным ставится задача, например, найти выход из лабиринта, и каким-то образом стимулируется ее выполнение. Такая стимуляция может быть либо позитивной, когда выполнение задачи приводит к удовлетворению того или иного желания (животное получает на выходе лабиринта пищу) или негативной, когда невыполнение задачи влечет за собой неприятные или болезненные последствия (например, удар электрическим током). Потом экспериментатор наблюдает, как совершенствуется выполнение поставленной задачи с каждой повторной попыткой, а также смотрит, как хорошо выполняется это задание через несколько часов, дней или недель после первых успешных опытов.
В условиях такого эксперимента у животных можно выделить два активных процесса, которые проявляются внешне (а, значит, их можно объективно регистрировать и изучать) – запоминание (обучение) и воспоминание. Между этими процессами лежит внутренний процесс, который и называется непосредственно памятью. Память в данном случае недоступна прямому изучению, следовательно, мы можем судить о ней косвенно, исследуя внешне наблюдаемые процессы – научение и воспоминание. В связи с этим под научением мы будем понимать процесс приобретения опыта (выработку у животного измененной реакции), под памятью – результат приобретения опыта, а под воспоминанием – проявление опыта (измененной реакции) спустя некоторое время после первоначального обучения.
Что такое опыт?
Рекомендуемые материалы
Что понимается под опытом? Определить это понятие довольно трудно, так как смысл его достаточно сложен и неоднозначен. Понятие опыта можно, при желании, распространить не только на живые организмы, но и на неживые системы. Опыт – это одно из фундаментальных понятий, лежащих в основе понимания окружающего нас мира.
Под опытом мы будем понимать частное проявление общего свойства живых систем – пластичности (так же как чувствительность является частным проявлением общего свойства живого – раздражимости). Все живое обладает двумя противоположными свойствами – пластичностью и специфичностью. Специфичность – это способность живого организма сохранять стабильность своей организации (строения, химического состава и т.д.). Это, например, способность дуба оставаться самим собой, а не превращаться то в березу, то в рябину. Но имея только это свойство, на самом деле, трудно приспособиться к постоянно изменяющемуся внешнему миру. Поэтому живые системы обладают противоположным свойством – пластичностью, под которой надо понимать способность организма приспосабливаться к внешним условиям, изменяя свою специфичность. Например, при уменьшении интенсивности освещения клетки листьев растений начинают в большем количестве синтезировать хлорофилл, благодаря чему увеличивается эффективность фотосинтеза. Таким образом, под опытом мы будем понимать частный случай пластичности, который характерен для животных организмов.
С точки зрения физиологии под опытом можно понимать любой след, который оставляет после себя внешнее воздействие, выражающийся в каком-либо изменении структуры и функции животного организма. Природа этого следа может быть разнообразной. Это может быть и кратковременное изменение возбудимости одноклеточного организма в ответ на какое-либо внешнее воздействие, и более сложное явление – появление новых связей между нейронами в головном мозге человека, например, после прочтения какой-нибудь книги.
Если после воздействия на животный организм, находящегося в состоянии Х, некоторого раздражителя S его поведение в новом состоянии Х” чем-то отличается от поведения в состоянии Х, то можно говорить, что организм приобрел опыт в отношении данного раздражителя.
Приведем пример, который показывает, что не всегда просто определить поведение, связанное с приобретением опыта. Поместим инфузорий-туфелек в запаянную стеклянную трубку с водой. Одну половину этой трубки будем освещать светом, а вторая будет затемненной. Как только животные начнут заплывать в светлую часть трубки будем ударять их разрядом электрического тока. Через какое-то время мы обнаружим, что инфузории перестают заплывать на освещенную территорию. Внешне кажется, что инфузории приобрели определенный опыт – научились не заплывать в освещенную часть трубки. Более того, здесь на лицо все признаки сложного условно-рефлекторного научения. Есть индифферентный условный стимул – свет, который в процессе обучения ассоциируется с безусловно-рефлекторным стимулом - ударом электрического тока. На самом деле, данное поведение одноклеточных организмов не является результатом приобретения опыта, тем более условно-рефлекторного научения, а является следствием врожденной реакции. Оказалось, что инфузории в ответ на удар электрического тока отвечали оборонительной реакцией - выстреливали особые стрекательные палочки, так называемые, трихоцисты. С течением времени этих палочек скопилось в светлой части большое количество. Известно, что инфузории сами также предпочитают не сталкиваться со своим оружием. Такое столкновение приводит к тому, что они поворачивают на 180° и уплывают в противоположном направлении. Большое количество трихоцистов в светлой части трубки приводило к тому, что вероятность заплывания туда инфузории была очень маленькой. Таким образом, игнорирование туфельками светлой части трубки было следствием врожденной реакции на свои собственные стрекательные палочки, а не результатом ассоциации света с неблагоприятным воздействием – ударом электрического тока.
Формы научения.
Раньше некоторые психологи, например представитель бихевиоризма Ф.Скиннер, и физиологи, например, представители школы И.П.Павлова, пытались создать общую теорию научения и памяти. Но все эти попытки не привели к желаемому результату. Их теоретические схемы прекрасно работали в одних случаях, но теряли свою объяснительную силу в других. Одна из причин этого - большое разнообразие форм научения, начиная с таких примитивных, как привыкание, и кончая такими сложными, как инсайт или познавательная деятельность человека. Эти формы научения могут различаться по многим характеристикам, например, по тому, на какой срок произошло приобретение опыта, каков механизм этого научения, требуется ли подкрепление, какова степень активности организма и т.д. Таким образом, на сегодняшний день не существует единой теории научения, которая бы с единой позиции описывала все известные формы научения. В современной психологии принято выделять три основные формы научения – не ассоциативные (примитивные), ассоциативные и когнитивные.
Не ассоциативное (примитивное) научение.
К примитивным формам научения относят сенсибилизацию и привыкание.
Сенсибилизация.
Сенсибилизация – это повышение чувствительности организма к воздействию какого-либо агента.
Приведем следующий пример научения путем сенсибилизации. Для пресноводной гидры свет является индифферентным раздражителем. Но, оказывается, можно добиться негативного отношения животного к этому стимулу. Для этого сначала нужно в течение некоторого времени раздражать гидру ударами электрического тока. На каждый удар тока она отвечает неспецифической оборонительной реакцией - сжимается в комок. Если после такого предварительного воздействия внезапно включить свет, то гидра ответит на него все той же оборонительной реакцией. В данном случае мы научили животное выполнять некоторое действие на такой раздражитель, на который раньше подобной реакции не наблюдалось. На лицо все признаки приобретения опыта. Классический пример из жизни человека, который можно объяснить сенсибилизацией – сильно испуганный человек вздрагивает от любого внезапного звука или другого раздражителя. На этом свойстве человеческой психики основаны способы воздействия, которые применяются при создании фильмов ужасов и триллеров (определенная музыка, стесненная обстановка, темнота и другие характерные раздражители приводят человека в состояние тревоги, на фоне которого его легко можно испугать даже безобидным скрипом двери). Из этого примера видно, что примитивные формы научения могут встречаться не только у низкоорганизованных, но и высокоорганизованных животных. Но у последних они играют, естественно, меньшую роль, нежели у низкоорганизованных организмов. Вероятно, клеточные механизмы примитивных форм научения (в частности способность клетки изменяться в ответ на действие раздражителя изменением уровня возбудимости) входят в преобразованном виде в более сложные механизмы ассоциативных форм, которые уже осуществляются на уровне системы специализированных клеток – нейронов, составляющих нервную систему. Одноклеточные животные не обладая, по понятным причинам, такой специализированной группой клеток, по-видимому, вооружены только примитивными формами научения. В литературе неоднократно дискутировался вопрос о наличии у одноклеточных способности к образованию условных рефлексов. Вероятнее всего, у них нет механизма ассоциации двух раздражителей, или этот механизм имеет совершенно другую природу, нежели у многоклеточных организмов.
Адаптивное значение сенсибилизации заключается в том, что она позволяет организму, подвергшемуся вредному воздействию, отреагировать оборонительной реакцией на любой новый раздражитель, так как в этой ситуации достаточно велика вероятность, что и он связан с опасностью.
Физиологическим механизмом сенсибилизации является суммация возбуждения в нервной системе многоклеточного животного или в клетке одноклеточного. Удары электрического тока вызывают в нервной системе гидры возбуждение. Если каждое следующее воздействие обрушивается на гидру тогда, когда эффект предыдущего еще частично сохранен, то новая порция возбуждения суммируется с остатками старого. После ряда таких воздействий уровень активации в нервной системе становится столь высоким, что добавление даже небольшой порции возбуждения, которое вызывается появлением света, достаточно, чтобы вызвать оборонительную реакцию на этот слабый раздражитель (который в другом состоянии не вызывал такого ответа). В физиологии подобное научение называют выработкой суммационного рефлекса.
Суммационный рефлекс в отличие от условного, характеризуется рядом примитивных особенностей. Первая особенность – это кратковременность сохранения накопленного опыта. Гидра очень быстро перестает отвечать оборонительной реакцией на свет, если перестать раздражать ее электрическим током. С физиологической точки зрения это связано с тем, что нервные клетки под действием раздражителей изменяют свои свойства не на длительный срок. Например, серия из тысячи электрических импульсов, непосредственно воздействующих на нейрон головного мозга, меняет его реакции максимум на пять минут. После этого он возвращается в состояние покоя. Если мы осветим гидру через несколько минут после последнего удара электрическим током, то она не ответит на свет оборонительной реакцией, так как к тому времени нервная система возвратиться в состояние покоя. Вторая особенность – это не специфичность данного рефлекса. Гидра в состоянии возбуждения ответит оборонительной реакцией не только на свет, но и на другой слабый раздражитель, который раньше не вызывал подобной реакции, например, на легкое прикосновение. Наконец, третье свойство – это обратимость данного научения. Памятный след, который какое-то время существует в нервной системе гидры в виде повышенной возбудимости определенных нервных клеток, в дальнейшем полностью исчезает, разрушается. В отличие от этого, исчезновение, например, условного рефлекса является результатом торможения, а не разрушения.
Привыкание.
Привыкание – это устойчивое ослабление реакции вследствие многократного предъявления раздражителя, не сопровождающегося каким-либо биологически значимым агентом (подкреплением).
В отличие от сенсибилизации привыкание является негативным научением. Например, если инфузорию-стилонихию, находящуюся в аквариуме, постоянно раздражать легким колебанием воды, то животное сначала будет отвечать на каждое воздействие оборонительной реакцией (сокращением тела). На 10-15 раз начинает происходить постепенное снижение уровня выраженности данной реакции. Стилонихия съеживается все меньше и меньше и, наконец, перестает сокращать тело. Таким образом, организм научается игнорировать какой-то постоянный раздражитель, “убедившись”, что он не причиняет никакого вреда.
Привыкание характеризуется следующими чертами. Во-первых, привыкание происходит быстрее, если раздражения следуют с малыми интервалами времени. Например, Кларк показал, что привыкание к вспышкам света у морского червя Nereis происходит менее чем через 40 предъявлений при интервале между вспышками в полминуты, но если интервалы составляют 5 минут, то требуется уже около 80 предъявлений. Во-вторых, скорость привыкания зависит также от природы раздражителя. Например, для прикосновений, с одной стороны, и вспышек света, с другой, у морского червя скорость привыкания разная. Наконец, привыкание специфично в отношении раздражителя. Например, ослабление реакции червя нереиса в ответ на периодическое действие светового раздражителя происходит независимо от привыкания к механическому раздражителю. В этом отношении привыкание отличается от утомления, при котором также происходит ослабление реакций животного, но по отношению ко всем действующим раздражителям.
Привыкание также часто путают с сенсорной адаптацией. При сенсорной адаптации происходит изменение реагирования органов чувств при повторной их стимуляции. Например, сенсорной адаптацией объясняется эффект исчезновения ощущения одежды человеком приблизительно через минуту после того, как он ее одел. Показано, что это связано с прекращением реакции тактильных рецепторов кожи на механическое воздействие. При привыкании же уровень активности соответствующих рецепторов остается естественным. Например, нереис, хотя и перестает отвечать защитной реакцией на частое прикосновение какого-либо предмета, но продолжает воспринимать это раздражение, отвечая на него другой реакцией (он пытается схватить его ртом). Таким образом, привыкание у многоклеточных организмов связано с центральной нервной системой, а не с изменением свойств рецепторного аппарата. В природе, по-видимому, сенсорная адаптация и привыкание часто протекают одновременно.
Биологический смысл привыкания заключается в экономии энергии организма. Привыкание является одним из важных способов приспособления поведения животных, особенно низкоорганизованных, к меняющимся условиям обитания. Привыкание также играет важную роль в развитии поведения молодых животных. Например, врожденная реакция клевания у только что вылупившихся цыплят сначала направлена на любой небольшой предмет, который контрастирует с фоном. В последствие наступает привыкание к неподходящим предметам, и в то же время цыплята учатся правильно реагировать на пищевые объекты.
Возможный физиологический механизм привыкания был хорошо изучен на морской улитке Aplysia в известных исследованиях Э.Кэндела, которые подробно описаны в его монографии “Клеточные основы поведения”.
Между привыканием и сенсибилизацией есть нечто общее. Оба вида научения связаны с периодическим воздействием какого-либо раздражителя. Но в одном случае происходит уменьшение возбудимости, а в другом, наоборот, увеличение. Есть общее правило взаимоотношения между этими формами научения. К слабым раздражителям, как правило, развивается привыкание, а к сильным сенсибилизация.
Ассоциативное научение.
К ассоциативным формам научения относят научение на основе образования условных рефлексов, открытое И.П.Павловым, и инструментальное научение, которое было подробно исследовано представителями школы бихевиоризма, в частности Э.Торндайком и Ф.Скиннером. Оба вида научения имеют, вероятно, общий механизм образования ассоциаций. Но между ними имеются и существенные отличия.
Условно-рефлекторное научение.
История открытия.
Научение на основе образования условных рефлексов было открыто русским физиологом И.П.Павловым еще в начале 20-го века. Павлов работал в основном на собаках. Схема его эксперимента состояла в следующем. Собаку помещали в условия, при которых она испытывала минимальное количество воздействий со стороны внешней среды (эксперименты проводились в, так называемой, “башне молчания”), а также ограничивали ее внешнюю активность. Ей подавали какой-нибудь внешний сигнал, например, включали на короткое время звонок, после чего собака получала пищу. В ответ на пищу у животного начинала выделяться слюна, количество которой регистрировалось с помощью фистулы. Через несколько повторений такой последовательности событий слюна у собаки стала выделяться не только на вид пищи, но и на включение звонка. То есть, поведение собаки по отношению к индифферентному для данного рефлекса стимулу изменилось. Вначале эксперимента она отвечала на него ориентировочной реакций, а в ходе научения у нее стала выделяться на этот раздражитель слюна. Внешне это выглядело так, будто собака научились ассоциировать подачу пищу с включением звонка. На основании подобных исследований И.П.Павлов разработал теорию условно-рефлекторного научения. Она включает следующие положения.
Теория условно-рефлекторного научения.
Терминология.
И.П.Павлов предложил называть индифферентный раздражитель (в нашем примере звонок), на который животное научается выполнять определенную реакцию, условным стимулом, а саму реакцию – условным рефлексом. Раздражитель (в нашем примере пища), на который у животного проявляется некоторая врожденная реакция (в нашем примере слюноотделение), исследователь предложил назвать безусловным стимулом, а саму врожденную реакцию – безусловным рефлексом. Смысл этой терминологии в том, что безусловный стимул (пища) без всяких условий (безусловно) вызывает строго определенную врожденную реакцию (слюноотделение). Условный же стимул начинает вызывать эту реакцию только при определенном условии, в частности, если звонок сочетается какое-то время с подачей пищи. Таким образом, врожденная реакция начинает вызываться новым раздражителем, следовательно, это уже не совсем та реакция, что была до научения.
И.П.Павлов ввел также понятие подкрепление. Теоретики ассоциативных форм научения считают, что без подкрепления невозможно приобретение нового опыта. Правда, в это понятие разные исследователи вкладывают разный смысл. И.П.Павлов понимал под подкреплением предъявление безусловного стимула вслед за условным в процессе выработки условного рефлекса. В качестве подкрепления может выступать также не только безусловный стимул, который вызывает врожденную реакцию, но и условный раздражитель. На выработанный в процессе обучения условный стимул, например, на звонок, который запускает слюноотделительный рефлекс, можно выработать условный рефлекс второго порядка. Для этого перед предъявлением звонка нужно, например, постоянно включать свет. Тогда через некоторое время слюна начнет выделяться также и на появление светового стимула. Для И.П.Павлова подкрепление – это некоторое внешнее событие. Он не говорил о субъективной стороне этого явления, на которую обратил внимание Э.Торндайк, о чем будет сказано более подробно в теме, посвященной теории инструментального научения.
Обратим внимание еще на один важный аспект подкрепления. Было установлено, что подкрепление характеризуется своим мотивационным значением для животного. Так пища действует как положительное подкрепление, только если собака голодна. Другими словами, при выработке условного рефлекса важно не только совпадение во времени некоторых событий, но и многие другие факторы, например, мотивация животного, которые часто не учитывают при анализе научения организма. Теперь посмотрим, какие условия необходимы для выработки условной реакции.
Условия выработки условного рефлекса.
И.П.Павлов подробно изучил условия, при которых могут вырабатываться условные рефлексы. Во-первых, условный стимул должен предшествовать или совпадать по времени с безусловным стимулом. Если, например, звонок предъявляется после подачи пищи, то слюноотделения на него не вырабатывается. Во-вторых, как было уже сказано, в этом научении должно присутствовать подкрепление, в качестве которого выступает, как правило, определенный безусловный стимул или связанный с ним условный. То есть, слюна будет вырабатываться на появление звука только в том случае, если будет предъявляться также и пища (это следует из самого хода научения). Следствием этого является феномен угасания условного рефлекса: как только подкрепление исчезнет, начнется его постепенное исчезновение. Наконец, для более эффективной и быстрой выработки условного рефлекса в процессе научения должны отсутствовать посторонние раздражители. В идеале И.П.Павлов стремился достичь таких условий, когда на собаку действовали только два раздражителя – условный и безусловный. Для этого, как было уже сказано, он проводил эксперименты в “башне молчания”. Естественно, в природе таких условий, как правило, не бывает. Поэтому русского исследователя критиковали за то, что он открыл научение, которое в естественной среде, на самом деле, не встречается. В упомянутой книге С.Роуз “Устройство памяти” автор справедливо, с нашей точки зрения, говорит о том, что попытка советской школы физиологов объяснить все виды приобретения опыта и даже более сложные виды психической деятельности, такие как мышление, речь человека, механизмом условного рефлекса сыграла дурную услугу в деле разработки теории научения и памяти. Вот пример подхода к данной проблеме одного из представителей школы И.П.Павлова Б.Ф.Сергеева. В своей очень увлекательно написанной книге “Ступени эволюции интеллекта” он пишет: из условных рефлексов “строятся простенькие, бедные крохотные “домики” психики примитивных животных, где отчетливо виден каждый кирпич кладки и легко получить достаточно полное представление, что она собой представляет, и роскошные “дворцы” мыслительной деятельности высших существ, где за штукатуркой, мраморной облицовкой и позолотой не виден строительный материал стен, хотя при желании до него все-таки можно докопаться. Как бы ни было пышно, красиво и ярко здание, основа его все же кирпичики – обычные условные рефлексы”. О недопустимости расширения теории условного рефлекса на сложные формы психической деятельности человека и животных говорили не только зарубежные ученые, но отечественные исследователи поведения, например, Н.А.Бернштейн, И.К.Бериташвили и другие. Немецкий зоопсихолог В.Фишель в своей книге “Думают ли животные?” пишет: мышление человека “нельзя представить себе как простую цепь условных рефлексов. Мышление человека гораздо сложнее. Здесь переплетены очень сложные и относительно простые процессы, взаимно влияющие друг на друга. Поэтому можно утверждать, что условные рефлексы играют в нашем мышлении подчиненную, частную роль”. Вероятно, в чистом виде условно-рефлекторное научение в природе встречается не так часто, как это предполагалось советской школой физиологов. Но механизм этого научения, вскрытый И.П.Павловым и подробно исследованный его последователями, скорее всего, входит как составная часть в другие формы научения, включая когнитивные.
Физиологический механизм условного рефлекса.
И.П.Павлов не ограничился описанием феноменологии условно-рефлекторного научения. Он попытался также вскрыть его физиологические механизмы. Предложенная им схема взаимодействия процессов возбуждения и торможения в головном мозге в процессе выработки условного рефлекса, которое приводит к появлению временной связи между определенными мозговыми центрами, отчасти оказалась верной. Но конкретные, более тонкие детали физиологического механизма образования условного рефлекса были подробно изучены с помощью современных методов только в последние десятилетия. В основном эти работы связаны с русской школой психофизиологов (в нашей стране их принято было называть исследователями высшей нервной деятельности). Здесь можно упомянуть работы Э.А.Асратяна, М.Я.Рабиновича и др. Кроме того большой вклад в данную проблему внесли уже упоминавшийся Э.Кэндел, а также Ю.М.Конорски. Более подробно этот вопрос рассматриваться в курсе “Физиология высшей нервной деятельности”. С физиологической точки зрения условно-рефлектороное научение можно определить как приспособительную деятельность, которая осуществляется центральной нервной системой путем образования временной связи между мозговыми центрами, связанными с сигнальным раздражителем и сигнализируемой безусловной реакцией.
Классификация условных рефлексов.
Классифицировать условные рефлексы можно по нескольким параметрам. По характеру подкрепления выделяют положительные, при выработке которых применяется положительное подкрепление, например, пища, и отрицательные условные рефлексы, при выработке которых применяется отрицательное подкрепление, например, удар электрическим током. И.П.Павлов работал в основном с положительным подкреплением, а В.М.Бехтерев с отрицательным. Последний научал собаку отдергивать заднюю лапу от пола в ответ на включение звука, если какое-то время сопровождал этот условный сигнал ударом электрического тока.
По характеру подкрепления можно также выделить натуральные и искусственные условные рефлексы. Натуральные условные рефлексы – это такие рефлексы, которые образуются в ответ на воздействие агентов, являющихся естественными признаками сигнализируемого безусловного раздражителя. Примером может служить выработка условного слюноотделения у щенка на запах мяса. У новорожденного слюна выделяется только при попадании пищи в рот, но через некоторое время данная реакция появляется при наличии только ее запаха. В природе в чистом виде чаще всего встречаются именно такие условные рефлексы. Натуральные условные рефлексы вырабатываются быстрее, оказываются более прочными, чем искусственные. Искусственные условные рефлексы вырабатываются на не естественные в обычных условиях признаки безусловного раздражителя. Примером может быть выработка слюноотделения на световой или звуковой раздражитель. На выработку натуральных условных рефлексов у животных, скорее всего, существует врожденная предрасположенность. Это научение, вероятно, имеет сходный механизм с импринтингом, который дальше будет обсуждаться более подробно. Натуральные условные рефлексы лежат, как правило, в основе индивидуального развития организма. Это, вероятно, является причиной более легкого их образования, нежели искусственных.
Другие виды классификации условных рефлексов можно найти в книгах по высшей нервной деятельности, например, в учебнике А.Б.Когана “Основы физиологии высшей нервной деятельности”.
Свойства условных рефлексов.
И.П.Павлов выделил два основных свойства условных рефлексов. Первое связано с их угасанием в определенных условиях. Угасание – это процесс, в течение которого приобретенные формы поведения перестают проявляться, потеряв свою актуальность. Другими словами, если убрать подкрепление, то через определенное время условный раздражитель перестанет вызывать условную реакцию. Угасание идет постепенно, а не мгновенно, как это наблюдается, например, при образном научении, которое открыл русский физиолог И.С.Бериташвили (более подробно об этом виде научения будет сказано дальше). Другой важный аспект угасания заключается в том, что этот процесс не приводит к полному разрушению установившейся временной связи, а только к ее торможению. Памятный след остается в нервной системе и, даже, если он внешне не проявляется, он может каким-то образом влиять на поведение организма. Существует смелая гипотеза, согласно которой в человеческом мозге откладывается информация о всем, с чем он сталкивается в своей жизни. Таким образом, человек непрерывно изменяется, потому что непрерывно изменяется структура его мозга, информационная насыщенность его системы памяти. А раз изменяется структура системы в целом, то изменяются в целом и ее реакции на внешние раздражители. И.П.Павлов привел доказательства того, что в процессе угасания условного рефлекса происходит торможение, а не разрушение временной связи. В частности, это подтверждается феноменом спонтанного восстановления условного рефлекса после периода отдыха. Например, собака, у которой произошло угасание слюноотделения на световой раздражитель, после периода отдыха вновь начинает отвечать условный реакцией на этот стимул. Кроме того, если после угасания условный стимул снова сочетать с безусловным, то условный рефлекс восстановиться гораздо быстрее, чем при его первоначальной выработке. Сюда можно отнести также явление восстановления в памяти пожилого человека фактов и событий далекой юности и детства, которые, казалось бы, давно забылись. Это можно объяснить тем, что активная жизнедеятельность взрослого человека приводит к торможению не актуальных в данный момент связей, выработанных ранее. То, что не проявление условной реакции может быть связано с механизмом торможения говорит также тот факт, что, если при подаче условного стимула предъявить также новый сильный посторонний раздражитель, то условный рефлекс не обнаружиться. Это явление было названо И.П.Павловым внешним торможением.
Вторым важным свойством условного рефлекса является явление генерализации и специализации при его образовании. Генерализация – это феномен, возникающий на ранних стадиях выработки условного рефлекса, когда требуемая реакция вызывается не только подкрепляемым стимулом, но и другими, более или менее близкими к нему. Например, если у собаки вырабатывается условный рефлекс на звуковой тон “ля”, то и все близкие к нему тоны при первом своем применении будут вызывать аналогичную реакцию. Однако, постоянно подкрепляя тон “ля” и не подкрепляя другие тоны, можно добиться их полного различения. Это различение будет проявляться в наличии условной реакции только на соответствующий тон и ее отсутствие на действие прочих тонов. Таким образом, после первичной генерализации условных рефлексов может достигаться их последующая специализация. С физиологической точки зрения, она, вероятно, связана с торможением связей, приводящих к реакции на близкие раздражители в результате их не подкрепления.
Отличие условно-рефлекторного научения от примитивных форм научения.
Во-первых, научение на основе образования условных рефлексов имеет долговременный характер. Приобретенный опыт, вероятно, навсегда изменяет живую систему, хотя он может и не проявляться явно, если произошло угасание условной реакции. Во-вторых, исчезновение условного рефлекса является результатом процесса торможения, а не разрушения, как это происходит при примитивном научении. В-третьих, как следствие второго пункта, условные рефлексы могут при определенных условиях самостоятельно восстанавливаться. В-четвертых, в отличие от сенсибилизации, условные рефлексы специализированы в отношении раздражителей.
Наконец, эти виды научения отличаются по физиологическим механизмам. Существует предположение, что механизм образования временной связи складывается из сочетания механизма повышения возбудимости клетки при сенсибилизации (возбуждения) и механизма понижения возбудимости клетки при привыкании (торможения).
Биологическое значение условно-рефлекторного научения.
Также как сенсибилизация и привыкание научение на основе условных рефлексов позволяет животным приспосабливаться к изменениям во внешней среде. Но это более сложное и гибкое приспособление, которое характерно только для животных, обладающих уже достаточно сложной нервной системой. Существует предположение, что условно-рефлекторное научение впервые появляется в ряду беспозвоночных у плоских червей, которые обладают уже хорошо централизованной узловой нервной системой. Например, у морских планарий можно выработать условную оборонительную реакцию на появление светового раздражителя, которая сохраняется в течение 10-15 часов. Проблема заключается в том, насколько большое значение условные рефлексы играют в жизни высокоорганизованных животных и человека. Последователи школы И.П.Павлова считают, что выработка условных рефлексов является единственным механизмом приобретения животным и человеком знаний об окружающей их среде, адаптивного приспособления к изменяющимся внешним условиям. Данное утверждение, как было показано выше, не совсем верно. Существуют много других способов научения, механизм которых существенно отличается от условно-рефлекторного. Но надо признать, что в жизни высших млекопитающих и человека существуют многочисленные примеры научения, которые можно связать с выработкой условных рефлексов. Это относится, например, к механическому заучиванию слов, включению света с помощью выключателя, к запоминанию времени отправления поезда и т.д. Сюда можно отнести обучение собак определенным командам, некоторые другие виды дрессировки и т.д.
Вероятно, условно-рефлекторное научение играет большую роль на ранних стадиях развития высокоорганизованных животных. По мере созревания организмов у них начинают преобладать когнитивные формы приспособления к окружающей среде.
Инструментальное научение.
Инструментальное научение было открыто и исследовано известным американским психологом Эдвардом Торндайком. Однажды английский биолог Ллойд Морган рассказал Торндайку, как его собака по кличке Тоби научилась открывать задвижку на садовой калитке, просовывая голову между рейками штакетника. Торндайк заинтересовался этим своеобразным примером приобретения опыта и решил разработать способы повторения данного поведения в лабораторных условиях. На основании этих экспериментов им была выдвинута теория научения методом “проб и ошибок и случайного успеха”. Данная теория была развита в теории оперантного обусловливания, разработанной известным американским бихевиористом Ф.Скиннером. Представления Ф.Скиннера несколько отличалась от взглядов Э.Торндайка. На примере этих двух теорий мы рассмотрим становление взглядов на проблему научения одного из самых влиятельных направлений научной психологии начала и середины 20 века – бихевиоризма.
Теория научения методом проб и ошибок Э.Торндайка.
Э.Торндайк разработал, так называемые, проблемные клетки, в которые помещал голодное животное, в частности, кошку. В клетке было расположено устройство, с помощью которого можно было открыть дверцу, например, педаль, и выбежать наружу, где находилась пища. При этом из клетки пища была хорошо видна, но достать ее было невозможно. Голодная кошка, впервые посаженная в такую клетку, начинает производить множество различных действий, в частности, пытается дотянуться до пищи, совершает круговые движения и т.д. В определенный момент она может случайно соприкоснуться с запирающим механизмом, в результате чего дверца клетки открывается и кошка выбегает к пище. После этого животное снова помещают в проблемную клетку. Так проделывают до тех пор, пока оно не “догадается” сразу же нажать на педаль, как только окажется в этих условиях. По мере увеличения количества опытов животное все меньше совершает бесполезных движений, все меньше затрачивает времени на разрешение задачи. Э.Торндайк построил на основе этих опытов график научения, на котором отразил зависимость между номером опыта и временем, проведенным кошкой в клетке. График имел вид кривой, медленно спускающейся вниз. Характер кривой говорил о том, что у животного в процессе научения нет внезапного понимания смысла задачи, а оно научается случайно, действуя методом проб и ошибок. Поэтому Торндайк назвал эту форму приобретения опыта “методом проб и ошибок и случайного успеха”.
Положения теории.
Во-первых, Э.Торндайк выдвинул положение о том, что научение у животных происходит благодаря образованию ассоциации между определенной ситуацией и определенным движением. Например, кошка научается открывать дверцу клетки благодаря тому, что у нее образуется ассоциация между движением, связанным с нажатием на педаль, и данной проблемной ситуацией. В результате этого, как только ее помещают в данную проблемную ситуацию, она сразу же совершает ассоциированное с этой ситуацией движение. Революционный смысл данного положения заключался в том, что понятие “ассоциация” применялось для объективных явлений. Прежняя психология утверждала, что ассоциация при научении возникает между субъективными феноменами сознания (мыслями, идеями, образами). Понимание ассоциации, предложенное Э.Торндайком, давало перспективы для объективного изучения процессов научения у животных, субъективный мир которых недоступен для научного анализа. В то время это было прогрессивным шагом в развитии науки о поведении животных.
Во-вторых, Э.Торндайк сделал акцент на том, что инструментальное научение начинается с активной реакции животного на проблемную ситуацию. Согласно рефлекторной теории поведения, животные совершают какие-либо движения только на вполне определенные внешние стимулы, на которые в организме есть предуготовленные способы реагирования. Это могут быть либо безусловные стимулы, которые вызывают врожденную реакцию (безусловный рефлекс по терминологии И.П.Павлова), либо условные раздражители, которые вырабатываются в течение жизни на основе этих врожденных реакций. Проблемная ситуация – это такой внешний стимул, на который в организме животного нет предуготовленных способов реагирования. Но животное активно отвечает на такую ситуацию определенным поведением (исследовательской активностью). Таким образом, способ усвоения знания при инструментальном и условно-рефлекторном научении отличается тем, что в первом случае животное активно разрешает задачу, а во втором случае ему отводится роль пассивного статиста.
В-третьих, Э.Торндайк предложил такой механизм научения, который убирал из объяснительной схемы субъективное понятие цели. Раньше психологи утверждали, что у животного в проблемной ситуации появляется цель и стремление к ее достижению. Э.Торндайк же следовал известному правилу Моргана, которое он провозгласил еще в 1894 году в своей книге “Введение в сравнительную психологию”: “Ни в коем случае нельзя считать какое-либо действие результатом упражнения более высокой психической способности, если его можно объяснить на основе способности, стоящей ниже по психологической шкале”. Согласно Э.Торндайку животное заставляет обучаться не некое сознательное стремление к цели, а проблемная ситуация. Схема научения ранней психологии выглядела следующим образом: проблемная ситуация приводит к появлению у животного сознательного стремления к достижению цели, что, в свою очередь, приводит к определенной двигательной активности, заканчивающейся разрешением задачи. Схема научения Э.Торндайка: проблемная ситуация вызывает у животного запрограммированное проявление различных, случайных движений (хаотическая двигательная активность), из которых в ходе научения отбираются лишь те, которые раз за разом приводят к разрешению поставленной задачи. Другими словами, животное - это, в какой-то степени, машина, которая запрограммирована отвечать на незнакомую ситуацию определенным набором движений, из которого в процессе научения происходит отбор нужных. Таким образом, из объяснительной схемы научения была безболезненно убрана субъективная категория сознательной цели.
Наконец, Э.Торндайк раскрыл также механизм отбора, благодаря которому закрепляются нужные движения. Этот механизм связан с действием, так называемого, закона эффекта: для реакции, за которой следует состояние удовлетворения, вероятность повторения в сходной ситуации возрастает, а для реакции, вызывающей неприятные воздействия, вероятность повторения снижается.
Из закона следует, что связь между движением и проблемной ситуацией устанавливается потому, что после совершения этого движения животное испытывает субъективное состояние удовлетворения (положительную эмоцию). Другими словами, по Э.Торндайку подкреплением в научении служит эмоция, которая возникает после совершения определенного движения, которое приводит к разрешению задачи и удовлетворению определенной потребности, например, голода. По И.П.Павлову, как было уже сказано, подкреплением служит сам процесс предъявления безусловного стимула, безотносительно к субъективному состоянию, которое испытывает при этом животное. В этом аспекте павловское понимание подкрепления больше удовлетворяло представителей классического бихевиоризма, так как убирало из объяснительной схемы субъективное понятие эмоции, состояние удовлетворения. В этой связи Э.Торндайка нельзя отнести к истинным последователям бихевиоризма. Несмотря на то, что подход бихевиристов был с формальной точки зрения более научным, нежели у Э.Торндайка, представляется, что система эмоционального подкрепления, которая играет важное значение в обучении человека, возникла не на пустом месте, а имеет свою эволюционную историю. По-видимому, одной из причин возникновения у животных субъективного эмоционального мира было возрастание у таких организмов эффективности процессов научения. Поэтому концепция Э.Торндайка в этом пункте представляется более верной, по крайней мере, по отношению к определенной группе животных (в частности, к высшим позвоночным).
Теория оперантного научения Ф.Скиннера.
Американский психолог Скиннер создал экспериментальное устройство, которое известно как “ящик Скиннера”. Отличительной особенностью этого ящика было то, что животное, помещенное в него, не воспринимало предмета удовлетворения свой потребности. Например, голодная крыса (излюбленный объект бихевиористов) не видела пищи. Другими словами, эта ситуация, в какой-то мере, моделировала естественные условия поиска корма. Внутри ящика находилось устройство, благодаря воздействию на которое, например, крыса могла получить кусочек пищи, автоматически подававшийся в особую кормушку, встроенную в одну из стенок клетки. Поведение крысы в такой экспериментальной ситуации было практически таким же, как у кошки в проблемной клетке Э.Торндайка. После серии случайных успехов голодное животное научалось сразу же нажимать на педаль, как только его помещали в эту ситуацию. Решающее движение (нажатие на педаль) Скиннер назвал операцией. На основании этих экспериментов ученый создал известную теорию оперантного научения, которая оказала очень большое влияние на психологию ХХ века. Можно выделить следующие положения этой теории.
Первое положение. Оперантное научение – это такое научение, которое происходит на основе подкрепления реакций, относящихся к типу оперантов.
Скиннер выделил в репертуаре животных и человека два типа движений – респонденты и операнты. Респондентами он назвал реакции, которые сразу же вызываются самыми обычными раздражителями. К ним можно отнести, например, коленный рефлекс в ответ на удар по чашечке, рефлекс слюноотделения на появление пищи во рту и т.д. Подобного рода движения лежат в основе реактивного поведения, то есть, поведения, совершаемого в ответ на определенный стимул. Оперантами Скиннер назвал такие реакции животных организмов, которые не связаны жестко с каким-либо раздражителем. Но эти движения могут связаться с определенным стимулом после периода научения. Например, нажатие крысой на педаль относится к оперантам, так как до научения эта реакция не проявлялась при виде педали. После научения восприятие животным этого стимула приводит к появлению соответствующего движения. Таким образом, под оперантным поведением надо понимать спонтанные действия животного в ответ на незнакомую (проблемную) ситуацию. Скиннер предположил, что на основе реакций типа респондентов вырабатываются классические условные рефлексы, а на основе оперантов – инструментальные рефлексы.
Отличия между инструментальным и условно-рефлекторным научением.
Между условными и инструментальными рефлексами существуют и другие существенные различия, благодаря которым их выделяют в особые группы научения. Можно выделить следующие важные отличия. Условный рефлекс вырабатывается путем образования ассоциации между специфическим стимулом (безусловным раздражителем) и индифферентным (нейтральным), а инструментальный рефлекс – путем образования ассоциации между определенным поведением и его последствиями. То есть, в инструментальном рефлексе связаны реакция животного и подкрепляющий стимул, а в условном рефлексе – два стимула, условный и безусловный. Животное при выработке условного рефлекса, как было уже сказано, выступает в качестве достаточно пассивного участника событий, а при инструментальном научении оно находится в состоянии целенаправленной деятельности. Другими словами, животное в обоих случаях отличается по степени активности. Имеются также отличия в угасании. Инструментальные рефлексы не угасают, если во время их выработки подкрепление в ряде случаев не дается; классические рефлексы такой стойкости не обнаруживают. Если одни исследователи акцентировали внимание на различии этих двух форм научения, то другие утверждали, что эти различия незначительны по сравнению с их общими особенностями. В обоих случаях происходит выработка условной реакции в результате специфической ассоциации, и в обоих случаях эта реакция угасает при отсутствии подкрепления. Более того, существует мнение, что инструментальные и условные рефлексы – это не разные виды научения, а разные аспекты одного и того же процесса приобретения опыта, который только и встречается в естественных условиях. Даже в лаборатории при выработке реакции одного типа трудно создать условия, которые исключали бы возможность выработки реакций другого типа. Так, например, образование слюноотделительного условного рефлекса на звук может сопровождаться определенными двигательными реакциями (собака навостряет уши, поворачивается к источнику звука, начинает облизываться). Такая двигательная активность в ответ на звук может стать условной инструментальной реакцией. С субъективной точки зрения собака может “думать”, что именно совершение этих движений приводит к появлению пищи. Если она не будет их делать в ответ на появление звука, то она и не получит корма. В данном случае в результате научения образуется такая цепочка событий. Условный стимул (звук) приводит к появлению инструментального рефлекса (набор двигательных реакций, связанных с ожиданием пищи), вслед за этим безусловный стимул (пища) приводит к появлению условной реакции (слюноотделения). Идея о том, что инструментальный и условный рефлекс составляют нечто целое при ассоциативном научении, подтверждается тем фактом, что, если при выработке условного рефлекса реакции скелетных мышц отсутствуют (например, искусственно заблокированы), то выработка этого рефлекса сильно затрудняется. Другими словами, разделение рефлексов на условные и инструментальные является искусственным (правда, удобным для научного анализа), а в природе они составляют единый механизм ассоциативного приспособления к изменениям во внешней среде. То есть, это детали единого механизма, который при изъятии одной из составляющих начинает работать не эффективно или вообще прекращает функционировать. Правда, можно сделать предположение, что этот механизм у низкоорганизованных и малоактивных животных обладает в большей степени условно-рефлекторной природой, чем у высокоорганизованных. “Инструментальная надстройка”, вероятно, появилась в эволюции позже. Показано, что способность к выработке инструментальных рефлексов в ряду беспозвоночных животных появляется у кольчатых червей, а у позвоночных – у костистых рыб. Тогда как, классические условные рефлексы могут вырабатывать уже плоские черви и низшие позвоночные.
Второе положение. Любое научение возможно только при наличии подкрепления.
Скиннер определил подкрепление, исходя из закона эффекта Э.Торндайка. Но, как истинный представитель бихевиоризма, он убрал из него субъективное понятие, связанное с состоянием удовлетворения. Под подкреплением Скиннер понимал любое событие, которое, сочетаясь с каким-либо видом поведения, будет делать его более частым. Например, для голодной крысы в скиннеровском ящике подкреплением будет подача пищи. При этом не важно, что субъективно испытывает в этот момент животное. В качестве подкрепления могут выступать не только биологические, но и социальные факторы, например, признание общества, похвала, слава и т.д.
КАЗАКОВ Матвей Федорович - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
Как будет показано дальше, подкрепление не является обязательным условием любого научения. Например, этот компонент отсутствует в латентном научении, а также в импринтинге. В этом отношении крайняя позиция в понимании Скиннером роли подкрепления является ошибочной.
Третье положение. Подкреплением можно создать любое поведение.
Скиннер, опираясь на это положение своей теории, разработал способ формирования поведения путем последовательных приближений, который эффективно используется в дрессировке животных. Этот способ состоит в том, что весь путь от исходного поведения до конечной реакции, который исследователь стремится выработать у животного, разбивается на несколько этапов. После этого нужно последовательно и систематически подкреплять каждый из этих этапов, постепенно приближаясь к нужной форме поведения. Например, посмотрим, как с помощью этого способа можно научить голубя клевать маленький кружок на стенке ящика Скиннера. Сначала голубю дают зернышко только тогда, когда он заходит в ту половину клетки, где находится кружок. Далее его начинают вознаграждать в том случае, если он не только зайдет в нужную половину, но и повернет голову по направлению к кружку. На третьем этапе ему дают корм тогда, когда он не только совершает действия, выученные на первых двух этапах, но и прикасается к кружку на стенке ящика. Таким образом, при таком методе обучения к очередному этапу переходят лишь тогда, когда уже сформировалась поведенческая реакция, необходимая на предыдущем этапе. Скиннер, считал, что таким способом можно сформировать любое поведение. Он научал голубя описывать круги по ящику, ложиться на спину, становится обеими лапками на развернутое крыло или повисать в воздухе на высоте 5 см и т.д. Более того, он научал голубей разным играм. Так он описывает, как “голубя тренировали пускать деревянный шар по миниатюрному желобу в направлении расставленных игрушечных кеглей, толкая его резким боковым движением клюва. Результат поразил нас… Это зрелище произвело такое впечатление на Бреленда, что он отказался от многообещающей карьеры в области психологии и стал платным дрессировщиком”.
Это положение теории Скиннера также оказалось далеким от действительности. В дальнейшем было установлено, что животных можно научить не всему. Способность к научению у разных видов животных строго соответствует экологическим ограничениям, типичным для образа жизни данного вида. Так некоторые виды ассоциаций создаются у одних видов животных легче, чем у других. Например, крысы лучше ассоциируют звуки, запахи и тактильные ощущения, птицы же исследуют мир, пользуясь глазами и клювом. Другими словами, животное можно научить только тому, на что оно в принципе способно. Все формы поведения, которые не совпадают с биологической природой организма, очень трудно поддаются дрессировке или вообще не вырабатываются. Так примата никогда не научить говорить человеческим языком по той простой причине, что их голосовой аппарат не способен к воспроизведению членораздельных звуков. Более подробно влияние биологических факторов на научение будет рассмотрено ниже.
Четвертое положение. Поведение животного всецело зависит от внешней среды, от системы внешних подкрепляющих факторов.
В одной из своих философских работ, которая называется “По ту сторону свободы и достоинства”, Скиннер выдвинул положение о том, что свобода – это иллюзия. Человек, как и животное, полностью зависит от окружающей среды, влияющей на его поведение через совокупность подкрепляющих факторов. Человек думает, что он свободен в выборе своего поведения, что он сам решает свою судьбу. Но, на самом деле, в этом отношении он похож на крысу в ящике Скиннера. Крыса тоже думает, что она самостоятельно добивается пищи, что она свободна в своем выборе поведения. На самом деле она делает только то, чего хочет от нее экспериментатор (внешняя среда для человека), который может подкреплять или не подкреплять ту или иную реакцию. Также человеческое общество подкрепляет одни, выгодные для него, формы поведения индивида и не подкрепляет другие, которые могут это общество разрушить. То есть, наше поведение такое, каким хочет его видеть внешний мир, тот социум, в котором живет человек. Скиннер говорил, что путем разумного подкрепления можно создать гармоничных и оптимально развитых для общества людей. Он даже попытался создать особые “коммуны”, в которых, так называемые, “планификаторы” путем системы подкрепления отбирали и культивировали только те формы поведения подопытных людей, которые, с точки зрения Скиннера, обеспечивают выживание и развитие человеческого общества. В конце концов, эти коммуны распались, чем развеяли философские следствия скиннеровской теории научения. Есть в человеке нечто, что заставляет идти его за свои идеи на костер, создавать шедевры музыки, архитектуры… Ведь, наверное, не только ради хлеба создавал Бетховен свои гениальные произведения. Вероятно, у него была какая-то внутренняя страсть, стремление выразить себя через божественные звуки музыкальной гармонии. Что это? Неужели только общество заставляло его так поступать, доводя до само истощения?
