Человеческая эхолокация: ориентация в пространстве с помощью звука.

Введение

Способность человека воспринимать окружающую среду с помощью звуков.

Эхолокация человека – это способность обнаруживать объекты в окружающей среде, воспринимая эхо от них, путем активного создания звуков: например, постукивания тростью, легкого топанья ногой, щелканья пальцами или щелчков ртом. Люди, обученные ориентироваться по эхолокации, могут интерпретировать звуковые волны, отражаемые находящимися поблизости объектами, точно определяя их местоположение и размер.

Предыстория

Термин "эхолокация" был придуман зоологом Дональдом Гриффином в 1944 году. Однако о данном явлении было известно и ранее: например, Дени Дидро в 1749 году сообщил, что слепые люди способны определять местоположение беззвучных предметов. Эхолокация человека известна и формально изучается как минимум с 1950-х годов. Ранее эхолокацию человека иногда описывали как "лицевое зрение" или "чувство препятствий", поскольку считалось, что близость окружающих объектов вызывает изменения давления на кожу. Лишь в 1940-х годах серия экспериментов, проведенных в Корнелльской психологической лаборатории, показала, что звук и слух, а не изменения давления на коже, являются механизмами, лежащими в основе этой способности. (см. также White, et al. (1970)). Многие слепые люди пассивно используют естественные эхо от окружающей среды для восприятия деталей, в то время как другие активно издают щелчки ртом и оценивают информацию об окружающей среде по их отражению. И пассивная, и активная эхолокация помогают слепым людям ориентироваться в пространстве. Зрячие люди часто не замечают эхо от близлежащих объектов из-за феномена подавления эхо, вызванного эффектом предшествования. Однако, при обучении, зрячие люди с нормальным слухом могут научиться избегать препятствий, полагаясь только на слух, что демонстрирует, что эхолокация – это общая человеческая способность. Лоре Талер возглавил группу исследователей из Университета Дарема, чтобы выяснить, можно ли обучить людей эхолокации. В течение десяти недель они обучали эхолокации 12 слепых и 14 зрячих людей.

Механика

Зрение и слух схожи в том, что оба интерпретируют обнаружение отраженных волн энергии. Зрение обрабатывает световые волны, которые исходят из источника, отражаются от поверхностей в окружающей среде и попадают в глаза. Аналогичным образом, слуховая система обрабатывает звуковые волны, когда они исходят из источника, отражаются от поверхностей и достигают ушей. Обе нейронные системы способны извлекать значительный объем информации об окружающей среде, интерпретируя сложные паттерны отраженной энергии, которую получают их органы чувств. В случае звука эти волны отраженной энергии называют эхом. Эхо и другие звуки могут передавать пространственные данные, во многом сопоставимые с теми, что передаются светом. Слепой человек, ориентируясь по эху, может воспринимать очень сложные, детальные и специфические особенности мира с расстояний, значительно превышающих досягаемость самой длинной трости или руки. Эхо предоставляет информацию о природе и расположении объектов и элементов окружающей среды, таких как нависающие элементы, стены, дверные проемы и ниши, столбы, приподнятые бордюры и ступени, клумбы, пешеходы, пожарные гидранты, припаркованные или движущиеся транспортные средства, деревья и другая растительность, и многое другое. Эхо может предоставить подробную информацию о местоположении (где находятся объекты), размерах (их величина и общая форма) и плотности (насколько они твердые). Местоположение обычно определяется как расстояние до наблюдателя и направление (слева/справа, спереди/сзади, сверху/снизу). Размер относится к высоте объекта (высокий или низкий) и ширине (широкий или узкий). Понимая взаимосвязь этих характеристик, можно многое узнать о природе объекта или нескольких объектов. Например, высокий и узкий объект можно быстро идентифицировать как столб. Объект, который узкий в основании и широкий вверху, будет деревом. Что-то высокое и очень широкое воспринимается как стена или здание. Объект, широкий и высокий в середине, но короче по краям, может быть идентифицирован как припаркованный автомобиль. Низкий и широкий объект может быть клумбой, подпорной стеной или бордюром. И, наконец, объект, который начинается близко и очень низко, но удаляется в перспективу, поднимаясь вверх, представляет собой лестницу. Плотность относится к твердости объекта (твердый/рыхлый, твердый/мягкий). Осознание плотности добавляет глубину и сложность доступной информации. Например, низкий и твердый объект можно распознать как стол, а низкий и рыхлый – как куст; но высокий, широкий и очень рыхлый объект, скорее всего, является забором.

Vision and hearing are akin in that each interprets detections of reflected waves of energy. Vision processes light waves that travel from their source, bounce off surfaces throughout the environment and enter the eyes. Similarly, the auditory system processes sound waves as they travel from their source, bounce off surfaces and enter the ears. Both neural systems can extract a great deal of information about the environment by interpreting the complex patterns of reflected energy that their sense organs receive. In the case of sound these waves of reflected energy are referred to as echoes. Echoes and other sounds can convey spatial data that are comparable in many respects to those conveyed by light. A blind traveler using echoes can perceive very complex, detailed, and specific features of the world from distances far beyond the reach of the longest cane or arm. Echoes make information available about the nature and arrangement of objects and environmental features such as overhangs, walls, doorways and recesses, poles, ascending curbs and steps, planter boxes, pedestrians, fire hydrants, parked or moving vehicles, trees and other foliage, and much more. Echoes can give detailed information about location (where objects are), dimension (how big they are and their general shape), and density (how solid they are). Location is generally broken down into distance from the observer and direction (left/right, front/back, high/low). Dimension refers to the object's height (tall or short) and breadth (wide or narrow). By understanding the interrelationships of these qualities, much can be perceived about the nature of an object or multiple objects. For example, an object that is tall and narrow may be recognized quickly as a pole. An object that is tall and narrow near the bottom while broad near the top would be a tree. Something that is tall and very broad registers as a wall or building. Something that is broad and tall in the middle, while being shorter at either end may be identified as a parked car. An object that is low and broad may be a planter, retaining wall, or curb. And finally, something that starts out close and very low but recedes into the distance as it gets higher is a set of steps. Density refers to the solidity of the object (solid/sparse, hard/soft). Awareness of density adds richness and complexity to one's available information. For instance, an object that is low and solid may be recognized as a table, while something low and sparse sounds like a bush; but an object that is tall and broad and very sparse is probably a fence.

Области мозга, связанные с эхолокацией

Некоторые слепые люди умело распознают беззвучные объекты, просто издавая щелчки ртом и прислушиваясь к возвращающемуся эху. Хотя исследований нейронных основ человеческой эхолокации проведено немного, они показывают активацию первичной зрительной коры во время эхолокации у опытных слепых эхолокаторов. Механизм, лежащий в основе этого перераспределения функций в области мозга, известен как нейропластичность. В исследовании 2014 года, проведенном Талером и его коллегами, исследователи сначала записали щелчки и их очень слабые эхо с помощью крошечных микрофонов, помещенных в уши слепых эхолокаторов, когда те стояли на улице и пытались идентифицировать различные объекты, такие как автомобиль, флагшток и дерево. Затем исследователи воспроизвели записанные звуки эхолокаторам, одновременно измеряя активность их мозга с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии. Примечательно, что при воспроизведении записей эхолокации слепым экспертам, они не только распознавали объекты по эху, но и демонстрировали активность в тех областях мозга, которые у зрячих людей обычно обрабатывают зрительную информацию, в первую очередь в первичной зрительной коре или V1. Этот результат удивителен, поскольку зрительные области обычно активны только во время зрительных задач. Области мозга, отвечающие за обработку слуховой информации, не проявляли большей активности при воспроизведении звукозаписей уличных сцен с эхом, чем при воспроизведении звукозаписей тех же сцен без эха. Важно отметить, что когда тот же эксперимент был проведен со зрячими людьми, не владеющими эхолокацией, они не могли распознать объекты, и в мозге не наблюдалось никакой активности, связанной с эхом. Это говорит о том, что кора головного мозга слепых эхолокаторов обладает пластичностью и реорганизуется таким образом, что первичная зрительная кора, а не какая-либо слуховая область, участвует в обработке задач эхолокации. Несмотря на эти данные, степень влияния активации зрительной коры у слепых эхолокаторов на их эхолокационные способности остается неясной. Он ведет слепых подростков в походы и на горных велосипедах по дикой местности и обучает их безопасно ориентироваться в новых местах, используя технику, которую он называет "FlashSonar". Сначала он сопротивлялся использованию трости для передвижения, считая ее "признаком инвалидности" и полагая, что он "вовсе не инвалид", но Киш разработал технику, сочетающую использование его белой трости с эхолокацией, чтобы еще больше расширить свои возможности передвижения. Он способен отличить металлический забор от деревянного по информации, содержащейся в эхе, отражающемся от структуры забора; в условиях абсолютной тишины он также может различать более теплое и приглушенное эхо от дерева по сравнению с металлом.

Some blind people are skilled at echolocating silent objects simply by producing mouth clicks and listening to the returning echoes. Although few studies have been performed on the neural basis of human echolocation, those studies report activation of primary visual cortex during echolocation in blind expert echolocators. The driving mechanism of this brain region remapping phenomenon is known as neuroplasticity. In a 2014 study by Thaler and colleagues, the researchers first made recordings of the clicks and their very faint echoes using tiny microphones placed in the ears of the blind echolocators as they stood outside and tried to identify different objects such as a car, a flag pole, and a tree. The researchers then played the recorded sounds back to the echolocators while their brain activity was being measured using functional magnetic resonance imaging. Remarkably, when the echolocation recordings were played back to the blind experts, not only did they perceive the objects based on the echoes, but they also showed activity in those areas of their brain that normally process visual information in sighted people, primarily the primary visual cortex or V1. This result is surprising, as visual areas are normally only active during visual tasks. The brain areas that process auditory information were no more activated by sound recordings of outdoor scenes containing echoes than they were by sound recordings of outdoor scenes with the echoes removed. Importantly, when the same experiment was carried out with sighted people who did not echolocate, these individuals could not perceive the objects and there was no echo related activity anywhere in the brain. This suggests that the cortex of blind echolocators is plastic and reorganizes such that primary visual cortex, rather than any auditory area, becomes involved in the computation of echolocation tasks. Despite this evidence, the extent to which activation in the visual cortex in blind echolocators contributes to echolocation abilities is unclear. He leads blind teenagers hiking and mountain biking through the wilderness, and teaches them how to navigate new locations safely, with a technique that he calls "FlashSonar". Though at first resistant to using a cane for mobility, seeing it as a "handicapped" device, and considering himself "not handicapped at all", Kish developed a technique using his white cane combined with echolocation to further expand his mobility. He is able to distinguish a metal fence from a wooden one by the information returned by the echoes on the arrangement of the fence structures; in extremely quiet conditions, he can also hear the warmer and duller quality of the echoes from wood compared to metal.

Бен Андервуд

Бен Андервуд был слепым американцем, родившимся 26 января 1992 года в Риверсайде, штат Калифорния. В возрасте двух лет у него диагностировали рак сетчатки, и в три года ему удалили глаза. В пять лет он самостоятельно освоил эхолокацию, научившись определять местоположение предметов, издавая частые щелкающие звуки языком. Этот случай был описан в программе «20/20: Медицинские тайны». Он использовал эхолокацию для таких занятий, как бег, игра в баскетбол, езда на велосипеде, катание на роликовых коньках, игра в футбол и катание на скейтборде. Детский офтальмолог Андервуда утверждал, что он был одним из самых умелых людей, использующих эхолокацию. Он вдохновил других слепых людей последовать его примеру. Он скончался в 2009 году от рака.

Лоуренс Скадден

Лоуренс Скадден потерял зрение в детстве из-за болезни, но научился настолько хорошо использовать эхолокацию, что мог ездить на велосипеде в городском трафике. (Его родители полагали, что у него сохранилось некоторое зрение.) В 1998 году он дал интервью в Лаборатории слуховой нейроэтологии Университета Мэриленда, рассказав о своем опыте использования эхолокации.

Лукас Мюррей

Лукас Мюррей из Пул, графство Дорсет, родился слепым и является одним из первых британцев, освоивших человеческую эхолокацию, обучившись у Дэниела Киша. Родители Лукаса увидели документальный фильм о том, как Дэниел Киш обучает Бена Андервуда эхолокации. Через несколько месяцев они узнали, что Дэниел собирается посетить шотландский благотворительный фонд "Visibility" и связались с ним. Киш обучил пятилетнего Лукаса основам эхолокации за четыре дня. К семи годам Лукас достиг достаточной квалификации, чтобы не только точно определять расстояние до предметов, но и их материал, и мог играть с другими детьми в такие виды спорта, как скалолазание и баскетбол. В 2019 году он прошел недельную стажировку в компании South Western Railway.

Кевин Уорвик

Ученый Кевин Уорвик экспериментировал с введением ультразвуковых импульсов в мозг (через электрическую стимуляцию с помощью нейронного импланта) как дополнительного сенсорного канала. В ходе тестов он смог точно определять расстояние до объектов и обнаруживать их незначительные перемещения.

Хуан Руис

С рождения слепой Хуан Руис живет в Лос-Анджелесе, штат Калифорния. Он появился в первом эпизоде шоу Стэна Ли «Суперлюди» под названием «Электро-Человек». В эпизоде было показано, как он умеет ездить на велосипеде, обходя припаркованные машины и другие препятствия, а также определять местоположение находящихся рядом предметов. Он вошел в пещеру и вышел из нее, определив ее длину и другие характеристики.

В популярных СМИ

В видеоигре Perception 2017 года игрок берет на себя роль слепой женщины, которая должна использовать эхолокацию для ориентирования в пространстве. В фильме 2012 года «Представьте себе» главный герой обучает эхолокации студентов в клинике для людей с нарушениями зрения. Этот нестандартный метод вызывает споры, но помогает ученикам познавать мир. В детском фэнтезийном романе 2007 года «Грегор и Кодекс когтя» главный герой Грегор осваивает эхолокацию. Этот навык оказывается полезным в борьбе в Подземье — подземной цивилизации, являющейся основным местом действия книги. Персонаж Marvel, Сорвиголова, — супергерой, который использует свои обостренные чувства в сочетании с эхолокацией, чтобы воспринимать мир с необычайной детализацией.