Войти
Сенсорная замена - это изменение характеристик одной сенсорной модальности на стимулы другой сенсорной модальности.
Система сенсорной замены состоит из трех частей: сенсора, системы сопряжения и стимулятора. Датчик регистрирует стимулы и передает их системе сопряжения, которая интерпретирует эти сигналы и передает их на стимулятор. В случае, если датчик получает сигналы вида, изначально недоступного для носителя, это случай сенсорного увеличения. Сенсорное замещение касается человеческого восприятия и пластичности человеческого мозга; и, следовательно, позволяет нам больше изучать эти аспекты нейробиологии с помощью нейровизуализации.
Системы сенсорной замены могут помочь людям, восстанавливая их способность воспринимать определенную дефектную сенсорную модальность, используя сенсорную информацию из функционирующей сенсорной модальности.
Идея сенсорного замещения был введен в 80-е годы Полом Бах-и-Ритой как средство использования одной сенсорной модальности, в основном действия, для получения информации об окружающей среде, которая будет использоваться другой сенсорной модальностью, в основном видение. После этого вся эта область обсуждалась Хаим-Мейером Шеффом в «Экспериментальной модели для изучения изменений в организации обработки сенсорной информации человека посредством разработки и тестирования неинвазивных протезных устройств для людей с сенсорными нарушениями». Первая система сенсорного замещения была разработана Bach-y-Rita et al. как средство пластичности мозга у врожденно слепых людей. После этого исторического изобретения сенсорная замена стала основой многих исследований перцептивной и когнитивной нейробиологии. С тех пор сенсорная замена внесла свой вклад в изучение функций мозга, познания и реабилитации человека.
Когда человек становится слепым или глухим, он обычно не теряет способность слышать или видеть; они просто теряют способность передавать сенсорные сигналы с периферии (сетчатка для видений и улитка для слуха) в мозг. Поскольку пути обработки зрения все еще не повреждены, человек, который потерял способность извлекать данные из сетчатки, все еще может видеть субъективные изображения, используя данные, собранные с помощью других сенсорных модальностей, таких как прикосновение или слух.
В обычном режиме В зрительной системе данные, собранные сетчаткой, преобразуются в электрический стимул в зрительном нерве и передаются в мозг, который воссоздает изображение и воспринимает его. Поскольку за окончательное восприятие отвечает мозг, сенсорная замена возможна. Во время сенсорной замены неизменная сенсорная модальность передает информацию в области зрительного восприятия мозга, чтобы человек мог воспринимать зрение. При сенсорном замещении информация, полученная от одной сенсорной модальности, может достигать структур мозга, физиологически связанных с другими сенсорными модальностями. Сенсорная замена от прикосновения к визуальному передает информацию от сенсорных рецепторов в зрительную кору для интерпретации и восприятия. Например, с помощью фМРТ можно определить, какие части мозга активируются во время сенсорного восприятия. У слепых людей видно, что, хотя они получают только тактильную информацию, их зрительная кора также активируется, когда они воспринимают зрительные объекты. Также возможна сенсорная замена прикосновением, при которой информация от сенсорных рецепторов одной области тела может использоваться для восприятия прикосновения в другой области. Например, в одном эксперименте Бах-и-Рита сенсорное восприятие удалось восстановить у пациента, потерявшего периферические ощущения из-за проказы.
Для достижения сенсорного восприятия Замещение и стимуляция мозга без неповрежденных органов чувств для передачи информации, для передачи сигналов могут использоваться машины, а не органы чувств. Этот интерфейс мозг-машина собирает внешние сигналы и преобразует их в электрические сигналы, которые мозг интерпретирует. Как правило, камера или микрофон используются для сбора визуальных или слуховых стимулов, которые используются для замены потерянного зрения и слуха соответственно. Визуальные или слуховые данные, собранные с датчиков, преобразуются в тактильные стимулы, которые затем передаются в мозг для визуального и слухового восприятия. Этот и все виды сенсорной замены возможны только из-за нейропластичности.
Пластичность мозга означает способность мозга адаптироваться к изменяющейся среде, например, к отсутствию или ухудшению чувство. Вполне возможно, что переназначение коры или реорганизация в ответ на потерю одного чувства может быть эволюционным механизмом, который позволяет людям адаптироваться и компенсировать это за счет лучшего использования других органов чувств. Функциональная визуализация врожденно слепых пациентов показала кросс-модальное рекрутирование затылочной коры во время перцептивных задач, таких как чтение Брайля, тактильное восприятие, осязательное распознавание объектов, локализация звука и звуковая дискриминация. Это может означать, что слепые люди могут использовать свою затылочную долю, обычно используемую для зрения, для восприятия объектов с помощью других сенсорных модальностей. Эта кросс-модальная пластичность может объяснить часто описываемую тенденцию слепых людей проявлять повышенные способности в других органах чувств.
Принимая во внимание физиологические аспекты сенсорного восприятия. замены, важно различать ощущение и восприятие. Общий вопрос, связанный с этой дифференциацией, заключается в следующем: видят ли слепые или воспринимают, чтобы видеть, собирая вместе различные сенсорные данные? В то время как ощущения бывают одной модальности - зрительной, слуховой, тактильной и т. Д. - восприятие за счет сенсорной замены - это не одна модальность, а результат кросс-модальных взаимодействий. Таким образом, можно сделать вывод, что, хотя сенсорная замена зрения вызывает у зрячих людей зрительное восприятие, у слепых она вызывает слуховое или тактильное восприятие. Короче говоря, слепые люди воспринимают зрение через прикосновение и прослушивание с сенсорной заменой.
Приложения не только для людей с ограниченными возможностями, но также включают художественные презентации, игры и дополненную реальность. Некоторые примеры - замена визуальных стимулов звуковыми или тактильными, а звуковые стимулы - тактильными. Одними из самых популярных, вероятно, являются «Сенсорная замена тактильного зрения» Пола Бах-и-Риты (TVSS), разработанная совместно с Картером Коллинзом в компании «Видение со звуком» (The vOICe). Технические разработки, такие как миниатюризация и электростимуляция, помогают продвижению устройств сенсорной замены.
В системах сенсорной замены у нас обычно есть датчики, которые собирают данные из внешней среды. Затем эти данные передаются в систему сопряжения, которая интерпретирует и преобразует информацию, а затем воспроизводит ее на стимулятор. Этот стимулятор в конечном итоге стимулирует функционирующую сенсорную модальность. После тренировки люди учатся использовать информацию, полученную в результате этой стимуляции, чтобы испытать восприятие ощущения, которого им не хватает, вместо фактически стимулированного ощущения. Например, больного проказой, у которого было восстановлено восприятие периферического прикосновения, была надета перчатка, содержащая искусственные контактные датчики, связанные с кожными сенсорными рецепторами на лбу (которые стимулировались). После тренировки и акклиматизации пациент мог воспринимать данные из перчатки, как если бы они исходили от кончиков пальцев, игнорируя ощущения во лбу.
Чтобы понять тактильную сенсорную замену Важно понимать некоторые основы физиологии тактильных рецепторов кожи. Существует пять основных типов тактильных рецепторов: тельце Пачини, тельце Мейснера, окончания Руффини, нервные окончания Меркеля и свободные нервные окончания. Эти рецепторы в основном характеризуются тем, какой тип стимулов лучше всего их активирует, и скоростью их адаптации к устойчивым стимулам. Из-за быстрой адаптации некоторых из этих рецепторов к устойчивым раздражителям, эти рецепторы требуют быстро изменяющихся систем тактильной стимуляции для оптимальной активации. Среди всех этих механорецепторов тельце Пачиниана обеспечивает наивысшую чувствительность к высокочастотной вибрации от нескольких десятков Гц до нескольких кГц с помощью специального механизма трансдукции.
Было два разных типы стимуляторов: электротактильный или вибротактильный. Электротактильные стимуляторы используют прямую электрическую стимуляцию нервных окончаний в коже для инициирования потенциалов действия; вызванное ощущение, жжение, зуд, боль, давление и т. д. зависит от стимулирующего напряжения. Вибротактильные стимуляторы используют давление и свойства механорецепторов кожи для инициирования потенциалов действия. У обеих систем стимуляции есть преимущества и недостатки. При использовании систем электротактильной стимуляции на вызываемое ощущение влияет множество факторов: стимулирующее напряжение, ток, форма волны, размер электрода, материал, сила контакта, расположение кожи, толщина и гидратация. Электротактильная стимуляция может включать прямую стимуляцию нервов (чрескожно ) или через кожу (). Чрескожная аппликация причиняет пациенту дополнительные неудобства и является основным недостатком этого подхода. Кроме того, стимуляция кожи без введения приводит к необходимости стимуляции высоким напряжением из-за высокого импеданса сухой кожи, если только язык не используется в качестве рецептора, для которого требуется всего около 3% напряжения. Этот последний метод проходит клинические испытания для различных применений и был одобрен для помощи слепым в Великобритании. В качестве альтернативы, верхняя часть рта была предложена в качестве еще одной области, где можно почувствовать слабые токи.
Электростатические массивы исследуются как устройства взаимодействия человека и компьютера для сенсорных экранов. Они основаны на явлении, называемом электровибрации, которое позволяет ощущать токи уровня микроамперра как шероховатость на поверхности.
Вибротактильные системы используют свойства механорецепторов в коже, поэтому они имеют меньше параметры, которые необходимо контролировать по сравнению с электротактильной стимуляцией. Однако системы вибротактильной стимуляции должны учитывать быструю адаптацию тактильных ощущений.
Другим важным аспектом систем тактильной сенсорной замены является расположение тактильной стимуляции. Тактильных рецепторов много на кончиках пальцев, лице и языке, но мало на спине, ногах и руках. Важно принимать во внимание пространственное разрешение рецептора, поскольку оно оказывает большое влияние на разрешение сенсорной замены. Дисплей высокого разрешения с матричными выводами может отображать пространственную информацию с помощью тактильных символов, таких как карты городов и карты препятствий.
Ниже вы можете найти некоторые описания текущих систем тактильной замены.
Одной из самых ранних и наиболее известных форм устройств сенсорной замены была система TVSS Пола Бах-и-Риты, которая преобразовывала изображение с видеокамеры в тактильное изображение и объединяла к тактильным рецепторам на спине его слепого объекта. Недавно было разработано несколько новых систем, которые связывают тактильное изображение с тактильными рецепторами на различных участках тела, таких как грудь, лоб, кончики пальцев, живот и лоб. Тактильный образ создают сотни активаторов, помещенных на человека. Активаторы представляют собой соленоиды диаметром один миллиметр. В экспериментах слепые (или с завязанными глазами ) испытуемые, оснащенные TVSS, могут научиться распознавать формы и ориентироваться. В случае простых геометрических фигур потребовалось около 50 попыток для достижения 100-процентного правильного распознавания. Чтобы идентифицировать объекты в разной ориентации, требуется несколько часов обучения.
Система, использующая язык как человеко-машинный интерфейс, наиболее практична. Интерфейс язык-машина защищен закрытым ртом, а слюна во рту обеспечивает хорошую электролитическую среду, которая обеспечивает хороший контакт электродов. Результаты исследования Bach-y-Rita et al. показывают, что для электротактильной стимуляции языка требуется 3% напряжения, необходимого для стимуляции пальца. Кроме того, поскольку ортодонтический фиксатор, удерживающий систему стимуляции, более практичен, чем устройство, прикрепленное к другим частям тела, интерфейс язык-машина более популярен среди систем TVSS.
Эта система TVSS языка работает, доставляя электротактильные стимулы к тыльной стороне языка через гибкую электродную матрицу, помещенную во рту. Эта электродная решетка подключается к устройству отображения языка [TDU] через ленточный кабель, выходящий изо рта. Видеокамера записывает картинку, передает ее в TDU для преобразования в тактильное изображение. Затем тактильное изображение проецируется на язык через ленточный кабель, где рецепторы языка улавливают сигнал. После обучения испытуемые могут связывать определенные типы стимулов с определенными типами визуальных образов. Таким образом, тактильные ощущения можно использовать для визуального восприятия.
Сенсорная замена также оказалась успешной с появлением носимых тактильных приводов, таких как вибротактильные двигатели, соленоиды, диоды Пельтье и т. Д. В Университете штата Аризона исследователи разработали технологии, которые позволяют людям которые слепы, чтобы воспринимать социальную ситуационную информацию, используя носимые вибротактильные ремни (Haptic Belt) и перчатки (VibroGlove). Обе технологии используют миниатюрные камеры, которые устанавливаются на очки, которые носит слепой пользователь. Тактильный пояс обеспечивает вибрации, которые передают направление и расстояние, на котором человек стоит перед пользователем, в то время как VibroGlove использует пространственно-временное сопоставление моделей вибрации для передачи выражения лица партнера по взаимодействию. В качестве альтернативы было показано, что даже очень простые сигналы, указывающие на присутствие или отсутствие препятствий (через небольшие модули вибрации, расположенные в стратегических местах тела), могут быть полезны для навигации, стабилизации походки и снижения беспокойства при эволюции в неизвестном пространстве. Этот подход, получивший название «тактильный радар», изучается с 2005 года исследователями из Университета Токио в сотрудничестве с Университетом Рио-де-Жанейро. Подобные продукты включают жилет и пояс Eyeronman, а также систему сетчатки на лбу.
Нейробиолог Дэвид Иглман представил на TED в 2015 году новое устройство для слуха «звук на ощупь»; его лабораторные исследования затем расширились до компании Neosensory, базирующейся в Пало-Альто, Калифорния. Неосенсорные устройства улавливают звук и превращают его в многомерные модели прикосновения к коже.
Эксперименты Schurmann et al. показывают, что тактильные ощущения могут активировать слуховую кору человека. В настоящее время вибротактильные стимулы могут использоваться для улучшения слуха у нормальных и слабослышащих людей. Чтобы проверить слуховые области, активируемые прикосновением, Schurmann et al. испытуемые испытуемые стимулировали пальцы и ладони с помощью всплесков вибрации, а кончики пальцев - с помощью тактильного давления. Они обнаружили, что тактильная стимуляция пальцев приводит к активации области слухового пояса, что предполагает связь между слухом и тактикой. Таким образом, в будущем можно будет провести исследование для изучения вероятности системы тактильно-слуховой сенсорной замены. Одним из многообещающих изобретений является «синтезатор органов чувств», который направлен на обеспечение нормального диапазона слуха в девять октав через 216 электродов в последовательные зоны сенсорного нерва, расположенные рядом с позвоночником.
Некоторые люди с нарушением баланса или побочными реакциями на антибиотики страдают двусторонним вестибулярным повреждением (BVD). Они испытывают трудности с сохранением осанки, неустойчивой походкой и осциллопсией. Тайлер и др. изучали восстановление постурального контроля с помощью тактильного замещения вестибулярных сенсорных органов. Поскольку пациенты с BVD не могут интегрировать визуальные и тактильные сигналы, им очень трудно стоять. С помощью закрепленного на голове акселерометра и интерфейса мозг-машина, который использует электротактильную стимуляцию языка, информация об ориентации головы и тела передавалась пациенту, чтобы появился новый источник данных для ориентации и ориентации. поддерживать хорошую осанку.
Сенсорная замена прикосновения - это когда информация от сенсорных рецепторов одной области может использоваться для восприятия прикосновения в другой. Например, в одном эксперименте Бах-и-Риты сенсорное восприятие было восстановлено у пациента, который потерял периферические ощущения из-за проказы. Например, этот больной проказой был снабжен перчаткой, содержащей искусственные контактные датчики, соединенные с кожными сенсорными рецепторами на лбу (которые стимулировались). После тренировки и акклиматизации пациент мог воспринимать данные от перчатки, как если бы они исходили из кончиков пальцев, игнорируя ощущения во лбу. После двух дней обучения один из испытуемых с проказой сообщил о «чудесном ощущении прикосновения к жене, которое он не мог испытывать в течение 20 лет».
Развитие новых технологий сделало возможным предоставить пациентам протезы рук с тактильной и кинестетической чувствительностью. Хотя это не чисто сенсорная система замещения, она использует те же принципы для восстановления восприятия чувств. Некоторыми методами тактильной обратной связи для восстановления восприятия прикосновения к инвалидам могут быть прямая или микростимуляция афферентов тактильных нервов.
Другие применения систем сенсорной замены можно увидеть в функциональных роботизированных протезах для пациентов с квадриплегией высокого уровня. Эти роботизированные руки имеют несколько механизмов обнаружения проскальзывания, вибрации и текстуры, которые они передают пациенту через обратную связь. После дополнительных исследований и разработок информация от этих рук может быть использована пациентами, чтобы понять, что они держат объекты и манипулируют ими, в то время как их роботизированная рука фактически выполняет задачу.
Системы слуховой сенсорной замены, такие как системы тактильной сенсорной замены, стремятся использовать одну сенсорную модальность, чтобы компенсировать отсутствие другой, чтобы получить восприятие того, чего не хватает. С помощью слуховой сенсорной замены визуальные или тактильные датчики обнаруживают и сохраняют информацию о внешней среде. Затем эта информация преобразуется интерфейсами в звук. Большинство систем представляют собой замены слухового зрения, направленные на использование слуха для передачи визуальной информации слепым.
«Голос» преобразует изображения камеры в реальном времени с видеокамеры в звуковые ландшафты, паттерны партитур разных тонов с разной громкостью и высотой тона, передаваемые одновременно. Технология vOICe была изобретена в 1990-х годах и использует обычное преобразование видео в аудио путем связывания высоты с высотой тона и яркости с громкостью при сканировании слева направо любого видеокадра.
Пользователь EyeMusic носит миниатюрную камеру, подключенную к небольшому компьютеру (или смартфону), и стереонаушники. Изображения преобразуются в «звуковые ландшафты». Высокие места на изображении проецируются как высокие музыкальные ноты в пентатонике, а низкие вертикальные места как низкие музыкальные ноты.
EyeMusic передает цветовую информацию с помощью различных музыкальных инструментов для каждого из следующих пяти цветов: белый, синий, красный, зеленый, желтый. EyeMusic использует промежуточное разрешение 30 × 50 пикселей.
Этот проект, представленный в 2015 году, предлагает новое универсальное мобильное устройство и метод ультразвуковой обработки, специально разработанный для передвижения людей с нарушениями зрения на пешеходах. Он обрабатывает пространственную информацию в реальном времени из видеопотока, полученного со стандартной частотой кадров. Устройство состоит из миниатюрной камеры, встроенной в оправу очков, которая соединена с мини-компьютером с батарейным питанием, который носится на шее с помощью ремня. Аудиосигнал передается пользователю через наушники. Эта система имеет два режима работы. В первом режиме, когда пользователь неподвижен, обрабатываются ультразвуком только края движущихся объектов. Во втором режиме, когда пользователь движется, края как статических, так и движущихся объектов обрабатываются ультразвуком. Таким образом, видеопоток упрощается за счет выделения только краев объектов, которые могут стать опасными препятствиями. Система позволяет определять местонахождение движущихся объектов, оценивать траектории и обнаруживать приближающиеся объекты.
Еще одним успешным устройством для сенсорной замены зрительного и слухового восприятия является протез, заменяющий зрение для слуха (PSVA). В этой системе используется закрепленная на голове телекамера, которая позволяет в реальном времени в реальном времени переводить визуальные паттерны в звук. Пока пациент перемещается, устройство фиксирует визуальные кадры с высокой частотой и генерирует соответствующие сложные звуки, которые позволяют распознавать. Визуальные стимулы преобразуются в слуховые с помощью системы, которая использует соотношение пикселей и частоты и связывает грубую модель сетчатки человека с обратной моделью улитки.
Звук, производимый этим программным обеспечением, представляет собой смесь синусоидальных звуков, создаваемых виртуальными «источниками», каждый из которых соответствует «воспринимающему полю» в изображении. Каждое воспринимающее поле представляет собой набор локализованных пикселей. Амплитуда звука определяется средней яркостью пикселей соответствующего рецептивного поля. Частота и меж слуховое неравенство определяются центром тяжести координат пикселей рецептивного поля на изображении (см. «Есть кое-что еще: дистальная атрибуция в сенсорной замене, двадцать лет спустя»; Auvray M., Hanneton S., Lenay C., O'Regan K. Journal of Integrative Neuroscience 4 (2005) 505-21). Vibe - это проект с открытым исходным кодом, размещенный на Sourceforge.
В других подходах к замене зрения на слух используются бинауральные направляющие сигналы, во многом аналогичные естественной эхолокации человека. Примером последнего подхода является чип "SeeHear" от Caltech.
Другие устройства визуально-слуховой замены отклоняются от отображения изображений в оттенках серого vOICe. Кромофон Зака Капальбо использует базовый цветовой спектр, соответствующий различным звукам и тембрам, чтобы предоставить пользователям информацию о восприятии, выходящую за пределы возможностей голоса.
С помощью стимулирующих электродов, имплантированных в нервную систему человека, можно подавать импульсы тока, чтобы получатель узнал и надежно распознал их. Кевин Уорвик успешно экспериментально показал, что сигналы от индикаторов силы / касания на руке робота могут использоваться в качестве средства связи.
Утверждалось, что термин «замещение» вводит в заблуждение, поскольку это просто «добавление» или «дополнение», а не замена сенсорной модальности.
Основываясь на исследования, проведенные по сенсорному замещению, исследования возможности увеличения сенсорного аппарата тела сейчас начинаются. Цель состоит в том, чтобы расширить способность тела ощущать аспекты окружающей среды, которые обычно не воспринимаются телом в его естественном состоянии.
Активная работа в этом направлении ведется, в частности, проектами e-sense Открытого университета и Эдинбургского университета, проектом feelSpace Оснабрюкский университет и проект HearSpace в Парижском университете.
Результаты исследований сенсорного увеличения (а также сенсорной замены в целом), которые исследуют появление перцептивный опыт (квалиа) от активности нейронов имеет значение для понимания сознания.
