La psicofísica investiga cuantitativamente la relación entre los estímulos físicos y las sensaciones y percepciones que producen. La psicofísica ha sido descrita como "el estudio científico de la relación entre el estímulo y la sensación " [1] o, más completamente, como "el análisis de los procesos perceptivos mediante el estudio del efecto que tiene sobre la experiencia o el comportamiento de un sujeto la variación sistemática de las propiedades de un estímulo a lo largo de una o más dimensiones físicas". [2]
La psicofísica también se refiere a una clase general de métodos que se pueden aplicar para estudiar un sistema perceptivo . Las aplicaciones modernas se basan en gran medida en la medición de umbrales, [3] el análisis del observador ideal y la teoría de detección de señales . [4]
La psicofísica tiene aplicaciones prácticas importantes y generalizadas. Por ejemplo, en el ámbito del procesamiento de señales digitales , los conocimientos de la psicofísica han guiado el desarrollo de modelos y métodos para la compresión con pérdida . Estos modelos ayudan a explicar por qué los humanos suelen percibir una pérdida mínima de calidad de la señal cuando se comprimen señales de audio y video utilizando técnicas con pérdida.
Muchas de las técnicas y teorías clásicas de la psicofísica fueron formuladas en 1860 cuando Gustav Theodor Fechner publicó en Leipzig Elemente der Psychophysik (Elementos de psicofísica) . [5] Acuñó el término "psicofísica", para describir la investigación destinada a relacionar los estímulos físicos con los contenidos de la conciencia, como las sensaciones (Empfindungen) . Como físico y filósofo, Fechner se propuso desarrollar un método que relacionara la materia con la mente, conectando el mundo observable públicamente y la impresión que una persona experimenta privadamente de él. Sus ideas se inspiraron en los resultados experimentales sobre el sentido del tacto y la luz obtenidos a principios de la década de 1830 por el fisiólogo alemán Ernst Heinrich Weber en Leipzig , [6] [7] más notablemente aquellos sobre la diferencia mínima discernible en la intensidad de los estímulos de fuerza moderada (diferencia apenas perceptible; jnd) que Weber había demostrado que era una fracción constante de la intensidad de referencia, y a la que Fechner se refirió como la ley de Weber. De ahí, Fechner derivó su conocida escala logarítmica, hoy conocida como escala de Fechner . El trabajo de Weber y Fechner formó una de las bases de la psicología como ciencia , y Wilhelm Wundt fundó el primer laboratorio de investigación psicológica en Leipzig (Institut für experimentelle Psychologie). El trabajo de Fechner sistematizó el enfoque introspeccionista (la psicología como ciencia de la conciencia), que tuvo que enfrentarse al enfoque conductista en el que incluso las respuestas verbales son tan físicas como los estímulos.
El trabajo de Fechner fue estudiado y ampliado por Charles S. Peirce , quien fue ayudado por su estudiante Joseph Jastrow , quien pronto se convirtió en un distinguido psicólogo experimental por derecho propio. Peirce y Jastrow confirmaron en gran medida los hallazgos empíricos de Fechner, pero no todos. En particular, un experimento clásico de Peirce y Jastrow rechazó la estimación de Fechner de un umbral de percepción de pesos. En su experimento, Peirce y Jastrow de hecho inventaron experimentos aleatorios: asignaron aleatoriamente voluntarios a un diseño ciego de medidas repetidas para evaluar su capacidad para discriminar pesos. [8] [9] [10] [11] Sobre la base de sus resultados, argumentaron que las funciones subyacentes eran continuas y que no hay un umbral por debajo del cual no se detectaría una diferencia en la magnitud física. El experimento de Peirce inspiró a otros investigadores en psicología y educación, que desarrollaron una tradición de investigación de experimentos aleatorios en laboratorios y libros de texto especializados en la década de 1900. [8] [9] [10] [11]
Los experimentos de Peirce-Jastrow se llevaron a cabo como parte de la aplicación del programa pragmático de Peirce a la percepción humana ; Otros estudios se ocupaban de la percepción de la luz, etc. [12] Jastrow escribió el siguiente resumen: "Los cursos de lógica del señor Peirce me dieron mi primera experiencia real de músculo intelectual. Aunque enseguida me adentré en el laboratorio de psicología cuando lo estableció Stanley Hall , fue Peirce quien me dio mi primer entrenamiento en el manejo de un problema psicológico y al mismo tiempo estimuló mi autoestima al confiarme, entonces bastante inocente de cualquier hábito de laboratorio, un poco de investigación real. Me pidió prestado el aparato, que llevé a mi habitación, lo instalé en mi ventana y con el que, cuando las condiciones de iluminación eran las adecuadas, hice las observaciones. Los resultados se publicaron con nuestros nombres conjuntos en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias . La demostración de que los rastros de efecto sensorial demasiado leves para que se registren en la conciencia podían, no obstante, influir en el juicio, puede haber sido en sí misma un motivo persistente que me indujo años después a emprender un libro sobre El subconsciente ". Este trabajo distingue claramente el rendimiento cognitivo observable de la expresión de la conciencia.
Los enfoques modernos de la percepción sensorial, como la investigación sobre la visión, la audición o el tacto, miden lo que el juicio del perceptor extrae del estímulo, a menudo dejando de lado la cuestión de qué sensaciones se están experimentando. Un método líder se basa en la teoría de detección de señales , desarrollada para casos de estímulos muy débiles. Sin embargo, el enfoque subjetivista persiste entre aquellos en la tradición de Stanley Smith Stevens (1906-1973). Stevens revivió la idea de una ley de potencia sugerida por investigadores del siglo XIX, en contraste con la función log-lineal de Fechner (cf. ley de potencia de Stevens ). También abogó por la asignación de números en proporción a las intensidades de los estímulos, llamada estimación de magnitud. Stevens agregó técnicas como la producción de magnitud y la coincidencia entre modalidades. Se opuso a la asignación de intensidades de estímulo a puntos en una línea que están etiquetados en orden de intensidad. No obstante, ese tipo de respuesta ha seguido siendo popular en la psicofísica aplicada. A menudo, estos diseños de categorías múltiples se denominan erróneamente " escala de Likert", en honor a los elementos de pregunta que utiliza Likert para crear escalas psicométricas de múltiples elementos, por ejemplo, siete frases desde "totalmente de acuerdo" hasta "totalmente en desacuerdo".
Omar Khaleefa [13] ha sostenido que el científico medieval Alhazen debería ser considerado el fundador de la psicofísica. Aunque al-Haytham hizo muchos informes subjetivos sobre la visión, no hay evidencia de que utilizara técnicas psicofísicas cuantitativas y tales afirmaciones han sido rechazadas. [14] [ dudoso – discutir ]
Los psicofísicos suelen emplear estímulos experimentales que se pueden medir objetivamente, como tonos puros que varían en intensidad o luces que varían en luminancia. Se han estudiado todos los sentidos canónicos: la vista , el oído , el tacto (incluida la percepción cutánea y entérica ), el gusto , el olfato y el sentido del tiempo . Independientemente del dominio sensorial, hay tres áreas principales de investigación: umbrales absolutos , umbrales de discriminación (por ejemplo, la diferencia apenas perceptible ) y escala .
Un umbral (o limen ) es el punto de intensidad en el que el participante puede detectar la presencia de un estímulo (umbral absoluto [15] ) o la diferencia entre dos estímulos (umbral de diferencia [7] ). Los estímulos con intensidades por debajo de este umbral no son detectables y se consideran subliminales . Los estímulos con valores cercanos a un umbral pueden ser detectables en algunas ocasiones; por lo tanto, un umbral se define como el punto en el que se detecta un estímulo o un cambio en un estímulo en una cierta proporción p de ensayos.
Un umbral absoluto es el nivel de intensidad en el que un sujeto puede detectar la presencia de un estímulo una cierta proporción del tiempo; un nivel p del 50% se utiliza comúnmente. [16] Por ejemplo, considere el umbral absoluto para la sensación táctil en el dorso de la mano. Un participante podría no sentir un solo cabello siendo tocado, pero podría detectar el toque de dos o tres cabellos, ya que esto excede el umbral. El umbral absoluto también se conoce a menudo como el umbral de detección . Se emplean varios métodos para medir los umbrales absolutos, similares a los utilizados para los umbrales de discriminación (ver más abajo).
Un umbral de diferencia (o diferencia apenas perceptible , JND) es la magnitud de la diferencia más pequeña entre dos estímulos de diferentes intensidades que un participante puede detectar una cierta proporción del tiempo, con el porcentaje específico dependiendo de la tarea. Se emplean varios métodos para probar este umbral. Por ejemplo, se le puede pedir al sujeto que ajuste un estímulo hasta que sea percibido como idéntico a otro (método de ajuste), que describa la dirección y magnitud de la diferencia entre dos estímulos, o que decida si las intensidades en un par de estímulos son iguales o diferentes (elección forzada). La diferencia apenas perceptible no es una cantidad fija; más bien, varía dependiendo de la intensidad de los estímulos y el sentido específico que se está probando. [17] Según la Ley de Weber , la diferencia apenas perceptible para cualquier estímulo es una proporción constante, independientemente de las variaciones en la intensidad. [18]
En los experimentos de discriminación, el experimentador busca determinar en qué punto se vuelve detectable la diferencia entre dos estímulos, como dos pesos o dos sonidos. Se le presenta al sujeto un estímulo, por ejemplo, un peso, y se le pide que diga si otro peso es más pesado o más liviano. En algunos experimentos, el sujeto también puede indicar que los dos pesos son iguales. En el punto de igualdad subjetiva (PSE), el sujeto percibe ambos pesos como idénticos. La diferencia apenas perceptible, o limen de diferencia (DL), es la magnitud de la diferencia en los estímulos que el sujeto nota una cierta proporción p del tiempo; típicamente, se utiliza el 50% para p en la tarea de comparación. [19] Además, se utiliza el paradigma de elección forzada de dos alternativas (2AFC) para evaluar el punto en el que el desempeño se reduce al azar al discriminar entre dos alternativas; aquí, p es típicamente 75%, ya que una tasa de éxito del 50% corresponde al azar en la tarea 2AFC.
Los umbrales absolutos y diferenciales a veces se consideran similares en principio porque el ruido de fondo siempre interfiere con nuestra capacidad de detectar estímulos. [6] [20]
En psicofísica, los experimentos buscan determinar si el sujeto puede detectar un estímulo, identificarlo, diferenciarlo de otro estímulo o describir la magnitud o naturaleza de esta diferencia. [6] [7] Strasburger describe un software para la experimentación psicofísica. [21]
Los experimentos psicofísicos han utilizado tradicionalmente tres métodos para probar la percepción de los sujetos en experimentos de detección de estímulos y de detección de diferencias: el método de límites, el método de estímulos constantes y el método de ajuste. [22]
En el método ascendente de límites, alguna propiedad del estímulo comienza en un nivel tan bajo que no se puede detectar el estímulo, luego este nivel se aumenta gradualmente hasta que el participante informa que es consciente de ello. Por ejemplo, si el experimento está probando la amplitud mínima del sonido que se puede detectar, el sonido comienza demasiado bajo para ser percibido y se hace gradualmente más fuerte. En el método descendente de límites, esto se invierte. En cada caso, el umbral se considera que es el nivel de la propiedad del estímulo en el que los estímulos se detectan. [22]
En los experimentos se utilizan alternativamente los métodos ascendente y descendente y se promedian los umbrales. Una posible desventaja de estos métodos es que el sujeto puede acostumbrarse a comunicar que percibe un estímulo y puede continuar comunicándolo de la misma manera incluso más allá del umbral (el error de habituación ). Por el contrario, el sujeto también puede anticipar que el estímulo está a punto de volverse detectable o indetectable y puede emitir un juicio prematuro (el error de anticipación).
Para evitar estos posibles escollos, Georg von Békésy introdujo en 1960 el procedimiento de la escalera en su estudio de la percepción auditiva. En este método, el sonido comienza siendo audible y se vuelve más bajo después de cada una de las respuestas del sujeto, hasta que el sujeto informa que no lo escucha. En ese momento, el sonido se hace más fuerte en cada paso, hasta que el sujeto informa que lo escucha, momento en el que se vuelve a hacer más bajo en pasos. De esta manera, el experimentador puede "centrarse" en el umbral. [22]
En lugar de presentarse en orden ascendente o descendente, en el método de estímulos constantes los niveles de una determinada propiedad del estímulo no se relacionan de un ensayo al siguiente, sino que se presentan aleatoriamente. Esto evita que el sujeto pueda predecir el nivel del siguiente estímulo y, por lo tanto, reduce los errores de habituación y expectativa. Para los "umbrales absolutos", nuevamente el sujeto informa si es capaz de detectar el estímulo. [22] Para los "umbrales de diferencia" tiene que haber un estímulo de comparación constante con cada uno de los niveles variados. Friedrich Hegelmaier describió el método de estímulos constantes en un artículo de 1852. [23] Este método permite un muestreo completo de la función psicométrica , pero puede dar como resultado muchos ensayos cuando se intercalan varias condiciones.
En el método de ajuste, se pide al sujeto que controle el nivel del estímulo y lo altere hasta que sea apenas detectable contra el ruido de fondo, o sea el mismo que el nivel de otro estímulo. El ajuste se repite muchas veces. Esto también se llama el método del error promedio . [22] En este método, los propios observadores controlan la magnitud del estímulo variable, comenzando con un nivel que es claramente mayor o menor que uno estándar y lo varían hasta que están satisfechos con la igualdad subjetiva de los dos. La diferencia entre los estímulos variables y el estándar se registra después de cada ajuste, y el error se tabula para una serie considerable. Al final, se calcula la media dando el error promedio que puede tomarse como una medida de sensibilidad.
Los métodos clásicos de experimentación suelen ser considerados ineficientes. Esto se debe a que, antes de la prueba, el umbral psicométrico suele ser desconocido y la mayoría de los datos se recogen en puntos de la función psicométrica que proporcionan poca información sobre el parámetro de interés, normalmente el umbral. Se pueden utilizar procedimientos de escalera adaptativos (o el método clásico de ajuste) de modo que los puntos muestreados se agrupen alrededor del umbral psicométrico. Los puntos de datos también se pueden distribuir en un rango ligeramente más amplio, si la pendiente de la función psicométrica también es de interés. De este modo, los métodos adaptativos se pueden optimizar para estimar solo el umbral, o tanto el umbral como la pendiente. Los métodos adaptativos se clasifican en procedimientos de escalera (véase más adelante) y métodos bayesianos, o de máxima verosimilitud. Los métodos de escalera se basan solo en la respuesta anterior y son más fáciles de implementar. Los métodos bayesianos tienen en cuenta todo el conjunto de pares estímulo-respuesta anteriores y, por lo general, son más robustos frente a los lapsos de atención. [24] Se pueden encontrar ejemplos prácticos aquí. [21]
Las escaleras suelen comenzar con un estímulo de alta intensidad, que es fácil de detectar. Luego, la intensidad se reduce hasta que el observador comete un error, momento en el que la escalera se "invierte" y la intensidad se aumenta hasta que el observador responde correctamente, lo que desencadena otra inversión. A continuación, se promedian los valores de la última de estas "inversiones". Existen muchos tipos diferentes de procedimientos de escalera, que utilizan diferentes reglas de decisión y terminación. El tamaño del paso, las reglas de subida/bajada y la dispersión de la función psicométrica subyacente dictan en qué parte de la función psicométrica convergen. [24] Los valores de umbral obtenidos a partir de las escaleras pueden fluctuar enormemente, por lo que se debe tener cuidado en su diseño. Se han modelado muchos algoritmos de escalera diferentes y García-Pérez ha sugerido algunas recomendaciones prácticas. [25]
Uno de los diseños de escalera más comunes (con tamaños de escalones fijos) es la escalera de 1 arriba y 9 abajo. Si el participante da la respuesta correcta N veces seguidas, la intensidad del estímulo se reduce en un tamaño de paso. Si el participante da una respuesta incorrecta, la intensidad del estímulo se incrementa en un tamaño de paso. Se estima un umbral a partir del punto medio medio de todas las ejecuciones. Esta estimación se aproxima, asintóticamente, al umbral correcto.
Los procedimientos adaptativos bayesianos y de máxima verosimilitud (ML) se comportan, desde la perspectiva del observador, de forma similar a los procedimientos de escalera. Sin embargo, la elección del siguiente nivel de intensidad funciona de forma diferente: después de cada respuesta del observador, a partir del conjunto de este y todos los pares estímulo/respuesta anteriores, se calcula la probabilidad de dónde se encuentra el umbral. Luego, se elige el punto de máxima verosimilitud como la mejor estimación para el umbral y se presenta el siguiente estímulo en ese nivel (ya que una decisión en ese nivel agregará la mayor cantidad de información). En un procedimiento bayesiano, se incluye además una probabilidad previa en el cálculo. [24] En comparación con los procedimientos de escalera, los procedimientos bayesianos y ML requieren más tiempo de implementación, pero se consideran más robustos. Los procedimientos bien conocidos de este tipo son Quest, [26] ML-PEST, [27] y el método de Kontsevich y Tyler. [28]
En el caso prototípico, se pide a las personas que asignen números en proporción a la magnitud del estímulo. Esta función psicométrica de las medias geométricas de sus números es a menudo una ley de potencia con exponente estable y replicable. Aunque los contextos pueden cambiar la ley y el exponente, ese cambio también es estable y replicable. En lugar de números, se pueden utilizar otras dimensiones sensoriales o cognitivas para hacer coincidir un estímulo y el método se convierte entonces en "producción de magnitud" o "coincidencia entre modalidades". Los exponentes de esas dimensiones que se encuentran en la estimación numérica de la magnitud predicen los exponentes que se encuentran en la producción de magnitud. La estimación de magnitud generalmente encuentra exponentes más bajos para la función psicofísica que las respuestas de múltiples categorías, debido al rango restringido de los anclajes categóricos, como los que utiliza Likert como elementos en las escalas de actitud. [29]
