Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2023/2024.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

От нарушений зрения страдает огромное количество людей, эту проблему сложно недооценить. Согласно статистике ВОЗ, около 2 млрд людей сталкиваются с нарушениями зрения разной степени. Потеря зрения — это не просто утрата способности видеть, это радикальное изменение в способе взаимодействия с миром. Потеря зрения значительно влияет на жизнь, ведь большинство информации мы получаем именно в визуальной форме.

Незрячие люди ежедневно сталкиваются со множеством неудобств: от трудностей при выполнении повседневных дел до сложностей в социальных коммуникациях. Однако одной из самых острых проблем является невозможность самостоятельно ориентироваться в пространстве. Несмотря на развитие технологий и создание новых аппаратов для помощи незрячим, многие из них все еще вынуждены использовать непрактичные и неудобные инструменты. Именно в этот момент в истории появляется Дэниел Киш — человек, который открыл новые горизонты для тысяч людей, предоставив им невероятную способность «видеть» с помощью звука и эхолокации.

В статье рассказываются необычные и вдохновляющие истории незрячих людей, которые научились ориентироваться в пространстве, используя слух. Этих людей можно считать настоящими «Бэтменами», способными адаптироваться и преодолевать трудности, несмотря ни на что. Дэниел Киш разработал собственную методику FlashSonar, которая позволила сотням людей обрести безопасность и независимость в передвижении. Мы расскажем вам об этих необыкновенных людях и о FlashSonar, которая изменила их жизни навсегда.

Ориентация в пространстве

Ориентация в пространстве — это определение человеком своего местоположения. Зрение обеспечивает получение визуальной информации, которая составляет около 80% от всей сенсорной информации, необходимой для ориентации в пространстве [1]. Человек, утративший зрение, испытывает сложности при навигации и определении расположения окружающих его объектов, из-за чего он вынужден использовать другие способы восприятия, например, осязание, обоняние и слух. Результаты некоторых экспериментов подтверждают, что у людей, потерявших зрение, осязание [2] и тактильное восприятие вибраций [3] развито лучше, чем у испытуемых без нарушений зрения. Однако вопрос все еще исследуется, и существуют статьи, опровергающие эти данные [4]. Эти возможности часто оказываются недостаточными для полноценной самостоятельной ориентации в пространстве, поэтому люди с нарушениями зрения прибегают к использованию дополнительных инструментов. Рассмотрим самые известные и используемые из них: собак-поводырей и трости.

Собаки-поводыри помогали людям с нарушениями зрения на протяжении десятилетий; большое распространение они получили после Первой Мировой войны. Ветераны, потерявшие зрение частично или полностью, нуждались в помощи для поддержания привычного уровня жизни. Впервые собак для реабилитации людей с нарушениями зрения стали использовать в Германии, но уже в 1929 году Дороти Юстис и Морис Франк основали школу The Seeing Eye guide в США. Морис, потерявший зрение будучи подростком, даже путешествовал по США со своей собакой для демонстрации степени свободы и самостоятельности, которую могут получить незрячие люди, если приобретут собаку-поводыря [5]. Другим аргументом в пользу приобретения собаки-поводыря может стать то, что некоторые ученые заявляют о благоприятном влиянии домашних питомцев на здоровье владельца. Одним из самых известных исследований является работа Карен Аллен и других ученых [6]. Ими был проведен эксперимент, в котором приняли участие люди с гипертонией (повышенным артериальным давлением). Участников разделили на две группы: людям из одной группы выдали медикаменты, людям из другой группы помимо лекарств предоставили домашних питомцев. Спустя полгода показатели давления участников в состоянии стресса измерили повторно — давление людей с питомцами поднималось ниже, чем у людей без животных. Существуют другие исследования, указывающие на положительное влияние домашних животных на самооценку и психологическое благополучие человека [7]. Однако существуют и работы, отрицающие результаты этих экспериментов. Вопрос обсуждается по сей день, так что определенные выводы о влиянии домашних питомцев на здоровье человека сделать еще нельзя [8].

Обучение в специальной школе по подготовке собак-поводырей может быть как платным, так и бесплатным. В России существуют учебно-кинологические центры, предоставляющие собак-поводырей бесплатно, но позволить себе питомца по-прежнему может не каждый, ведь требуются постоянные затраты на корм, лечение и уход. В США за 8 лет работы собаки хозяин потратит на ее обучение и содержание около 40,598 долларов [9]. В России только на корм для крупной собаки при средней активности (в статье указаны расчеты для лабрадора) можно потратить 7950 рублей в месяц, и значит, затраты на сухой корм для этой породы в год достигают 95 400 рублей.

Другой часто используемый инструмент для ориентации в пространстве — белая трость. С помощью белой трости люди с нарушением зрения могут передвигаться, «ощупывая» препятствия и дорогу. Массовое использование именно белой трости началось в 1930 году, когда член Lions Clubs International увидел слепого человека, переходившего улицу с оживленным движением с тростью черного цвета. Оказалось, что водители практически не замечают темную трость, поэтому было решено создать белую, ведь яркий предмет привлекал больше внимания. В 1931 году Lions Clubs International начали кампанию по распространению белых тростей среди незрячих. Недостатком данного инструмента является ограниченность функций — нельзя определить ни расстояние до предмета, ни его характеристики. С развитием технологий появились трости с дополнительными функциями. Например, человек может довольно точно определить, на каком расстоянии от него находится препятствие в зависимости от того, на каком участке рукоятки трости UltraCane он чувствует вибрацию. Эта технология позволяет слепым людям более точно воспринимать окружающий мир, позволяя передвигаться более независимо и безопасно. Несмотря на удобство, этот прибор имеет и минусы. Он, как и любой другой инструмент, может сломаться в любой момент, что может поставить человека, использующего такую трость в неприятное или даже опасное положение. К тому же, как и в ситуации с собакой-поводырем, такого «помощника» позволить себе может не каждый, ведь цена UltraCane около $800.

Сейчас читатель может задаться вопросом: если эти инструменты не так хороши, есть ли альтернатива? Существуют ли у людей с нарушениями зрения другие, более удобные способы ориентироваться в пространстве? Возможно, ответ на этот вопрос уже найден.

Эхолокация

Эхолокация — способ ориентации в пространстве, который включает в себя излучение звуковых сигналов и анализ отраженных от объектов звуковых волн для определения местоположения предметов в пространстве. Мозг «сравнивает» время, прошедшее с момента отправления звукового сигнала до получения его отражения, определяя размер, форму, даже материал и текстуру окружающих предметов. Данной способностью обладают летучие мыши: они используют эхолокацию для ориентации в темноте, что позволяет им перемещаться и охотиться. Другие животные, например, дельфины и некоторые виды ночных птиц используют эхолокацию в тех же целях.

В 1793 году итальянский ученый Ладзаро Спалланцани обнаружил, что летучие мыши способны избегать препятствий в темноте. Позже Луи Жюрин проводит эксперимент, который показывает, что летучие мыши испытывают трудности в навигации, если их уши заклеены воском. Ученый сделал вывод о том, что именно звуковая информация помогает ориентироваться в темноте. В то время у ученых не было оборудования, позволяющего слышать ультразвук, поэтому подтвердить теорию было нельзя. Только в 1938 году Дональд Гриффин и Д. В. Пирс зафиксировали ультразвуковые сигналы летучих мышей, тем самым подтвердив теории своих предшественников. Дональд Гриффин также ввел термин «эхолокация» [10]. Несмотря на то, что случаи людей, способных ориентироваться в пространстве, будучи слепыми, были известны еще в 18 веке, установить, что эта способность обусловлена эхолокацией, удалось лишь в 1940-х годах [11].

Бэтмен среди нас

Во время путешествия на машине пятилетний Бен задал необычный вопрос: «Мам, ты видишь те высокие здания, вон там?». Мама ответила: «Да, Бен. Ты тоже их видишь?». Бен Андервуд потерял зрение из-за рака, когда ему было всего три года. К возрасту 15 лет мальчик жил жизнь, практически не отличающуюся от жизни других подростков: он мог самостоятельно переходить дорогу, кататься на велосипеде и роликах. Объясняется это тем, что он научился использовать звуки, причем как посторонние, так и воспроизводимые им (кликание языком), и их отражение, чтобы определить, что находится вокруг него — Бен использовал эхолокацию.

Другим примером человека, использовавшего эхолокацию как способ навигации, стал Дэниел Киш. В 13 месяцев мальчик потерял зрение на оба глаза. Ему пришлось научиться ориентироваться в пространстве без использования зрительной информации.

Дэниел доказывает, что с помощью эхолокации можно не просто передвигаться по городу, но и делать то, что люди, потерявшие зрение, обычно делать не могут, например, кататься на велосипеде без посторонней помощи. Дэниел понял, что эхолокация — не слишком популярный, но практичный метод навигации, и она способна помочь многим людям с нарушениями зрения. Тогда Дэниел принял решение поделиться своим опытом с другими.

World Access for the Blind

Впоследствии Дэниел Киш основал некоммерческую организацию World Access for the Blind, оказывающую помощь незрячим людям. World Access for the Blind считает своей миссией повышение общественного осознания способностей слепых людей, то есть искоренение отношения к незрячим людям как к «неполноценным».

Помимо Дэниела Киша, в команде состоят Хуан Руис и Брайан Бушвей. Все участники World Access for the Blind — незрячие. Хуан и Брайан — инструкторы по навигации, они занимаются работой с учениками по всему миру. World Access for the Blind провела несколько сотен воркшопов, тренингов и презентаций для людей с нарушениями зрения в 36 странах мира.

Сам Дэниел Киш является создателем FlashSonar — метода ориентации в пространстве для незрячих людей с помощью эхолокации. Он работал с 1000 учениками разного возраста, национальности и профессий. Также Дэниел дает интервью и выступает с лекциями. Запись его выступления на TED набрала 1,6 млн просмотров на сайте ted.com и 472 тыс просмотров на Youtube. В видео он рассказывает о слепоте, о том, как зрячие и слепые могут использовать эхолокацию, даже предлагает зрителям опробовать FlashSonar. К сожалению, нет переведенного видео, но на Youtube есть возможность включить субтитры с переводом.

Важно заметить, что часто эхолокация используется не в качестве замены трости, а в качестве дополнительного инструмента. Дэниел осознает несовершенство этой техники: «Летучая мышь способна обнаружить предмет размером с комара на расстоянии многих метров. Чтобы я мог сделать то же самое, предмет должен быть не меньше мяча для игры в софтбол. Так что использование ультразвука определенно помогает летучим мышам опередить людей в точности при использовании ультразвука».

Кроме того, Дэниел Киш является автором научных работ и обладает сертификатами COMS (Certified Orientation and Mobility Specialist, специалист по ориентации и мобильности) и NOMC (National Orientation and Mobility Certificate, национальный сертификат ориентации и мобильности), подтверждающими его квалификацию в работе с незрячими.

Другой участник World Access for the Blind, Брайан Бушвей, участвовал в разработке мобильного приложения Eyedar, которое было выпущено в 2021 году. Eyedar использует технологию LiDAR 3D, встроенную в новые смартфоны: она позволяет сканировать пространство вокруг пользователя. Далее Eyedar преобразует данные, полученные после сканирования, создавая звуковое изображение окружающей среды. Для прослушивания созданных приложением сигналов пользователь использует наушники, а смартфон закреплен около груди с помощью специального чехла. Со временем мозг адаптируется и, прослушивая звуковые сигналы, начинает определять форму, размер, расположение объектов. Приложение бесплатное и предоставляет программу обучения эхолокации, так что дополнительные уроки по использованию приложения не понадобятся, однако из-за новизны технологии LiDAR 3D, Eyedar доступен только для последних моделей iPhone.

Бэтмены в МРТ-аппарате

В 2011 году ученые из Даремского университета в Англии решили исследовать, как выглядит мозг человека, использующего эхолокацию в качестве инструмента ориентации в пространстве. Они провели первое МРТ-сканирование мозга незрячего человека во время использования эхолокации. В ходе эксперимента был получен МРТ снимок головного мозга двух потерявших зрение людей, которые щелкали языком для эхолокации. В качестве контрольной группы выступали два видящих человека того же возраста и пола, что и незрячие испытуемые. Эксперимент предполагал прослушивание двух записей: первая содержала щелчки, отражение этого звука и посторонний шум, в то время как во второй записи отражение звуков было удалено. Сравнение активности мозга участников эксперимента во время прослушивания двух файлов показало существенное увеличение активности части мозга, ассоциированной со зрением, при прослушивании слепыми людьми файла с отражением звука щелчков. У людей из контрольной группы подобной активности не наблюдалось. В дальнейшем также удалось установить, что у слепых людей восприятие отражения звука от движущихся объектов вызывает активацию нейронов в областях мозга, отвечающих за зрительное восприятие движения у зрячих людей [12].

Похожий результат показал другой эксперимент, в котором участвовали слепые люди, умеющие читать шрифт Брайля — при чтении шрифта у испытуемых также активировалась затылочная доля, отвечающая за зрение, а не центры, ассоциированные с осязанием [13].

Способность мозга использовать эхолокацию для ориентации в пространстве возможна благодаря нейропластичности, а именно ее подвиду — кросс-модальной пластичности (Cross-modal Plasticity) [12].

Нейропластичность

Нейропластичность — это свойство мозга, которое позволяет преобразовывать его структуру и функции в ответ на внешние и внутренние стимулы. Несмотря на то, что нейропластичность чаще всего ассоциирована с процессом обучения, во время которого в мозге образуются новые нейронные связи, именно она способствует вовлечению в выполнение некоторых задач тех частей мозга, которые, казалось бы, не имеют к этим задачам никакого отношения — например, в головном мозге слепых людей, использующих эхолокацию, активируется часть, которая ассоциирована со зрением у видящих людей [14].

Когда человек теряет зрение, к отделу головного мозга, ответственному за обработку зрительной информации, перестают поступать сигналы, и эта часть мозга утрачивает свою основную функцию, зато может «взять на себя» некоторые другие. Это явление наблюдается в описанном ранее эксперименте — у слепых людей часть мозга, ассоциированная со зрением, активируется во время прослушивания аудиозаписей.

Интерес к использованию эхолокации среди незрячих людей дает надежду на скорое появление более удобных в использовании способов ориентации в пространстве. Новые инструменты могут заменить непрактичные и не всегда доступные трости и собак-поводырей, делая жизнь слепых людей более комфортной. Возможно, уже в ближайшем будущем мы увидим настоящих Бэтменов, шагающих по улицам.

Литература

1. Meeks R.K., Anderson J., Bell P.M. Physiology Of Spatial Orientation. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing, 2023;
2. Flamine Alary, Marco Duquette, Rachel Goldstein, C. Elaine Chapman, Patrice Voss, et. al.. (2009). Tactile acuity in the blind: A closer look reveals superiority over the sighted in some but not all cutaneous tasks. Neuropsychologia. 47, 2037-2043;
3. Catherine Y. Wan, Amanda G. Wood, David C. Reutens, Sarah J. Wilson. (2010). Congenital blindness leads to enhanced vibrotactile perception. Neuropsychologia. 48, 631-635;
4. R. Stilla, R. Hanna, X. Hu, E. Mariola, G. Deshpande, K. Sathian. (2008). Neural processing underlying tactile microspatial discrimination in the blind: A functional magnetic resonance imaging study. Journal of Vision. 8, 13-13;
5. Neil Pemberton. (2019). Cocreating guide dog partnerships: dog training and interdependence in 1930s America. Med Humanities. 45, 92-101;
6. Karen Allen, Barbara E. Shykoff, Joseph L. Izzo. (2001). Pet Ownership, but Not ACE Inhibitor Therapy, Blunts Home Blood Pressure Responses to Mental Stress. Hypertension. 38, 815-820;
7. Amani El-Alayli, Amy L. Lystad, Sara R. Webb, Staci L. Hollingsworth, Jen L. Ciolli. (2006). Reigning Cats and Dogs: A Pet-Enhancement Bias and Its Link to Pet Attachment, Pet-Self Similarity, Self-Enhancement, and Well-Being. Basic and Applied Social Psychology. 28, 131-143;
8. Harold Herzog. (2011). The Impact of Pets on Human Health and Psychological Well-Being. Curr Dir Psychol Sci. 20, 236-239;
9. Kathleen E. Wirth, David B. Rein. (2008). The Economic Costs and Benefits of Dog Guides for the Blind. Ophthalmic Epidemiology. 15, 92-98;
10. Gareth Jones. (2005). Echolocation. Current Biology. 15, R484-R488;
11. Andrew J. Kolarik, Silvia Cirstea, Shahina Pardhan, Brian C.J. Moore. (2014). A summary of research investigating echolocation abilities of blind and sighted humans. Hearing Research. 310, 60-68;
12. Lore Thaler, Melvyn A. Goodale. (2016). Echolocation in humans: an overview. WIRES Cognitive Science. 7, 382-393;
13. Amir A. (2010). Cortical activity during tactile exploration of objects in blind and sighted humans. Restorative neurology and neuroscience. 28, 143–156;
14. Leeanne Carey, Alistair Walsh, Achini Adikari, Peter Goodin, Damminda Alahakoon, et. al.. (2019). Finding the Intersection of Neuroplasticity, Stroke Recovery, and Learning: Scope and Contributions to Stroke Rehabilitation. Neural Plasticity. 2019, 1-15.