A2. Elementy psychofizyki

Wykład dotyczy podstawowych praw psychofizycznych, ze szczególnym uwzględnieniem psychofizyki węchu.


Mechanizm rozpoznawania zapachu polega prawdopodobnie na porównywaniu aktualnego rozkładu pobudzeń receptorów nabłonka węchowego z rozkładami występującymi wcześniej w różnych sytuacjach życiowych. Te pamięciowe ślady wcześniejszych doświadczeń pozostają w analizatorze węchowym jako szlaki wzmocnionych połączeń między neuronami kolejnych warstw analizatora węchowego. Zapach jest rozpoznawany, jeżeli bodziec (odorant lub mieszanina odorantów) wywołuje przepływ neuronowych impulsów jednym z wcześniej przetartych szlaków (lub podobnym). Możliwe jest wówczas określenie rodzaju zapachu - przypisanie mu odpowiednich nazw wzorców lub klas, takich jak: „owocowy”, „kwiatowy”, „rybi”, „dym”, „róża”, „brzoskwinia”, „kawa” i inne. Rozpoznanie zapachu powoduje odpowiednie pobudzenia w ośrodku emocji (zasada asocjacji). Zapach zostaje uznany za przyjemny lub nieprzyjemny - można go ulokować w odpowiedniej klasie jakości hedonicznej. Dodatkowe informacje o zapachu są zawarte w częstości przekazywanych impulsów. Większa częstotliwość odpowiada silniejszym wrażeniom – większej intensywności zapachu.

Od wymienionych cech zapachu zanieczyszczeń powietrza, którym oddychamy w różnych sytuacjach życiowych, oraz od częstości występowania odorów w naszym otoczeniu zależy ogólne wrażenie uciążliwości zapachu.


(JPG, 50 KB) Intensywność zapachu zależy od liczby cząsteczek odoranta wchodzących w kontakt z odpowiednimi receptorami, a więc pośrednio od stężenia tego związku we wdychanym powietrzu.

Zależność intensywności zapachu od stężenia odoranta jest opisywana z wykorzystaniem prawa Webera i Fechnera lub Stevensa. Sformułowanie prawa Webera-Fechnera (XIX wiek) uważa się za narodziny nowej dyscypliny wiedzy – psychofizyki

Pierwotna wersja prawa Webera-Fechnera została sformułowana na podstawie badań Webera, dotyczących percepcji głośności dźwięku, ciężaru i wzrokowej oceny długości. Weber stwierdził, że: „Jeśli porównywane są wielkości bodźców, na naszą percepcję oddziałuje nie arytmetyczna różnica między nimi, lecz stosunek porównywanych wielkości”. Wykazał, że stosunek najmniejszej zauważalnej różnicy między bodźcami (dX) do absolutnej wielkości bodźca (X) ma wartość stałą. W roku 1860 zależność Webera została zmodyfikowana przez Fechnera, który zaproponował stosowanie zależności logarytmicznej:

R  =  C  ln (B / B0)

gdzie: R – siła wrażenia (intensywność światła, dźwięku, zapachu,...),  C – stały współczynnik proporcjonalności, B – siła bodźca wywołującego wrażenie o intensywności R, B0 – siła najsłabszego wyczuwalnego bodźca (bodźca progowego).

W odniesieniu do wrażeń węchowych równanie Webera-Fechnera przyjmuje postać:

S  =  kW log (c / cth)
S  =  kW × log c  -  kW × log cth  = kW × log c + const

gdzie: 

S    –  intensywność wrażenia,
kW  –  współczynnik proporcjonalności nazywany współczynnikiem Webera lub Webera-Fechnera,
c    –  stężenie odoranta w powietrzu, wywołujące wrażenie zapachu o intensywności S,
cth  –  próg węchowej wyczuwalności.

(JPG, 45 KB) Niezależność stosunku najmniejszej zauważalnej różnicy między siłą dwóch bodźców do ich siły absolutnej od zakresu pomiarów bywa kwestionowana. Stevens (1961) zaproponował określanie najmniejszych zauważalnych różnic porównywaniem bodźców o wyraźnie różnej sile. Oceniający dwa bodźce o znanej proporcji (np. 1:2) są proszeni o określenie proporcji subiektywnych wrażeń zmysłowych (np. stwierdzenie czy intensywność słabszego wrażenia stanowi 1/2, 1/3 czy 1/4 wrażenia drugiego). Wykonane tą metodą badania doprowadziły Stevensa do wniosku, że stosunek dwóch subiektywnych wrażeń jest w przybliżeniu równy stosunkowi siły bodźców. Zaproponował stosowanie równania potęgowego:

S = a × Bn

gdzie:
S  
   – siła wrażenia (np. zapachu),
B
     – siła bodźca (np. stężenie odoranta),
a, n  – stałe empiryczne.

Jeżeli ocenianym wrażeniem jest zapach prawo Stevensa przyjmuje postać:

S = kS × cn
log S  =  log k+ n × log c = const + n× log c

gdzie: 
S   –  intensywność zapachu,
kS   –  współczynnik proporcjonalności nazywany wykładnikiem Stevensa,
c    –  stężenie odoranta w powietrzu, wywołujące wrażenie zapachu  o intensywności S.


Różnice między wynikami zastosowania prawa Webera-Fechnera i prawa Stevensa są zwykle niewielkie.

Ogólne matematyczne zależności intensywności zapachu powietrza zawierającego mieszaniny odorantów od stężeń tych związków dotychczas nie zostały opracowane. Stwierdzono, że występują znaczne odchylenia wyznaczonych wartości progu wyczuwalności zapachu mieszanin i współczynnika Webera-Fechnera od wartości przewidywanych przy założeniu addytywności. Zagadkowego charakteru zależności nie wyjaśniają dotychczas publikowane modele węchowych interakcji, takie jak model wektorowy, ERM (Equiratio Mixture Model) i inne.

W Pracowni zaproponowano model analizatora intensywności zapachu w postaci dwóch warstw neuronów. Pierwsza warstwa zawiera chaotycznie rozmieszczone selektywne receptory poszczególnych odorantów. Wpływ odoranta  na intensywność zapachu mieszanin zależy od liczby odpowiednich receptorów oraz liczby jego połączeń z neuronami warstwy drugiej (stopień dywergencji). Neuron drugiej warstwy zostaje pobudzony jednakowo po odebraniu sygnału z dowolnego receptora lub z kilku receptorów. Założono, że intensywność zapachu jest wprost proporcjonalna do liczby pobudzonych neuronów warstwy drugiej  (więcej - patrz kopia tekstu artykułu (PDF, 449 KB) ).

(JPG, 77 KB)

Badany model zawierał 1000 neuronów w warstwie pierwszej i 1446 neuronów w warstwie drugiej. Warstwa pierwsza zawierała receptory A i B  (RA i RB) w ilościach 15% RA, 15% RB oraz 30% RA 10% RB. Receptory A cechowała dywergencja 1:9, receptory B - 1:25. Bodźcem były mieszaniny  zawierające 5-100 cząsteczek A i B na sto (xA = 0,  0,2,  0,5,  0,8  and 1,0).   Potwierdzono ogólne podobieństwo reakcji modelu analizatora do reakcji ludzkiego węchu, Wskazano na przykład, jak można wytłumaczyć wyniki laboratoryjnych badań zależności intensywności zapachu powietrza zawierającego kilka różnych odorantów od proporcji tych związków (przykład poniżej pochodzi z pracy doktorskiej Bartosza Wyszyńskiego).

(JPG, 142 KB)


Do pobrania:

- prezentacja (ZIP, 2.1 MB) w programie Microsoft PowerPoint. Do jej obejrzenia można użyć programu Microsoft PowerPoint, OpenOffice Impress lub Microsoft PowerPoint Viewer.

(ZIP, 2.1 MB)


Więcej:

Podręcznik  ODORY, PWN 2002  (rozdz. 3)