Программно-аппаратное обеспечение когнитивных исследований

 
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное  
образовательное учреждение высшего образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
Инженерно-технологическая академия 
 
 
 
 
Е. В. ГОЛУБЕВА 
В. С. КОМПАНИЕЦ 
 
ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 
КОГНИТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону – Таганрог 
Издательство Южного федерального университета 
2024 
 

УДК 004.41(075.8) 
ББК 32.93-018я73 
 Г621 
Печатается по решению кафедры психологии и безопасности  
жизнедеятельности Института компьютерных технологий  
и информационной безопасности Южного федерального университета 
(протокол № 6 от 30 мая 2024 г.) 
Рецензенты: 
доктор педагогических наук, декан факультета экономики и права  
Таганрогского института имени А. П. Чехова (филиал) 
 ФГБОУ ВО «РГЭУ (РИНХ)» И. А. Стеценко 
кандидат технических наук, доцент кафедры психологии и  
безопасности жизнедеятельности Института компьютерных технологий 
и информационной безопасности  Южного федерального университета  
А. Е. Лызь 
Голубева, Е. В. 
Г621      Программно-аппаратное обеспечение когнитивных исследований : 
учебное пособие / Е. В. Голубева, В. С. Компаниец ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2024. – 136 с. 
ISBN 978-5-9275-4661-9
Рассматриваются 
возможности 
современных 
программно-аппаратных 
средств (нейроинтерфейсов и айтрекеров) в когнитивных исследованиях.  
Изложение теоретических основ программно-аппаратного обеспечения и 
примеров новых исследований, проведенных с его использованием, дополнено 
описанием лабораторных работ, цель которых – обучиться применению нейротехнологий на практике. 
Для студентов магистратуры, обучающихся по направлению 09.04.03 «Прикладная информатика», образовательной программе «Эргодизайн пользовательского интерфейса», а также всех, кто интересуется вопросами программноаппаратного обеспечения когнитивных исследований. 
УДК 004.41(075.8) 
ББК 32.93-018я73 
ISBN 978-5-9275-4661-9
© Южный федеральный университет, 2024 
© Голубева Е. В., Компаниец В. С., 2024 
© Оформление. Макет. Издательство 
    Южного федерального университета, 2024

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 5 
РАЗДЕЛ 1. ПРОБЛЕМНОЕ ПОЛЕ И МЕТОДЫ КОГНИТИВНОЙ 
НАУКИ .......................................................................................................... 7 
РАЗДЕЛ 2. НЕЙРОИНТЕРФЕЙСЫ В КОГНИТИВНЫХ  
ИССЛЕДОВАНИЯХ 
................................................................................... 17 
2.1. Понятие нейроинтерфейсов и их классификация ........................... 17 
2.2. Нейроинтерфейсы: история развития и области применения ........ 23 
2.3. Нейрогарнитура и ее характеристики .............................................. 34 
2.4. Оценка возможности применения нейрогарнитуры в 
психологических исследованиях ............................................................ 38 
2.5. Порядок работы с нейрогарнитурой MindWave 
.............................. 43 
2.6. Методические указания к выполнению лабораторной работы 
«Исследование когнитивной нагрузки в задачах на счет разной 
сложности с использованием нейрогарнитуры MindWave» ................. 48 
2.7. Методические указания к выполнению лабораторной работы 
«Управление игровыми событиями посредством ЭЭГ-сигналов с 
помощью нейрогарнитуры MindWave Neurosky для регуляции 
психического состояния» ........................................................................ 55 
РАЗДЕЛ 3. АЙТРЕКИНГ В КОГНИТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ..... 70 
3.1. Айтрекинг: принцип работы и особенности 
.................................... 70 
3.2. Применение айтрекеров в психологических исследованиях 
.......... 74 
3.3. Порядок работы с айтрекером модели EyeTribe ............................. 77 
3.4. Методические указания к выполнению лабораторной работы 
«Исследование особенностей движения глаз при решении задачи на 
зрительное восприятие лицами с разными когнитивными стилями» 
... 86 
3.5. Методические указания к выполнению лабораторной работы 
«Выявление феномена слепоты к изменению в парадигме  
мерцания» 
................................................................................................. 91 
СПИСОК ВОПРОСОВ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 
.................................... 102 
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ............................................................................ 105 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
......................................................................................... 118 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
......................................................................... 120 
3 

Оглавление 
ПРИЛОЖЕНИЯ ......................................................................................... 
129 
Приложение А ........................................................................................ 
129 
Приложение Б ......................................................................................... 
131 
Приложение В 
......................................................................................... 
132 
 
 
 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Когнитивная наука – это перспективная область исследований, которая охватывает совокупность наук о познании живыми и искусственными 
системами. К области когнитивных наук традиционно относят: когнитивную психологию, искусственный интеллект, нейробиологию, лингвистику, 
антропологию, философию, робототехнику, информационные технологии. 
Человеческий мозг считается самым сложным органом, который 
можно сравнить с очень мощным и сложным компьютером, но успешно 
воссоздать и смоделировать всю его структуру и функционирование до сих 
пор никто не смог. В настоящее время отмечается активное включение в 
арсенал когнитивной науки объективных методов фиксации мозговых механизмов познания. К их числу относится нейроинтерфейсы и айтрекеры. 
Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) представляет собой систему, 
в которой электрическая активность мозга измеряется и преобразуется в 
управляющий сигнал для использования при решении задач коммуникации 
и контроля1.  
За последнее время в области развития нейроинтерфейсов с появлением достаточно мощных компьютерных технологий произошел настоящий прорыв. За последние несколько десятилетий интерфейсы «мозгкомпьютер» постепенно оказались в эпицентре научного интереса. Многие 
исследователи из разных стран содействовали развитию этой научной области, создав многочисленные инструменты и методы регистрации и обработки сигналов мозга. В настоящее время появляются и становятся популярными так называемые гибридные системы, представляющие собой комбинации нейроинтерфейсов с айтрекерами. 
Такой впечатляющий прогресс был бы невозможен без сопутствующего технологического развития, который обеспечил исследователей 
устройствами, позволяющими регистрировать активность мозга. Совместные усилия приблизили тот момент, когда общение между человеком и 
                                                     
1 Сидоренко, А. В. Нейроинтерфейс: принципы действия и реализации [Текст] // Доклады БГУИР. 2016.  
№ 7. С. 106–110. 
5 

Введение 
внешним миром через нейроинтерфейсы больше не является научной фантастикой, а является реальностью сегодняшнего дня2. 
 Стремление выяснить принципы работы человеческого мозга – довольно амбициозная задача, и для ее решения, безусловно, потребуется 
время. Однако даже достижения сегодняшнего дня дают возможность, 
например, людям с ограниченными возможностями восстановить контроль 
над своей жизнью и значительно улучшить ее качество. Надеемся, что новые открытия в этой области позволят человеку лучше узнать самого себя и 
существенно развить свои способности в познании окружающего мира. Поэтому рассмотрение возможностей применения современных информационных технологий в когнитивных исследованиях представляется актуальной задачей. 
В первом разделе данного учебного пособия представлено проблемное поле когнитивной науки и ее методы. Во втором разделе рассмотрено 
общее понятие нейроинтерфейсов, их классификации и возможности применения, нейрогарнитура как вид нейроинтерфейса и ее применение в когнитивной науке. Во втором разделе представлена нейротехнология айтрекинга и ее возможности в когнитивных исследованиях. Помимо изложения 
теоретических основ программно-аппаратного обеспечения и примеров современных исследований, проведенных с его использованием, предложены 
варианты лабораторных работ, цель которых – обучиться применению 
нейротехнологий на практике. 
                                                     
2 Kawala-Sterniuk, A.; Browarska, N.; Al-Bakri, A. F.; Pelc, M.; Zygarlicki, J.; Sidikova, M.; Martinek, R.;  
Gorzelanczyk, E. J. Summary of over Fifty Years with Brain-Computer Interfaces – A Review. Brain Sci. 2021, 
11, 43. https://doi.org/10.3390/brainsci11010043.  
6 

 
РАЗДЕЛ 1. ПРОБЛЕМНОЕ ПОЛЕ И МЕТОДЫ 
КОГНИТИВНОЙ НАУКИ 
 
Когнитивная наука (от лат. cognitiо «познание») представляет собой 
комплекс научных дисциплин, направленных на установление закономерностей процесса познания, осуществляемого как человеком, так и искусственными системами3. 
Познание, в свою очередь, представляет собой процесс возникновения, развития и передачи знания4. Основу этого процесса образует классический «набор» познавательных процессов, оформившийся в психологии 
познания: ощущение, восприятие, мышление, память, внимание, воображение, речь. 
Попытки классифицировать познавательные процессы многообразны. Одна из них принадлежит психологу Л. М. Веккеру5. В соответствии с 
этой классификацией познавательные процессы условно можно разделить 
на собственно познавательные (поставляющие информацию об окружающем мире и себе самом на разных уровнях) и сквозные (организующие полученную информацию).  
Собственно познавательные процессы, в свою очередь, могут быть 
организованы по оси, отражающей возрастание степени абстрактности отражения: ощущение → восприятие → мышление. А сквозные процессы могут быть расположены на оси, отражающей психологическое время от 
прошлого к настоящему и будущему: память → внимание → воображение. 
Под ощущением понимают процесс отражения отдельных свойств 
предметов. Процесс ощущения возникает в результате воздействия на органы чувств различных факторов окружающей среды, которые носят 
название раздражителей. Раздражение, в свою очередь, порождает еще 
один процесс – возбуждение, которое по нервам переходит в кору головно                                                     
3  Фаликман, М. Когнитивная наука: основоположения и перспективы [Текст] // Философсколитературный журнал «Логос». 2014. № 1 (97). 
4 Кудряшова, Т. Б. Актуальные проблемы современной когнитивной науки (о конференции в Ивановском 
государственном университете 1617 октября 2008 г.) [Текст] // Эпистемология & философия науки.  
Т. XXI. № 3. С. 192–194. 
5 Веккер, Л. М. Психика и реальность: единая теория психических процессов [Текст] / Л. М. Веккер. 
Москва: Смысл, 1998. 685 с. 
7 

Раздел 1. Проблемное поле и методы когнитивной науки 
го мозга, где и возникают ощущения. Следовательно, ощущение является 
чувственным отображением объективной действительности. 
Восприятие – это целостное отражение предметов, появляющееся 
при непосредственном воздействии физических раздражителей на рецепторы. Все то, что воспринимает человек, обязательно сохраняется в виде целостных образов. Отражение этих образов – это больше, чем ощущения от 
отдельных свойств предметов. Основываясь на слаженной работе органов 
чувств, человек соединяет отдельные ощущения в более крупные образования. Это соединение может осуществляться как в пределах одной модальности, так и в пределах разных модальностей. Только в итоге такого синтезирования разрозненные ощущения трансформируются в целостное восприятие. Так происходит переход от отражения отдельных признаков к отражению целостных предметов. 
Мышление – это высший познавательный психический процесс опосредованного и обобщенного отражения действительности в ходе ее анализа и синтеза. Первым признаком мышления является обобщенное отражение окружающей действительности, так как мышление есть отражение того 
общего, что содержится в предметах и явлениях и применение обобщений 
к единичным предметам и явлениям. В качестве второго признака мышления можно назвать опосредованное познание объективной реальности. 
Смысл опосредованного познания состоит в том, что мы можем выносить 
суждения о свойствах или особенностях предметов и явлений без их непосредственного восприятия, а путем переработки косвенной информации.  
С процессом мышления тесно связана речь. Речь – это индивидуальное психофизиологическое явление, представляющее собой активное использование кода языка в соответствии с мыслью говорящего. В речи формулируется мысль, но и речь формирует процесс мышления.    
Память – это процесс запечатления, сохранения, последующего 
узнавания и воспроизведения следов прошлого опыта. Вся информация, 
которая к нам поступает, каждое испытанное нами чувство, впечатление 
или движение оставляют в нашей памяти отпечаток, который может храниться довольно долгое время в определенных ситуациях возникать снова 
и становиться предметом сознания. Собственно благодаря памяти человек 
может получать и сохранять новые знания, умения и навыки, не теряя при 
этом старые. 
8 

Раздел 1. Проблемное поле и методы когнитивной науки 
Внимание – это направленность и сосредоточенность сознания человека на определенных объектах при одновременном отвлечении от других. 
Внимание как психический процесс выполняет следующие функции: 
– актуализация необходимых и торможение ненужных в данный момент физиологических и психологических процессов; 
– помощь в организованном и целенаправленном отборе поступающей в организм информации в соответствии с его насущными потребностями; 
– обеспечение избирательной и длительной сосредоточенности психической активности на одном и том же объекте или виде деятельности. 
Воображение – это процесс преобразования представлений, отражающих реальную действительность, и создание на этой основе новых представлений. Роль воображения в жизни человека, даже уже взрослого, нельзя недооценивать, ведь некоторая переработка образов окружающей действительности ведется даже тогда, когда мы воспроизводим какой-либо материал. Вспоминая какое-то событие или какого-то человека, мы часто не 
можем вспомнить все детали абсолютно достоверно. Несмотря на это, такие «белые пятна» не остаются незаполненными, наше сознание наделяет 
их определенным содержанием для реконструкции целостного образа. Таким образом, происходит специфическая переработка материала, заключающаяся в восполнении представлений нужными элементами. Поэтому уже 
в процессе воспроизведения начинает проявляться работа нашего воображения6. 
Все познавательные процессы тесно связаны друг с другом, поэтому 
их невозможно изучать изолированно. Современная когнитивная психология делает акцент не на изучении отдельно взятых познавательных процессов, а на исследовании всей когнитивной структуры человека в контексте 
целостной архитектуры его психики, испытывающей на себе влияние социальных и культурных факторов.  
Как отмечает М. В. Фаликман, когда когнитивная наука как область 
междисциплинарного исследования познания только появилась, она оформилась в контексте компьютерной метафоры познания. Познавательные 
процессы отождествлялись с процессами приема и переработки информа                                                     
6 Голубева, Е. В. Развитие личности профессионала: учебное пособие. [Текст] / Е. В. Голубева, А. Е. Лызь. 
Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2017. 98 с. 
9 

Раздел 1. Проблемное поле и методы когнитивной науки 
ции техническим устройством, что позволило описывать и моделировать 
эти процессы на языке компьютерных программ. В 50-е гг. когнитивисты 
разных дисциплин приняли ряд допущений:  
- трактовка познания как процесса переработки информации, что 
позволяет разложить познание на два компонента: представление знаний и 
вычислительные операции по их преобразованию; 
- мозг – это вычислительное устройство («суперкомпьютер»), которое выполняет операции по преобразованию структур, посредством которых представлены знания; 
- построение моделей познания безразлично к его субстрату (к  мозгу). 
Первые когнитивные исследования механизмов человеческого познания ориентировались на эти допущения, однако через полвека резко 
сменили как общие допущения и направления своих исследований. 
Тенденции развития когнитивной науки с 2000-х гг.: 
- интенсивные исследования развития мозга, ставшие возможными, в 
том числе, благодаря развитию программно-аппаратного обеспечения; 
- структуры, посредством которых представлены знания, и операции 
по их преобразованию перестают выступать в качестве главного предмета 
исследования когнитивистов; 
- все настойчивее начинает звучать идея, согласно которой познание – это очередной виток эволюции и он  служит для решения задач приспособления организма к среде; 
- дисциплины, входящие в когнитивную науку, начинают расширяться за счет привлечения социогуманитарных дисциплин. 
В когнитивной науке нового тысячелетия М. В. Фаликман выделяет 
четыре «бума» (всплеска исследований определенной тематики, начало которым положили работы 1980-х гг.). 
1. «Телесный бум» – интерес к телесным аспектам человеческого познания (формы телесности, в которых строятся системы переработки информации; телесные процессы, на фоне которых разворачивается познание): 
- разработка модульного подхода к психике Дж. Фодора (1983) – изучение психики как набора независимых сложившихся в эволюции систем, 
которые функционируют для решения индивидом разных когнитивных задач, ставшая основой для объявления в 2013 г. второй когнитивной рево10