Аугументация сегодня, смешанные чувства и гаджеты

Как можно видеть языком? Как находить дорогу осязанием? Как управлять самолетом через штаны, придавая буквальный смысл популярному среди летчиков слову «жопомер»? Узнайте, как, пользуясь пластичностью функций мозга, исследователи вторгаются в наши пять чувств и даже добавляют к ним новые.

Санни Бейнз

Пояс с обратной связью "чувство направления"

На шесть странных осенних недель 2004 года Удо Вехтер обрел безошибочное чувство направления. Поутру, приняв душ, Вехтер – системный администратор Оснабрюкского университета в Германии – надевал широкий бежевый пояс с закрепленными на внутренней стороне тринадцатью вибрирующими пластинами на основе тех же маленьких электромоторчиков с эксцентриками, что и вибраторы в мобильных телефонах. На наружной стороне крепились блок питания и датчик магнитного поля Земли, заставлявший вибрировать пластину, обращенную в данный момент к северу – вибрировать безостановочно.

«Поначалу это было странно,» – говорит Вехтер, – «но при езде на велосипеде даже приятно.» Он начал четче осознавать свои блуждания в поисках намеченного пункта назначения: «Я наконец понял, насколько извилисты дороги.» Он научился не обращать внимания на пристальные взгляды, обращенные на него, когда посреди читального зала библиотеки его пояс издавал жужжание наподобие работающей вдалеке бензопилы. Проведя долгое время в эксперименте, Вехтер поделился впечатлениями: «Я вдруг понял, что мое восприятие переменилось. У меня в голове появилась своего рода внутренняя карта города. Я научился всегда находить дорогу домой. В конце концов я почувствовал, что просто не могу заблудиться, даже в совершенно незнакомом месте.»

Действенность пояса «Чувство пространства» (“feelSpace”) – такое имя дал ему его изобретатель Питер Кёниг, оснабрюкский ученый-когнитивист – со временем только усиливалась. По словам Кёнига, ношение пояса давало ему «интуитивное осознание направления на дом или офис. Стоя в очереди в кафетерии, я мог поймать себя на мысли, что живу вот там.» Находясь в Гамбурге, больше чем за полторы сотни километров от дома, Кёниг заметил, что осознает, в каком направлении находится Оснабрюк. А Вехтер, привыкнув наяву к ощущениям перемещающейся вокруг пояса вибрации, чувствовал их же и во сне.

Чувство направления не принадлежит к врожденным чувствам человека – в отличие, например, от некоторых птиц, для которых оно настолько же важно, насколько для нас – вкус или обоняние. Собственно, многие животные обладают неплохими «дополнительными» органами чувств: солнечный окунь видит поляризованный свет, головастая морская черепаха чувствует магнитное поле Земли, а один из видов акулы-молота способен обнаруживать изменения электрического поля с разностью потенциалов менее одного нановольта. У многих других животных привычные нам чувства работают лучше, чем у людей: летучие мыши слышат звук за пределами диапазона частот, слышимых для человека, а некоторые насекомые могут видеть в ультрафиолетовой области спектра.

Какие еще чувства нам доступны через технику

У нас, у людей, чувств всего пять – но почему? Нельзя ли изменить наши чувства, расширить их? Можем ли мы чувствовать электромагнитные поля или слышать ультразвук, пользуясь соответствующими «протезами»? По мнению учетных в ряде лабораторий мира, все это возможно.

Проблема, однако, не в самом восприятии – устройств, способных воспринимать воздействия, недоступные человеческим чувствам, на свете много. Сложность состоит в обработке получаемого сигнала. Принципы интерпретации данных в мозгу недостаточно хорошо изучены нейрофизиологами, и методы непосредственного подключения к мозгу таких устройств, как искусственная сетчатка для зрения или кохлеарный имплантат – для слуха, пока что остаются примитивными.

Впрочем, у проблемы есть решение: достаточно преобразовать нужные нам сенсорные данные – электромагнитное поле, ультразвук, инфракрасное излучение – в сигналы, уже привычные для человеческого мозга – например, осязательные или зрительные. Оказывается, мозг обладает значительно большей гибкостью, чем считалось раньше, словно в нем остаются неиспользованные «входные разъемы» для подключения соответствующих сенсорных устройств. Остается лишь изготовить сами эти устройства.

Как мы воспринимаем мир вокруг нас? Вопрос кажется простым: глаза воспринимают фотоны в определенном диапазоне длин волн и преобразуют их в электрические сигналы, которые направляются в мозг. Уши выполняют ту же операцию с колебаниями воздуха – звуковыми волнами. Кожные рецепторы воспринимают давление, тепло, холод и болевое воздействие. За чувство запаха отвечает взаимодействие различных химических веществ с рецепторами в носу, за вкус – с клетками сосочков языка.

Существует также достаточно известное шестое (или хотя бы «пятое с половиной») чувство – проприоцепция: разветвленная сеть нервов и органы внутреннего уха, передающие в мозг информацию о расположении тела и его отдельных частей и их ориентации. Именно это чувство позволяет нам понять, что мы стоим на голове, или почувствовать поворот автомобиля, сидя на пассажирском месте с закрытыми глазами.

Как реализована обратная связь

Компьютеры воспринимают мир примерно так же, как и мы. Они оснащаются периферийными датчиками, детектирующими, например, излучения, звук или присутствие определенных веществ. Датчик подключается к преобразователю, конвертирующему аналоговые данные окружающего мира в электроны, биты, понятную компьютеру цифровую форму, наподобие процесса записи живой музыки на компакт-диск. Конвертированные данные с преобразователя поступают в компьютер.

Однако еще до реализации этого процесса программисты и инженеры должны принять решение, какие из данных считаются важными, а какими можно пренебречь. Зная максимальную пропускную способность и скорость передачи данных преобразователя и компьютера, они могут ограничить набор передаваемых датчиком сигналов до наиболее важной информации – тогда компьютер «увидит» только то, на что ему предписано обращать внимание.

В отличие от компьютера, мозгу приходится непрерывно интегрировать воедино разные виды информации от «пяти с половиной» органов чувств, лишь затем синтезируя целостную картину окружающего. Таким образом, мозг постоянно принимает решения, на что обращать внимания, какие данные воспринимать в обобщенном или приближенном виде, а какие из них игнорировать полностью. Иными словами, мозг обладает гибкостью – и вот пример.

Другие примеры обратной связи

В феврале этого года группе немецких исследователей удалось подтвердить, что слуховая зона коры головного мозга макак способна обрабатывать и зрительную информацию. Аналогичным образом, зрительная зона коры нашего мозга также способна перерабатывать данные с разнообразными искажениями. Более полувека назад австрийский исследователь Иво Колер выдал участникам своего эксперимента очки, радикально искажающие изображение, переворачивая его вверх ногами. За несколько недель испытуемые смогли приспособиться к ним, научив свой мозг перерабатывать перевернутое изображение и воспринимать его как прямое. В конце эксперимента, сняв очки, участники столкнулись с противоположной ситуацией – изображение в их глазах снова перевернулось.

Позднее, в шестидесятых-семидесятых годах прошлого века, нейрофизиологи Дэвид Хьюбел и Торстен Визель из Гарвардского университета обнаружили, что развитие функций зрительной зоны коры головного мозга у животных обеспечивается восприятием зрительных сигналов в определенном критическом возрасте, за что ученые были удостоены Нобелевской премии в 1981 г. Однако, лишь в конце 1990-х годов было выяснено, что взрослый мозг обладает такой же способностью к перестройке, переориентируя свои нейроны с образованием новых синапсов и изменяя их назначение. Этот процесс называется нейропластичностью.

Открытие не может не радовать специалистов, конструирующих протезы органов чувств – это означает, что мозг способен по-разному интерпретировать информацию от конкретного органа чувств, а также использовать информацию от одного из чувств, интерпретируя ее по правилам другого. Иными словами, это позволяет использовать любой датчик, если конвертировать собираемую им информацию в форму, доступную мозгу для усвоения.

Первые попытки использовать пластичность мозга

Пол Бах-и-Рита сконструировал свой первый «тактильный дисплей» в 1960-х годах. Вдохновленный пластичностью мозга, замеченной им у своего престарелого отца в период выздоровления после инсульта, Бах-и-Рита взялся доказать способность мозга к усвоению разнородной информации. Для этого он встроил в спинку старого зубоврачебного кресла матрицу из металлических штырьков размером 20х20 элементов. Штырьки служили пикселями изображения. Сидящие в кресле люди оказались способны с хорошей точностью распознавать «картинки», создаваемые у них на спине давлением штырьков, фактически используя осязание взамен зрения.

К 1980-м годам команда нейробиологов Бах-и-Риты, ныне располагающаяся в университете Висконсина, уже работала над гораздо более утонченной версией кресла. Бах-и-Рита скончался в прошлом ноябре, но его лаборатория и компания, соорганизатором которой он был, «Вайкэб», по-прежнему используют прикосновения для получения новой сенсорной информации. Давно отказавшись от смутно напоминающего фильм «Марафонец» кресла дантиста, команда теперь использует мундштук, усеянный 144 маленькими электродами. Он присоединяется ленточным кабелем к импульсному генератору, который направляет на язык электрический ток. (Язык, как орган чувств, обладает множеством проходящих через него связей: нервы и осязательные рецепторы, расположенные в тесном соседстве и омываемые проводящей жидкостью – слюной.)

Компенсация нарушенных каналов восприятия

Так какую же информацию они могут проводить? Митч Тайлер, один из ближайших коллег-исследователей Бах-и-Риты, буквально «наткнулся» на ответ в 2000 году, когда страдал инфекцией внутреннего уха. Если у вас было подобное (или случалось похмелье), ощущения вам знакомы: мир Тайлера вращался вокруг своей оси. Полукружные каналы костного лабиринта, где находятся ответственные за ориентацию в пространстве органы чувств внутреннего уха, не работали. «Это был ад, - говорит он. – Я мог стоять прямо только сконцентрировав взгляд на отдаленных объектах». И вот, в один прекрасный трудовой будень, он осознал, что языковой мундштук мог бы помочь.

Команда подсоединила акселерометр к генератору импульсов, запрограммировав его на проецирование маленького квадрата. Оставаясь в прямом положении тела, вы чувствуете квадратик в центре языка; двигайтесь вправо или влево, и квадратик будет двигаться в том же направлении. В этой установке акселерометр является датчиком, а сочетание мундштука и языка – преобразователем и входными воротами в мозг.

Исследователи начали испытывать устройство на людях с повреждениями внутреннего уха. Оно не только помогало восстанавливать равновесие (предположительно, снабжая мозг данными, более чистыми, чем поступавшие от полукружных каналов), но эффект продолжался даже после того, как мундштук убирали – иногда часами или днями.

Успех терапии равновесия, теперь достигнутый и в клинических испытаниях, привел исследователей «Вайкэб» к мысли о других видах данных, которые можно загружать в мундштук. В ходе длительного мозгового штурма искался ответ на вопрос, может ли язык действительно усилить зрение у людей с его нарушениями. Я испытал на себе прототип. В помещении с белыми стенами и грудами электронных элементов нейробиолог «Вайкэб» Эме Арнольдуссен повесила мне пластиковый ящик размером с кирпич на шею и дала мундштук. «Некоторые держат его спокойно, а некоторые сосут как леденец, - сказала она. – Как вам больше нравится».

Арнольдуссен вручила мне пару затемненных очков с крохотной камерой, прикрепленной к дужке. Камера была подключена к ноутбуку, передающему изображения на язык. Видок у меня был чокнутый, но народ в лаборатории уже к такому привык. Она включила прибор. Ничего не случилось. «Те кнопочки на ящике, - сказала она, - Они как ручки громкости, только для изображения. Вы можете их покрутить, чтобы вам было комфортно». Я врубил электрическое напряжение, отозвавшееся электрическими разрядами на моем языке. Ощущения были неплохими – как будто я облизывал контакты маломощной 9-вольтовой батарейки. Арнольдуссен дала мне белый длинный цилиндр из пенистого пластика и развернула мой стул к большому черному прямоугольнику, нарисованному на стене. «Поместите цилиндр напротив черного, чтобы ощутить, что это такое», - сказала она.

И я увидел. Почувствовал. Не важно, в любом случае – я мог сказать, где находится цилиндр. Арнольдуссен за моей спиной держала ноутбук, а я прогуливался по офису «Вайкэба». Мне удалось избежать столкновения с большинством стен и столов – я, как радар, медленно сканировал головой пространство слева и справа, чтобы дать себе более широкое поле зрения. Вызывая в памяти все это, я совершенно не могу припомнить ощущения электродов на моем языке во время прогулки. Все, что я помню, это картинки: высококонтрастные изображения кубических стен и офисных дверей, как будто я видел их собственными глазами. Группа Тайлера не проводила исследования мозговых картинок, позволяющее понять, почему возникает такой эффект – они не знают, обрабатывал ли мой зрительный отдел мозга информацию, поступающую с языка, или работу выполнял какой-то другой отдел.

Позднее я опробовал другую версию технологии, предназначенную для ныряльщиков. На язык помещается набор направленных символов, предназначенных сообщать мне, в какую сторону плыть. Пульсирующий треугольник справа означал бы «поверните направо», вертикальные полосы, движущиеся направо, предписывали «переместиться вправо, а затем продолжать двигаться прямо», и так далее. В лаборатории университета Висконсина Тайлер снабдил меня прототипом джойстика и компьютерного экрана, отображающего рудиментарный лабиринт. Ударяясь о виртуальные стены, я попросил Тайлера спрятать окно в лабиринте, закрыл глаза и успешно прошел два пятнадцатиминутных маршрута. Меня не покидало ощущение, будто в моей голове завелся некто, магически говоривший мне, в каком направлении двигаться.

Обратная связь в авиации

В 1970-х годах история продолжается. Врач авиации ВМС по имени Ангус Руперт отправился в затяжной прыжок с парашютом голым. По мере спуска вниз в (очень) свободном падении, он осознал, что даже с закрытыми глазами мог понять, что несется в направлении земли, только благодаря ощущению ветра на коже (ну и кое-что болталось). Он совершенно не мог чувствовать земное притяжение.

Этот опыт заронил в Руперте идею «Тактической системы обеспечения ситуационной осведомленности» (TSAS) – подходящее крутое имя для жилета, нагруженного вибрирующими элементами, во многом похожего на пояс «feelSpace». Но TSAS не говорит, где север, она вам сообщает, в каком направлении низ.

В самолете проприоцептивная система человека легко приходит в замешательство. За счет ускорения свободного падения самолет мог разворачиваться перпендикулярно земле, но при этом у пилота сохранялось ощущение, будто он идет горизонтально. В ясный день визуальные ориентиры позволяют мозгу пилота корректировать ошибки. Но в темноте пилот, неправильно истолковавший показания приборов, может попасть в опасную нисходящую спираль. Между 1990 и 2004 годами 11 процентов аварий военно-воздушных сил США – и почти четверть ночных катастроф – произошли по причине потери пространственной ориентировки.

Технология TSAS могла бы помочь решить эту проблему. Том Шнелл, директор лаборатории эргономики операторской деятельности университета Айовы, в действительности представляющей собой ангар на небольшом аэродроме в Айова-сити, продемонстрировал мне одежду нового поколения, «Систему улучшения пространственной ориентации» SOES.

Прежде всего мы вводим исходные данные. Шнелл посадил меня перед навороченным летным симулятором OPL и заставил пролететь пару раз над виртуальными горами, стараясь придерживаться «тропинки» в небе. Это было ужасно – угол моего разворота постоянно превышал норму. Разумеется, я врезался в гору. Затем он принес свою SOES – переплетение твердого пластика, резинок и липучек, которые обернулись вокруг моей руки и торса, натянув вибрирующие элементы, называемые тактильными стимуляторами, или такторами. «Ноги не участвуют, - сказал Шнелл, - но они и так никогда особо не помогают».

Полет стал интуитивно понятным. Когда самолет отклонялся вправо, мое правое запястье начинало вибрировать – затем локоть, затем плечо, по мере нарастания угла наклона. Моя рука словно погружалась и погружалась во что-то. Чтобы выровняться, я просто подвигал джойстиком до тех пор, пока жужжание не прекратилось. Я закрыл глаза, чтобы можно было не обращать внимания на экран. В конце концов Шнелл ввел тренажер в пикирование. Он сказал, что даже если я останусь с открытыми глазами, экран мне не поможет, потому что визуальные сигналы будут недостаточны, однако с жилетом я никогда не потеряю ощущение ориентирования самолета. Я почти перестал замечать жужжание на руках и груди, я просто знал, где нахожусь и куда двигаюсь. Я вытянул самолет!

Если обратная связь пропадает

Когда оригинальный эксперимент с «feelSpace» закончился, Вехтер, сисадмин, начавший спать головой на север, сказал, что почувствовал себя потерянным, как и те участники австрийского эксперимента с перевернутыми очками, - его мозг перестроился в ожидании новой информации. «Иногда я даже чувствовал фантомное жужжание.» Он купил себе прибор GPS, на который теперь одержимо взирает. Одна из участниц эксперимента была настолько дезориентирована и чувствовала головокружение в течение двух первых дней после окончания использования «feelSpacе», что коллеги хотели отправить ее с работы домой. «Мое жизненное пространство моментально сжалось, - говорит Кениг, - Мир стал казаться меньше и хаотичнее.»

Я носил пояс «feelSpace» всего лишь сутки или около того – недостаточно долго, чтобы мой мозг перестроился. На самом деле, больше всего я, смуглолицый мужчина в широком поясе, напичканном проводками и батарейками, волновался, что буду по ошибке принят за террориста-самоубийцу, разгуливающего по центру Оснабрюка. Интригующие реакции тех, кто долгое время носил «feelSpace», являются характеристиками проблем, с которыми сталкиваются исследователи, вторгающиеся в пересечения различных модальностей восприятия. Пока никто не провел изучение образов, а области мозга, интегрирующие чувства, до сих пор не обозначены.

К успеху еще идти и идти. Текущее состояние сенсорных протезов – громоздких и обладающих низким разрешением – делает их малоприменимыми. Чего хотят добиться исследователи, работающие с этой технологией? Изобрести что-то неощутимое, что-то, прикрепленное к телу, о чем пользователи могли бы безопасно забыть. Но сенсорная технология – это не основная проблема. Фишкой будет окончательное понимание того, как мозг обрабатывает информацию, когда видит мир многими, разными видами глаз.

Sunny Bains (www.sunnybains.com/blog) писал о самочинящихся микромашинах в статье 13.09.

http://www.wired.com/wired/archive/15.04/esp_pr.html

Перевод: Этан Лернер и Анна Семенова