Генерализация стимула: градиент и дифференцировка

Собака, обученная на тон 1000 Гц, отвечает слюной и на 900, и на 1100 Гц. Человек, которого однажды укусила овчарка, вздрагивает при виде любой крупной собаки. Выученная реакция почти никогда не остаётся привязанной к единственному сигналу: она растекается на класс похожих. Это и есть генерализация стимула, и без неё научение было бы бесполезным, потому что дважды одинаковых ситуаций не бывает. У растекания есть измеримая форма, а у самой генерализации есть обратная сторона: дифференцировка. Калькулятор ниже собирает эту кривую по вашим параметрам, дальше разберём каждый блок по порядку.

Что такое генерализация стимула

Генерализация стимула (обобщение, у Павлова - иррадиация) - перенос выработанной реакции с того стимула, на котором её обучали, на другие стимулы, похожие на него по какому-то измерению. Ключевое здесь то, что новому организм не учили: перенос происходит сам, без единой дополнительной пробы. Механику выработки самого условного рефлекса разбирает отдельная статья про классическое обусловливание, здесь нас интересует то, что начинается после неё.

Измерение, вдоль которого работает похожесть, называют стимульным континуумом: частота тона, длина волны света, размер фигуры, громкость, расстояние. Континуум может быть и не физическим. При семантической генерализации реакция, выработанная на слово «доктор», проявляется на слово «врач», хотя по звучанию они не имеют ничего общего: у человека похожесть считается по смыслу.

Отдельно стоит различать генерализацию стимула и генерализацию реакции. В первом случае меняется сигнал, а ответ остаётся прежним; во втором меняется сам ответ: голубь, обученный клевать диск, начинает бить по нему крылом или головой. Это разные явления, и в контрольных их регулярно путают.

Градиент генерализации: форма и ширина

Если после обучения предъявлять стимулы разной похожести и считать реакции, получится градиент генерализации - кривая силы ответа по оси похожести. Вершина стоит на исходном стимуле, а ответ убывает в обе стороны от него. Удобная рабочая аппроксимация - гауссова кривая:

$R(x) = R_{\max}\,\exp\!\left(-\frac{(x - S_+)^2}{2\sigma^2}\right),$

где $x$ - предъявленный стимул, $S_+$ - стимул обучения, $\sigma$ - ширина градиента. Содержательно всё держится на одном параметре $\sigma$. Ширина кривой на половине высоты равна $2\sigma\sqrt{2\ln 2}\approx 2{,}35\,\sigma$: при $\sigma = 20$ нм это полоса в 47 нм. Внутри такой полосы стимул, отстоящий от эталона на 10 нм, даёт 88,2 % максимального ответа, на 20 нм - 60,7 %, а на 40 нм - уже 13,5 %.

Крутизна градиента зависит от трёх вещей: различительной чувствительности организма к этому континууму, разнообразия обучающих проб и уровня мотивации. Последнее важно для клиники: при сильном страхе градиент уплощается, то есть страх переносится шире, чем при спокойном обучении.

Маленький Альберт: перенос страха на класс предметов

Хрестоматийный пример переноса - опыт Уотсона и Райнер 1920 года. Одиннадцатимесячному мальчику, которого в публикации назвали Альбертом Б., показывали белую лабораторную крысу и в момент, когда он тянулся к ней, ударяли молотком по стальной полосе за его спиной. Через несколько сочетаний крыса сама стала вызывать плач и попытку отползти.

Рассчитать для своей задачи

Дальше началось самое интересное: реакция перенеслась на кролика, собаку, комок ваты, меховое пальто и бородатую маску, но не на деревянные кубики. Общим был не «вид крысы», а признак «белое и мохнатое» - генерализация пошла именно по нему. Опыт разбирают и как иллюстрацию переноса, и как образец нарушенной этики: угасания реакции авторы не проводили. Методологически он тоже слаб: один испытуемый, оценка реакции на глаз, без контрольной группы. Но сам принцип с тех пор воспроизводили сотни раз на куда более аккуратных схемах.

Дифференцировка: научение различать

Дифференцировка (различение, дискриминация) - процедура, обратная генерализации: один стимул подкрепляют, а близкий систематически нет. Подкрепляемый обозначают $S_+$, неподкрепляемый - $S_-$.

Рассчитать для своей задачи

Классическую процедуру провела в лаборатории Павлова Н. Р. Шенгер-Крестовникова: собаке подкрепляли круг и не подкрепляли эллипс. Пока фигуры различались легко (оси эллипса относились как 2:1), животное быстро переставало реагировать на эллипс - реакция сужалась до круга.

Результат дифференцировки виден на градиенте как сужение: полоса стимулов, вызывающих заметный ответ, становится уже. В калькуляторе при переходе от условия «без дифференцировки» к условиям Хэнсона ширина на половине высоты падает с 47,0 до 39,8 нм. Заодно проседает и высота: часть возбуждения съедает торможение.

Сдвиг пика: почему максимум уезжает от эталона

Кеннет Спенс в 1937 году предложил объяснение, которое до сих пор остаётся рабочим. Вокруг $S_+$ растёт возбудительный градиент $E(x)$, вокруг $S_-$ - тормозный $I(x)$, а наблюдаемое поведение равно их разности:

$N(x) = \max\bigl(0,\ E(x) - I(x)\bigr).$

Подставим числа калькулятора: $S_+ = 550$ нм, $S_- = 560$ нм, $\sigma = 20$ нм, тормозный градиент достигает 60 % от возбудительного. Вершина суммарной кривой оказывается не на 550, а на 542,3 нм - она ушла от подкрепляемого стимула на 7,7 нм в сторону, противоположную $S_-$. На самом $S_+$ ответ теперь 47,1 условной единицы против 52,3 в вершине. Это и есть сдвиг пика: максимум предпочтения приходится не на то, чему учили.

Эффект проверил Говард Хэнсон в 1959 году на голубях: птиц учили клевать диск, освещённый светом 550 нм, а близкий оттенок не подкрепляли. Максимум ответа устойчиво смещался в сторону от неподкрепляемого стимула, и смещение было тем больше, чем ближе к эталону стоял $S_-$. Модель в калькуляторе иллюстративная, но качественную картину воспроизводит: в пресете «тонкое различение» близкий $S_-$ требует более сильного торможения, и вершина уезжает уже на 9,2 нм.

Генерализация в оперантном научении и стимульный контроль

В оперантном научении генерализация работает по той же логике, только сигнал сообщает не о безусловном стимуле, а о том, что действие сейчас окупится. Такой сигнал называют дискриминативным стимулом $S^D$, а сигнал «сейчас бесполезно» - $S^{\Delta}$. Когда поведение надёжно появляется при одном и не появляется при другом, говорят, что оно под стимульным контролем. Какие бывают виды самого подкрепления, разбирает статья про подкрепление.

Бытовые примеры очевидны: зелёный свет светофора, звонок телефона, интонация начальника. Ребёнок, выучивший «спасибо» дома и говорящий его в магазине, демонстрирует генерализацию; ребёнок, который кричит в библиотеке, потому что дома можно, демонстрирует дефицит дифференцировки. Перенос бывает и по наблюдению: в эксперименте Бандуры с куклой Бобо дети воспроизводили увиденную агрессию на новых предметах и в другой комнате.

Экспериментальный невроз: когда различение непосильно

Вернёмся к кругу и эллипсу. Шенгер-Крестовникова постепенно приближала форму эллипса к кругу, доведя соотношение осей до 9:8. На этом шаге собака перестала справляться: дифференцировка развалилась, животное визжало, рвалось из станка, теряло ранее выработанные различения, и восстановление занимало недели. Павлов назвал это состояние экспериментальным неврозом.

Механизм в терминах модели прозрачен: возбуждение и торможение сталкиваются на пределе различительной способности, а требование продолжать различать никуда не девается. В калькуляторе такое условие даёт пресет «тонкое различение»: вершина проседает до 31,7 условной единицы против 100 без различительного обучения - поведение подавлено целиком, а не только на $S_-$. Человеческий аналог - не лабораторный, но узнаваемый: требование различать неразличимое, непредсказуемое подкрепление, противоречивые сигналы от одного и того же человека.

Генерализация в поведенческой терапии

В терапии генерализация выступает сразу и болезнью, и лекарством. Страх, начавшийся с одной панической атаки в метро, расползается на автобусы, лифты и очереди: градиент пологий, класс похожих ситуаций широкий. Лечение возвращает границы на место, и делает это по тому же градиенту - экспозицию строят лестницей от далёких, слабых стимулов к исходному. Именно эта логика лежит в основе систематической десенсибилизации Вольпе.

Рассчитать для своей задачи

Обратная задача не менее важна: добиться, чтобы результат работы генерализовался за пределы кабинета. Стоукс и Бэр в 1977 году показали, что стратегия «обучи и надейся» не работает, и перенос нужно планировать: обучать в разных обстановках, с разными людьми, на разных примерах и постепенно разреживать подкрепление. В педагогике действует то же правило: навык, отработанный на однотипных задачах, на экзамене с непривычной формулировкой не срабатывает.

Частые ошибки

• Путать генерализацию стимула и генерализацию реакции. В первом случае меняется сигнал, во втором - форма самого ответа.
• Считать генерализацию ошибкой научения. Это не сбой, а свойство, без которого выученное не работало бы нигде, кроме комнаты обучения.
• Смешивать дифференцировку с угасанием. Угасание убирает реакцию на все стимулы сразу, дифференцировка только сужает её до подкрепляемого.
• Ждать, что вершина градиента всегда стоит на обучающем стимуле. После различительного обучения она смещается, и это воспроизводимый эффект, а не погрешность.
• Мерить градиент двумя точками. Форма кривой видна только на серии пробных стимулов, причём предъявлять их надо без подкрепления, иначе процедура сама переучивает животное.

FAQ

Чем генерализация отличается от дифференцировки? Генерализация - перенос реакции на похожие стимулы, дифференцировка - научение отвечать только на один из них. Это два направления одного процесса: генерализация расширяет класс стимулов, дифференцировка его сужает. На графике обе видны как одна кривая: генерализация делает её пологой, дифференцировка - узкой.

Почему после обучения различать предпочитают не эталон, а соседний стимул? Так работает сдвиг пика по Спенсу: вокруг подкрепляемого стимула растёт возбуждение, вокруг неподкрепляемого - торможение, и в разности вершина уезжает от неподкрепляемого дальше, чем стоял эталон. Ту же логику используют, объясняя, почему после сравнения с плохим образцом переоценивают крайние варианты.

Возможна ли генерализация без физического сходства стимулов? Да, у человека она чаще всего именно такая. При семантической генерализации перенос идёт по значению слова, а не по звучанию, а при генерализации по классу - по принадлежности к общей категории. Поэтому у людей градиент строят не по частоте тона, а по субъективной оценке похожести.

Коротко

Генерализация стимула - перенос выученной реакции на стимулы, похожие на исходный; её форму описывает градиент генерализации, а ширину задаёт параметр $\sigma$: чем градиент положе, тем шире перенос. Дифференцировка - обратная процедура: подкрепляя один стимул и не подкрепляя близкий, градиент сужают. По теории Спенса тормозный градиент вычитается из возбудительного, из-за чего вершина смещается от неподкрепляемого стимула, а если различение доводят до предела чувствительности, поведение срывается в экспериментальный невроз. В прикладной работе обе стороны нужны сразу: страх лечат, разбирая генерализацию по ступеням экспозиции, а полезный навык, наоборот, специально учат переноситься в новые условия.