先天的に盲目の男性は、目を使わずに飛んでくるボールを「見る」ことができる

制作：中国科学普及協会

プロデューサー: 張淑玉

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

目が回復不能な損傷を受けた後でもまだ見えるでしょうか?

神経科学は、生まれつき目の見えない人が目に頼らずに「物を見る」ことを学ぶことができる特別な才能が脳にあることを発見した。

画像出典: veer gallery

先天性盲人は「マッサージチェア」に横たわって、飛んでくるボールを「見る」こともできる

1969年、『ネイチャー』誌は、目の見えない人の背中を「マッサージ」することで物が「見える」ようになる非常に奇妙な装置を詳細に説明したSF論文を掲載した。

実験シナリオを復元してみましょう。

生まれつき目が見えず、何の視覚経験もなかった男性が歯科椅子に横たわっている。彼の隣にはズームレンズ付きの旧式のビデオカメラが取り付けられていた。

セラピストは手回しハンドルを使ってカメラを動かし、視覚障害者の目の前の光景をスキャンします。生成された画像は患者の後ろにある機器に送信され、機器は処理された視覚信号を治療椅子の背面にある刺激ポイントマトリックスに送信します。

具体的には、シーンの光が弱い部分に対応するマトリックス刺激ポイントが振動し、光の強い部分は振動しません。これらのタッチポイントは、マッサージチェアのように、視覚障害者の背中の皮膚を直接刺激します。

バッハ・リタが発明した「視覚を助ける魔法の道具」。写真のレンズの位置は人間の目の遠近感をシミュレートしており、これにより視覚障害者は目の前の物体を認識できるようになります（画像出典：参考文献2）

20～40時間の集中的な訓練の後、不思議なことが起こりました。盲人は垂直線、斜線、曲線などのさまざまな線を区別できるようになっただけでなく、円、長方形、三角形などの一般的な幾何学的形状も認識できるようになったのです。

カメラの操作方法を習得すると、視覚障害者はズームレンズを通して部屋のさまざまな場所を狙い、電話、椅子、カップなどのさまざまな物体（部分的に隠れている場合でも）を識別し、それらの位置関係を説明できるようになります。

徐々に、彼らは目の前の三次元空間を認識し始めました。

物体の距離によって画像のサイズが変わることがあります。

物体を異なる視点から見ると、その形は歪みます。

物体の逆光側は影などを映します。誰かがカメラに向かってボールを投げたら、盲人は自然に避けるでしょう。

この「触覚視覚」装置の助けを借りて、視覚障害者は顔（スーパーモデルなど）を認識することさえできるようになりました。

さらに驚くべきは、キャラクターの外見や行動の変化も「観察」できるということです。

たとえば、ある女性について次のように説明します。「彼女は今日、長い髪を下ろしていて、眼鏡をかけていません。右手を頭の後ろで動かしています。」

刺激ドットマトリックスの振動パターンは、監視オシロスコープに 2 次元画像を投影します。

画像には人間の顔が写っています。長期にわたる訓練により、視覚障害者は同様の複雑さの触覚パターンを認識できるようになる（画像出典：参考文献2）

背中を刺激するとなぜ脳が「見る」ことができるのでしょうか?

この研究の主担当者であるポール・バッハ・リタ氏は、杖を使う盲人について詳細な観察と研究を行ってきました。目の見えない人が歩くとき、杖を前後に振ります。棒の先端は皮膚の触覚受容器を介して視覚障害者に道路状況を伝えます。

バッハ＝リタは深い感銘を受けました。杖は、目の見えない人と物体の間の「インターフェース」として見ることができるのです。杖の圧力や手への感触から、部屋のレイアウトなどの空間情報を形成できます。

したがって、手の皮膚とその触覚受容器は情報収集ステーションのような役割を果たします。これらは網膜の代わりとして機能し、脳内で画像を形成することを可能にします。

「マッサージチェア」は、視覚障害者が同様に「見る」ことを可能にします。簡単に言えば、見るのは目ではなく脳です。

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適応力のある脳

バッハ＝リタの将来的な実験の結果は「感覚代行」の理論を裏付けた。

具体的には、視覚機能を担う重要な神経経路を指します。これらが壊れたりブロックされたりする場合には、脳は迂回することになります。

触覚を制御する神経経路は視覚認識ではほとんど使用されていませんが、今では代替手段として機能し、「物を見る」役割を果たすことができます。脳も「すべての道はローマに通ず」と理解しているようです。

実際、脳は暗い頭蓋骨の中にあるデコーダーのようなものです。外界からのさまざまな感覚情報が伝達されると、それが光子、空気の圧縮波、分子濃度、圧力、質感、温度のいずれであっても、それらは脳内で共通言語である電気化学信号に均一に変換されます。

この暗い劇場での生化学反応が、私たちの現実認識のすべてを形作っているのです。

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たとえ知覚された信号が通常とは異なる感覚神経経路から来たものであったとしても、脳は課題に立ち向かい、常に新しい信号を学習し理解することで感覚知覚を再編成します。

これは何百万年にもわたる生物学的進化のおかげであり、その進化によって脳は適応力の「達人」となったのです。腐敗を魔法に変える超学習能力は、人間の脳神経の柔軟な可塑性から生まれます。

バッハ・リタは、脳神経細胞の可塑性をリハビリテーション医学に応用する先駆者です。

「マッサージチェア」に続いて、よりモダンなデザインのものが世の中に登場しました。たとえば、耳に音を伝えたり、小さな振動で額や舌を刺激したりすることで、視覚情報を脳に伝えることができます。目を使わずに「見る」ことができます。一見すると、これは特別な能力のように思えます。しかし、よく考えてみると、これも脳の正常な機能の結果なのです。

偶然にも、聴覚は耳に頼る必要はありません。

世界に「耳を傾ける」ための別の方法

神経科学者のデイビッド・イーグルマン氏と彼のチームは、聴覚障害者のための補聴器、可変式超感覚トランスデューサー（VEST、通称「ベスト」）を慎重に設計しました。

「ベスト」には独自のマイクが付いており、外部の音をリアルタイムで知覚的にコード化することができます。

エンコードされた情報は、「ベスト」上のいくつかの小さな振動モーターにマッピングされます。モーターは音の周波数に基づいて動的な振動パターンを起動し、それを胴体全体に伝えます。

ベストの仕組み（画像提供：eagleman.com）

ウェアラブル技術は、携帯電話やタブレットなどのモバイルデバイスでも実行できます。デバイスが環境内の音をキャプチャすると、その信号を Bluetooth 経由でモーターにマッピングします。

移動機器の条件下での「ベスト」の動作原理（上） 「ベスト」の前面と背面（中央）イーグルマンは「ベスト」の着用効果を示しています（下）（画像出典：参考文献3）

「ベスト」から発せられる振動信号に適応することは、新しい言語を学ぶようなものです。当初、これらの外国からの信号は捉えにくいものでした。しかし、十分な訓練を積むと、脳は背中のさまざまな感触を相互比較し、そこからパターンを抽出して、「ベスト」の言語を理解可能な情報に変換することを徐々に学習します。たとえば、脳は単語を特定の振動パターンと一致させることができます。

実験によれば、聴覚障害者は「ベスト」を1日2時間着用することで、1週間以内に他人が話した言葉を正しく綴ることができるようになるという。

イーグルマン氏は、この特許技術は患者を人工内耳手術の侵襲性から救うだけでなく、直接聴覚を体験する可能性も与えると語った。これは、目の見えない人が点字に触れることでその意味を理解するのと似ています。

物語はまだ終わりません。後続のエンジニアたちがまた素晴らしいアイデアを思いつきました!彼らは「ベスト」の核となる技術を小さなブレスレットに凝縮し、「ブンブンという音を出す」という意味の「バズ」という鮮やかな名前を付けました。

リストバンドのインターフェースには、電源スイッチ、ユーザー設定ボタン、マイク、マイクロコントローラーが装備されています。 (画像出典: Neosensory.com)

ブレスレットは小さいですが、機能は充実しています。周囲の音を捉えるマイク、4 つの振動モーター、高度な信号処理システムを搭載しています。このシステムはベストのように、音から触覚へのアルゴリズムを通じて外部信号をエンコードし、それをモーターから出力される動的な振動パターンに変換することができます。

マイクで捉えられた音声信号はマイクロコントローラによって処理され、4 つのモーターから出力されるさまざまな振動パターンに変換されます。各振動点は8.2mmX8.5mmの長方形領域です（画像出典：参考1）

振動刺激ポイントが 4 つしかないブレスレットでも、十分な触覚信号を伝えることができますか?

研究チームは、難聴や重度の聴力低下を患う18人の患者を1か月間観察した。この期間中、日常生活では、患者はブレスレットを 1 日少なくとも 4 時間着用しました。ブレスレットを装着した最初の日から、患者は2週間ごとに一連の検査を受けます。

データは、患者が単語の音声によって生成されるさまざまな振動パターンを区別することを学習できることを示しました。また、似ているが異なる単語の振動パターンを認識することもできました。

さらに研究を進めると、患者は日常生活の中で音を認識することも学べることが判明した。学習教材は、赤ちゃんの泣き声、車のクラクション、目覚まし時計、拍手など14のカテゴリーを網羅しています。

装着日数とともに認識能力が向上していくのが嬉しいですね。

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着用者がブレスレットの機能に慣れるにつれて、周囲の音の世界を徐々によく認識できるようになることが判明しました。

美しい物語は続きます。このブレスレットが、より多くの聴覚障害者に希望をもたらすことができると信じています。

腐敗を魔法に変えることのできる、人間の脳に特有のこの学習能力は、限られた感覚知覚にまったく新しい可能性をもたらします。

参考文献:

1. ペロッタ、MV、アスゲイルスドッティル、T、およびイーグルマン、DM。 （2021年）。皮膚の振動パターンから音を解読します。神経科学（4）。

2. Bach-Y-Rita, P.、Collins, CC、Saunders, FA、White, B.、Scadden, L. (1969)。触覚画像投影による視覚代替。ネイチャー、221、963-964。

3. ノビッチSD、イーグルマンDM。 （2014年）。聴覚障害者および重度聴覚障害者のための振動触覚感覚代替装置。 2014 IEEE ハプティクスシンポジウム (HAPTICS)。 IEEE。

4. ノーマン・ドイチュ『Reshape Your Brain, Reshape Your Life』（2015年）、China Machine Press

5. 脳の物語 デイビッド・イーグルマン著 (2019) 浙江教育出版社

6. 人間に新しい感覚を作り出すことはできるでしょうか? | TED

7. https://www.ted.com/talks/david_eagleman_can_we_create_new_senses_for_humans/transcript? language=zh-cn