Особенности отдельных видов ощущений
Учебная литература по юридической психологии
Еникеев М.И.
ОБЩАЯ И СОЦИАЛЬНАЯ ПСИХОЛОГИЯ
Учебник
СПб., 2001.
ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ПСИХОЛОГИЯ
РАЗДЕЛ II. ПСИХИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
I. ПОЗНАВАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Глава 1. Ощущение
§ 5. Особенности отдельных видов ощущений
Зрительные ощущения. Для возникновения зрительных ощущений необходимо воздействие электромагнитных волн на1 зрительный рецептор — сетчатку глаза (скопление фоточувствительных нервных клеток, расположенных на дне глазного яблока) (рис. 19).
Рис. 19. Строение глаза.
Ощущаемые человеком цвета делятся на хроматические (от греч. chromatos — цвет) и ахроматические — бесцветные (черный, белый и промежуточные оттенки серого цвета).
В центральной части сетчатки преобладают нервные клетки — колбочки, обеспечивающие ощущение цвета.
На краях сетчатки преобладают палочки, чувствительные к перепадам яркости. (В сетчатке глаза 130 млн. палочек и колбочек.)
Если освещенность превышает 0,1 лм/м2, используется цветочувствительная (колбочковая) система зрения; когда же освещенность ниже 0,01 лм/м2, используется система сумеречного (палочкового) зрения. При освещенности между 0,1 и 0,01 лм/м2 реагируют обе системы — это смешанное («мезопическое») зрение. (На рассвете или при заходе солнца различается цвет неба, но объекты на земле мы видим окрашенными только в оттенки серого.)
Сигналы от фоторецепторов — светочувствительных образований (колбочек и палочек) поступают к более крупным (ганглиозным) нейронам сетчатки. Каждая ганглиозная клетка отсылает свой отросток (аксон) в зрительный нерв (рис. 20).
Идущие к мозгу по зрительному нерву импульсы получают вторичную обработку в промежуточном мозге (коленчатых телах). Здесь усиливаются контрастные характеристики сигналов, фиксируется их временная последовательность.
Рис. 20. Сетчатка глаза
Сетчатка глаза состоит из 125 млн. светочувствительных палочек (реагирующих на ахроматические воздействия) и 5 млн. колбочек (реагирующих на хроматические воздействия). В зрительном же нерве лишь 80 тыс. волокон: первичное преобразование зрительного сигнала осуществляется уже в самой сетчатке, в ганглиозных клетках, аксоны которых образуют зрительный нерв.
Далее зрительные сигналы обрабатываются во вторичной зрительной коре. У человека вторичная зрительная кора очень развита (в 20 раз больше, чем у высших обезьян), она находится в функциональных связях с другими анализаторами и с центрами речи.
Световые (электромагнитные) волны разной длины вызывают разные цветовые ощущения. Цвет — это психическое явление, ощущение человека, вызываемое различной длиной электромагнитных излучений.
Смешение всех воспринимаемых электромагнитных волн дает ощущение белого цвета (рис. 23).
К различным участкам электромагнитного спектра наш глаз имеет неодинаковую чувствительность. Глаз наиболее чувствителен к световым лучам с длиной волны 555–565 нм (светло-салатный цветовой тон). В условиях сумерек чувствительность зрительного анализатора перемещается в сторону более коротких волн — 500 нм (синий цвет). Эти лучи начинают казаться более светлыми (явление, Пуркине). Палочковый аппарат более чувствителен к ультрафиолетовому цвету.
Существует трехкомпонентная теория цветового зрения, согласно которой все многообразие цветовых ощущений возникает в результате работы лишь трех видов цветовоспринимающих рецепторов — красного, зеленого и синего.
Колбочки делятся на группы этих трех цветов. В зависимости от степени возбуждения этих цветорецепторов возникают различные цветовые ощущения. Если все три рецептора возбуждены в одинаковой мере, то возникает ощущение белого цвета.
Для зрительных возбуждений характерна некоторая инертность. Это является причиной кратковременного (0,25 с) сохранения следа светового раздражения после прекращения воздействия раздражителя. (Поэтому мы не замечаем перерывов между кадрами фильма. Эти перерывы оказываются заполненными следами от предшествующего кадра.)
Для зрительного анализатора существенное значение имеет перепад яркостей — контраст. Зрительный анализатор способен различать контраст в определенных пределах (оптимум 1 : 30).
Электромагнитные излучения
Рис. 23. Цветовой круг.
Противоположные цвета называются дополнительными — при смешении они образуют белый цвет. Любой цвет может быть получен путем смешения пограничных с ним цветов. Смешение всех цветов образует белый цвет.
Усиление контраста возможно посредством применения различных средств. (Для выявления слабозаметного рельефа усиливается теневой контраст путем бокового освещения, использования светофильтров.)
Цвет каждого объекта характеризуется теми лучами светового спектра, которые объект отражает. (Объект красного цвета, например, поглощает все лучи светового спектра, кроме красного, которые отражаются им.) Цвет прозрачных объектов характеризуется теми лучами, которые они пропускают. Таким образом, цвет любого объекта зависит от того, какие лучи он отражает, поглощает и пропускает.
В большинстве случаев объекты отражают электромагнитные волны различной длины. Но зрительный анализатор воспринимает их не раздельно, а суммарно. Например, отражение красного и желтого цветов воспринимается как оранжевый цвет, происходит смешение цветов (рис. 23).
Семь цветов радуги — это условность. Между интенсивно выраженными цветами существует масса промежуточных нюансов.
Коренные жители Севера различают до 30 оттенков БЕЛОГО снега. А прежние красильщики-кустари — до 40 оттенков черного цвета. Семь цветов, помещенных в цветовом круге, тоже условность: они были ассоциированы Ньютоном в Соответствии с семью звуками музыкальной гаммы. В действительности человеческий глаз различает тысячи цветовых нюансов.
Люди с ослабленным аппаратом колбочек плохо различают хроматические цвета. (Этот недостаток, описанный английским физиком Д. Дальтоном, называется дальтонизмом.) Ослабление работы аппарата палочек затрудняет видение предметов в сумеречном освещении. (Этот недостаток называется «куриной слепотой».)
Цвет — мощный фактор организации окружающей среды. Оптимальной окраской цехов и машин достигается значительное повышение производительности труда, снижается производственный травматизм. Красный и оранжевый цвета создают впечатление теплоты и уюта, черный — тяжести и холода. Установка для подачи песка выглядит красиво, если ее элементы окрашены в голубовато-стальные тона.
Оборудование, окрашенное в голубой и бежевый цвета, вызывает к себе более бережное отношение, повышается аккуратность в работе. Гамма красок и цветовых лучей влияет на работоспособность и состояние кровяного давления, на настроение и направленность внимания, на доминирующие эмоции, остроту зрения и слуха. (В порядке эксперимента аппетитно накрытый стол был освещен светофильтром, резко изменившим окраску привычной пищи: салат стал фиолетовым, а мясо серым, зеленый горошек превратился в серо-черную массу, молоко приобрело фиолетовый цвет, а яичный желток стал красно-коричневым. Гости не могли даже притронуться к столь странно выглядевшей пище. А тем, кто рискнул ее испробовать, стало плохо.)
В урну, поставленную на белый круг, мусор стали бросать более аккуратно. Коридоры, окрашенные в светло-желтые тона, стали меньше пачкаться. Показания приборов считываются лучше, если они окрашены в теплые, приятные тона. Человеческий мозг не только создает цветовую гамму из электромагнитных излучений разной длины, но и любуется своим прекрасным творением.
Слуховые ощущения. Существует мнение, что 90% информации об окружающем нас мире мы получаем посредством зрения. Вряд ли это можно подсчитать. Ведь то, что мы видим глазом, должно охватываться нашей понятийной системой, которая формируется интегративно как синтез всей сенсорной деятельности.
Работа слухового анализатора не менее сложна и важна, чем работа зрительного анализатора. По этому каналу идет основной поток речевой информации.
Рис. 24. Схема строения уха.
Звуковые колебания внешней среды проходят по ушному каналу к барабанной перепонке, расположенной между наружным и средним ухом. Барабанная перепонка передает вибрации в костный механизм среднего уха, который, действуя по рычажному принципу, усиливает звук примерно в тридцать раз. В результате этого незначительные изменения давления у барабанной перепонки передаются поршнеобразным движением в овальное окно внутреннего уха. Это вызывает движение жидкости в улитке. Действуя на упругие стенки канала улитки, движение жидкости вызывает колебательное движение слуховой мембраны, точнее, определенной ее части, резонирующей на соответствующие частоты.
При этом тысячи волоскообразных нейронов трансформируют колебательное движение в электрические импульсы определенной частоты, которые направляются к слуховым центрам мозга. Круглое окно и евстахиева труба служат для выравнивания давления с внешней средой: выходя в область носоглотки, евстахиева труба приоткрывается при глотательных движениях.Человек ощущает звук через 175 миллисекунд после того, как он достиг ушной раковины. Еще 200–500 мс необходимо для возникновения максимальной чувствительности к данному звуку. Необходимо также время для поворота головы и соответствующей ориентации ушной раковины по отношению к источнику слабого звука.
Строение уха. От козелка ушной раковины в височную кость углубляется овальный слуховой проход (его длина 2,7 см). Уже в овальном проходе звук значительно усиливается (за счет резонансных свойств). Овальный проход замыкается барабанной перепонкой (ее толщина 0,1 мм, а длина — 1 см), она постоянно вибрирует под влиянием звуковых воздействий.
Барабанная перепонка отделяет наружное ухо от среднего — небольшой камеры объемом в 1 см3.
Полость среднего уха соединена овальным окном с внутренним ухом и круглым окном с носоглоткой. (Поступающий из носоглотки воздух уравновешивает внешнее и внутреннее давление на барабанную перепонку.)
В среднем ухе звук многократно усиливается посредством системы косточек (молоточка, наковальни и стремечка). Эти косточки поддерживаются на весу двумя мышцами которые натягиваются при слишком громких звуках и ослабляют работу косточек, защищая слуховой аппарат от травмы При слабых звуках мышцы усиливают работу косточек Интенсивность звука в среднем ухе повышается в 30 раз благодаря разнице между площадью барабанной перепонки (90 мм2), к которой присоединен молоточек, и площадью основания стремечка (3 мм2).
Следующий отдел слуховой системы — внутреннее ухо — начинается с так называемой улитки. Она имеет 2,5 оборота и разделена поперечно мембраной на два изолированных канала, заполненных жидкостью (перелимфой).
Вдоль мембраны которая сужается от нижнего завитка улитки к верхнему ее завитку, расположено 30 тысяч чувствительных образований-ресничек — они и являются звуковыми рецепторами, образуя так называемый кортиев орган. В улитке первично расчленяются звуковые колебания. Низкие звуки воздействуют на длинные реснички, высокие — на короткие. Колебания соответствующих звуковых ресничек и создают нервные импульсы поступающие в височную часть головного мозга, где осуществляется сложная аналитико-синтетическая деятельность. Важнейшие для человека сигналы — сигналы словесные — кодируются в нейронных ансамблях. Слуховой анализатор чувствителен к высоте, силе и тембру звука (рис. 25).
Высота звука определяется количеством колебаний источника звука в 1 сек (1 колебание в секунду называется герцем) Орган слуха чувствителен к звукам в пределах от 16 до 20 тыс. колебаний в секунду. Но наибольшая слуховая чувствительность лежит в пределах 2000–3000 герц (это высота звука, соответствующая крику испуганной женщины).
Рис. 25. Параметры звуковых колебаний.
Интенсивность звука определяется амплитудой колебания его источника. Высота — частотой колебаний. Тембр — дополнительными колебаниями (обертонами) в каждой фазе (средний рисунок).
Человек не ощущает звуки самых низких частот (инфразвуки). Однако подпороговые низкочастотные звуки влияют на психическое состояние человека. Так, звуки с частотой в 6 герц вызывают у человека головокружение, ощущение усталости, угнетенности, а звуки с частотой 7 герц способны даже вызывать остановку сердца. Попадая в естественный резонанс работы внутренних органов, инфразвуки могут нарушить их деятельность. Другие инфразвуки также избирательно воздействует на психику человека, повышая его внушаемость, обучаемость и т. п.
Звуки, лежащие за верхним порогом звуковой чувствительности (т. е. свыше 20 тыс. герц), называются ультразвуками.
Животным доступны ультразвуковые частоты в 60 и даже 100 тыс. герц. В нашей речи обнаруживаются звуки до 140 тыс.
герц. Можно предположить, что они воспринимаются нами на подсознательном уровне и несут в себе эмоциональную информацию.
Пороги различения звуков по высоте составляют 1/20 полутона (т. е. различается до 20 промежуточных ступеней между звуками, издаваемыми двумя соседними клавишами рояля).
Интенсивность слухового ощущения — громкость — зависит от интенсивности звука, т. е. от амплитуды колебаний источника звука и от высоты звука.
Кроме звуковысотной чувствительности существуют нижние и верхние пороги чувствительности к силе звука. С возрастом звуковая чувствительность понижается. Так, для четкого восприятия речи в 30 лет необходима громкость в 40 децибел, а для восприятия речи в 70 лет ее громкость должна быть не ниже 65 децибел.
Таблица 5.
Пространственные пороги тактильной чувствительности 1
| |
Зона высокой чувствительности
| Зона низкой чувствительности
|
Кончик языка – 1 мм
| Крестец – 40,4 мм
|
Концевые фаланги пальцев рук – 2,2 мм
| Ягодицы – 40,5 мм
|
Красная часть губ – 4,5 мм
| Предплечье и голень – 40,5 мм
|
Ладонная сторона кисти – 6,7 мм
| Грудина – 45,5 мм
|
Концевая фаланга большого пальца ноги – 11,2 мм
| Шея ниже затылка – 54,1 мм Поясница – 54,1 мм
|
Тыльная сторона вторых фаланг пальцев ноги – 11,2 мм
| Спина и середина шеи – 67,6 мм
|
Тыльная сторона первой фаланги большого пальца ноги – 15,7 мм
| Плечо и бедро –67,7 мм
|
Верхний порог звуковой чувствительности (по громкости) — 130 дб.
Оптимальный уровень — 40–50 дб.
Шум свыше 90 децибел вреден для человека. Опасны внезапные громкие звуки, бьющие по вегетативной нервной системе и ведущие к резкому сужению просвета кровеносных сосудов, учащению сердцебиения и повышению в крови адреналина. Релаксационное (успокаивающее) и психотерапевтическое воздействие оказывают гармоничные, музыкальные звуки.
Тактильные ощущения — ощущения прикосновения. Тактильные рецепторы наиболее многочисленны на кончиках пальцев и языка. Если на спине две точки прикосновения воспринимаются раздельно лишь на расстоянии 67 мм, то на кончике пальцев и языка — на расстоянии 1 мм (табл. 5).
Тактильные ощущения в сочетании с двигательными образуют осязательную чувствительность, лежащую в основе предметных действий. Тактильные ощущения — разновидность кожных ощущений, к которым относятся также ощущение давления, температурные и болевые ощущения (рис. 26).
Кинестезические (двигательные) ощущения.
Наши движения связаны с кинестезическими ощущениями (от греч. kineo — двигаюсь и aisthesis — чувствительность) — ощущением положения и перемещения частей собственного тела.
Трудовые движения руки имели решающее значение в формировании мозга, человеческой психики. Проприорецепторы руки и лица широко представлены в коре мозга (рис. 27).
На основе мышечно-суставных ощущений человек определяет соответствие или несоответствие своих движений внешним обстоятельствам. Кинестезические ощущения выполняют интегрирующую функцию во всей сенсорной системе человека.
Хорошо отдифференцированные произвольные движения — результат аналитико-синтетической деятельности обширной корковой зоны, расположенной в теменной области мозга. Двигательная, моторная зона коры мозга особенно тесно связана с лобными долями мозга, осуществляющими интеллектуально-речевые функции, и со зрительными зонами мозга.
Мышечные веретенообразные рецепторы особенно многочисленны в пальцах рук и ног.
Придвижении различных частей тела мозг постоянно получает информацию об их текущем пространственном положении, сравнивает эту информацию с образом конечного результата действия и осуществляет соответствующую коррекцию движения. В результате тренировки образы промежуточных положений различных частей тела обобщаются в единой модели конкретного действия — действие стереотипизируется, автоматизируется и становится навыком.
Рис. 26. Рецепторы, кожной чувствительности.
Рис. 27. Относительное представительство различных частей тела в коре головного мозга (по Пенфилду).
Все движения регулируются на основе двигательных ощущений, на основе обратной связи.
Двигательная физическая активность организма имеет существенное значение для оптимизации работы мозга: проприорецепторы скелетных мышц посылают в мозг стимулирующие его импульсы, повышают тонус коры головного мозга.
Статические ощущения — ощущение положения тела в пространстве относительно направления силы тяжести, ощущение равновесия.
Рецепторы этих ощущений (гравиторецепторы) находятся во внутреннем ухе.
Рецептором вращательных движений тела являются полукруакные каналы внутреннего уха, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. При ускорении или замедлении вращательного движения жидкость, заполняющая полукружные каналы, оказывает давление (по закону инерции) на чувствительные волоски, в которых вызывается соответствующее возбуждение.
Рис. 28. Вестибулярный аппарат (гравиторецепторы):
полукружные каналы; отолитовый аппарат.
Рис. 29. Границы допустимых вибраций.
1 — Границы допустимых вибраций для отдельных частей тела;
2 — границы допустимых вибраций, действующих на все тело человека;
3 — границы слабо ощущаемых вибраций.
Перемещение в пространстве по прямой линии отражается в отолитовом аппарате. Он состоит из чувствительных клеток с волосками, над которыми расположены отолиты (подушечки с кристаллическими включениями).
Изменение положения кристаллов сигнализирует мозгу направление прямолинейного движения тела. Полукружные каналы и отолитовый аппарат вместе носят название вестибулярного аппарата (рис. 28).
Он связан с височной областью коры и с мозжечком посредством вестибулярной ветви слухового нерва. (Сильное перевозбуждение вестибулярного аппарата вызывает тошноту, так как этот аппарат связан и с внутренними органами.)
Рис. 30. Обонятельные рецепторы.
Вибрационные ощущения возникают в результате отражения колебаний от 15 до 1500 герц в упругой среде. Эти колебания отражаются всеми частями тела.
Вибрации для человека утомительны и даже болезненны. Многие из них недопустимы (рис. 29).
Обонятельные ощущения возникают в результате раздражения частицами пахучих веществ, находящихся в воздухе, слизистой оболочки носовой полости, где находятся обонятельные клетки (рис. 30).
Вещества, раздражающие обонятельные рецепторы, проникают в полость носоглотки со стороны носа и носоглотки.
Это позволяет определить запах вещества, находящегося как на расстоянии, так и во рту. Обонятельные ощущения — самый архаичный вид рецепции. В глубинных мозговых структурах он представлен особым образованием — обонятельной луковицей.
Вкусовые ощущения. Все многообразие вкусовых ощущений состоит из комбинации четырех вкусов: горького, соленого, кислого и сладкого. Вкусовые ощущения вызываются химическими веществами, растворенными в слюне или в воде.
Рис. 31. Вкусовая рецепция.
Относительная концентрация вкусовых рецепторов на поверхности языка.
Рецепторами вкусовых ощущений являются нервные окончания, расположенные на поверхности языка, — вкусовые сосочки. Они расположены на поверхности языка неравномерно. Отдельные участки поверхности языка наиболее чувствительны к отдельным вкусовым воздействиям: кончик языка чувствителен к сладкому, задняя часть — к горькому, а края — к кислому (рис. 31).
Поверхность языка чувствительна также к прикосновениям, т.
е. участвует в формировании тактильных ощущений. (Консистенция пищи влияет на вкусовые ощущения.)
Температурные ощущения возникают от раздражения терморецепторов кожи. Существуют отдельные рецепторы для ощущения тепла и холода. На тепловые воздействия реагируют тельца Руффини, на холод — колбочки Краузе (рис. 26). На поверхности тела эти рецепторы расположены неравномерно. К холоду более чувствительна кожа спины и шеи, а к горячему — кончики пальцев и языка. Различные участки кожного покрова сами имеют разную температуру (рис. 32).
Рис. 32. Топография кожной температуры у человека (по А. Д. Слониму).
Присущая определенному участку кожи температура является физиологическим нулем. Ощущение тепла или холода возникает в зависимости от соотношения температуры воздействия с постоянной температурой данного участка кожи.
Болевые ощущения вызываются механическими, температурными и химическими воздействиями, достигшими сверхпороговой интенсивности.
Болевые ощущения в значительной мере связаны с подкорковыми центрами, которые регулируются корой головного мозга. Поэтому они в некоторой степени поддаются торможению через вторую сигнальную систему.
Ожидания и опасения, усталость и бессонница повышают чувствительность человека к боли; при глубоком утомлении боль притупляется. Холод усиливает, а тепло ослабляет болевые ощущения. Болевые, температурные, тактильные ощущения и ощущения давления — разновидности кожных ощущений.
Органические ощущения — ощущения, связанные с интерорецепторами, расположенными во внутренних органах. К ним относятся ощущения сытости, голода, удушья, тошноты и др.
Интерорецепторы связаны с корой через подкорковые образования — гипоталамус. Органические ощущения не дают точной локализации, а иногда органическая рецепция носит подсознательный характер. Сильные отрицательные органические ощущения могут дезорганизовать сознание человека.
Сенсорная организация личности.
Присущие индивиду уровни развития отдельных видов его чувствительности и особенности их системного функционирования называются сенсорной организацией личности. Чувствительность — потенциальная возможность человека, которая по-разному реализуется в различных условиях его жизнедеятельности. В зависимости от задач деятельности человека она может возрастать на несколько порядков. (Терапевты различают десятки различных шумов сердца, а сталевары — многочисленные оттенки варящейся стали.) При нарушении чувствительности одних анализаторов у человека резко возрастает чувствительность других.
У каждого человека имеются анатомо-физиологические предпосылки (задатки) для развития определенных сенсорных способностей. Отдельные люди — экстрасенсы обладают феноменальной чувствительностью. С развитием сенсорной культуры личности связаны ее способности реагировать на гармонию красок, запахов и звуков. Потребность в гармонизированных сенсорных воздействиях — одна из основных потребностей человека.
Длительная сенсорная депривация (лишение чувственных воздействий) вызывает у человека психическое расстройство. В постоянном потоке нервных импульсов, поступающих в мозг от органов чувств, осуществляется живая связь каждого человека с внешним миром.
Гармония красок, звуков, вкусовых воздействий, мышечные ощущения от наших движений постоянно влияют на наше психическое состояние и общее мироощущение. Неприятные звуки, цветовые сочетания, гиподинамия резко снижают уровень психической активности человека.
1 Порог пространственной тактильной чувствительности — минимальное расстояние между двумя точечными прикосновениями, при котором эти воздействия воспринимаются раздельно.
НАВЕРХ
Психологические особенности ощущений и восприятий детей с нарушениями слуха | Статья на тему:
Психологические особенности ощущений и восприятий детей
с нарушениями слуха.
Ощущения являются одной из форм познавательной деятельности человека.
Изучая развитие познавательной деятельности в эволюции животного мира (в филогенезе) и у ребенка (в онтогенезе), можно увидеть, что ощущения являются первичной формой ориентировки организма в окружающем мире.
Ощущениями можно назвать психологические процессы, возникающие при непосредственном воздействии предметов и явлений окружающей действительности на органы чувств и мозг и заключающиеся в осознанном отражении отдельных свойств и явлений. Ощущения, как и все психические процессы, имеют рефлекторную природу, они возникают как ответные реакции нервной системы на воздействия окружающей организм среды. С ощущений начинается всякое познание человеком действительности – это первая ступень познания. На основе ощущений возникает процесс восприятия.
Восприятие – это тоже психический процесс, возникающий при непосредственном воздействии на органы чувств и мозг предметов и явлений и заключающийся в отражении совокупности присущих им свойств в форме единого сложного образа воспринимаемого, т.
е. восприятие в отличии от ощущений представляет собой целостный образ предметов и явлений.
Ощущения и восприятия, являющиеся результатом сложной аналитико-синтетической деятельности мозга, обеспечивают чувственное познание окружающего. Но это познание не исчезает бесследно. В дальнейшем они воспроизводятся как представления, позволяющие нам отражать восприятия и в его отсутствии. Но восприятия и ощущения не всегда дают нам полное представление об окружающем мире. Существуют свойства материи, которые мы не можем ощущать непосредственно. Более высокой формой познания и отражения окружающего материального мира является человеческое мышление. Мышление помогает глубже проникнуть в причинную связь и зависимость между предметами и явлениями и отражать свойства их, которые недоступны непосредственным ощущениям и воспроиятиям.
В истории психологии по вопросу о природе ощущений шла борьба двух противоположных направлений – материалистического и идеалистического. Сторонники идеалистического направления в психологии или вовсе отрицали существование материи, утверждая, что окружающий мир является лишь «комплексом ощущений» или отрицали всякую связь наших ощущений с материей.
В специальной психологии были распространены такие теории, как отрицание возможности изучение и познания психических процессов глухих детей, возможности их развития и компенсации, полноценности умственного развития. Основные положения материалистического учение об ощущениях имеют очень важное значение в решении всех этих спорных вопросов сурдопсихологии, так как могут полностью быть отнесены и к характеристике природы ощущений и восприятий глухих детей.
Ощущения аномальных детей также отражают объективно существующий материальный мир и являются важной ступенью познания свойств предметов и явлений. Ведь глухой ребенок узнает многое о цвете, вкусе, запахе, форме окружающих его вещей на основе ощущений и восприятий.
Наряду с общими закономерностями в формировании ощущений и восприятий имеются и специфические особенности. Своеобразие ощущений у глухих детей выражается прежде всего в том, что у них отсутствуют слуховые ощущения. Полнота отражения окружающего мира заметно сужается, так как известно, что в познавательном отношении ведущая роль из анализаторов принадлежит зрению и слуху, наряду с которыми выступают как орган познания и движущаяся рука.
Отсутствие слуховых ощущений влечет за собой не только сужение круга непосредственно отражаемых свойств и качеств окружающих вещей и явлений, но и чрезвычайно ограничивает возможность опосредованного знания.
На организм человека постоянно действуют звуковые раздражители. Большую часть знаний развивающийся ребенок получает через слуховые ощущения и восприятия. Кроме того, познание мира ребенка всегда опосредованно взрослыми. Знания о многих свойствах предметов ребенок получает в процессе общения со взрослыми через их речь, воспринимаемую на слух. Он многое узнает не только в процессе общения с окружающими, но и слушая радио, музыку, посещая театр.
Отсюда становится понятным исключительно важное социальное значение слуха. Жизненно и социально значимые раздражители чаще и больше отражаются через слух, чем через зрение. Звуки воздействуют не только ото всюду, со всех сторон, но и всегда, даже когда зрение исключено: в темноте, через непроницаемые для зрения преграды, при большом отдалении от человека звучащего тела.
Слуховые ощущения возникают непроизвольно: мы слышим то, что не хотим слышать, в то время как видим лишь то, на что смотрим. И.М. Сеченов писал: «Из всех органов чувств слух дает нам наибольшее разнообразие впечатлений».
Отсутствие слуха обуславливает качественное своеобразие мира ощущений неслышащих людей. Все это затрудняет процесс познания и требует компенсации. Это в свою очередь влияет на формирование и развитие других ощущений и восприятий – зрительных, двигательных, осязательных и т.д.
Чтобы коррегировать у глухого познания звучащего мира посредством имеющихся у него анализаторов, необходимо знать не только то, что отсутствует в сфере ощущений у глухого, но и то, чем он располагает и какие компенсаторные возможности имеет.
В психологии выделяют следующие виды ощущений:
1 видимые ощущения и восприятия
2 слуховые ощущения и восприятия
3 кожные ощущения и восприятия:
а) тактильные ощущения
б) температурные ощущения
4 двигательные ощущения и восприятия
5 обонятельные процессы
6 вкусовые ощущения
7 органические ощущения
Все эти виды ощущений, за исключением слуховых ощущений, имеются и у неслышащих детей.
В связи с потерей слуховых ощущений и восприятий у неслышащих особую роль приобретают видимые (или зрительные) ощущения и восприятия. Зрительный анализатор неслышащего ребенка становится ведущим в познании окружающего мира. У неслышащих детей зрительные ощущения и восприятия не только не хуже, чем у слышащих, но у них они активизируются и обостряются. Поэтому неслышащие дети часто подмечают такие детали и тонкости окружающего мира, на которые слышащий ребенок не обратит внимания. Так, например, неслышащие дети сразу заметят, что у только что вошедшего чужого человека на лице маленький шрам, они сразу обратят внимание, что у человека оборвана пуговица и т.п.
Разреженное временное кодирование элементарных тактильных признаков во время активного ощущения усов
Luna, R. et al. Нейронные коды перцептивной дискриминации в первичной соматосенсорной коре. Нац. Неврологи. 8 , 1210–1219 (2005).
Артикул КАС Google Scholar
Джонсон, К.
О. и Сяо, С.С. Нейронные механизмы тактильного восприятия формы и текстуры. год. Преподобный Нейроски. 15 , 227–250 (1992).
Артикул КАС Google Scholar
Кляйнфельд, Д., Ахиссар, Э. и Даймонд, М.Э. Активное ощущение: понимание сенсомоторной системы вибриссы грызунов. Курс. мнение Нейробиол. 16 , 435–444 (2006).
Артикул КАС Google Scholar
Брехт, М. Поведение, опосредованное бочкообразной корой и усами. Курс. мнение Нейробиол. 17 , 408–416 (2007).
Артикул КАС Google Scholar
Петерсен, К.К. Функциональная организация коры ствола. Нейрон 56 , 339–355 (2007).
Артикул КАС Google Scholar
Маунткасл, В.
Б. Сенсорная рука (издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс, 2005 г.).
Google Scholar
Мехта С.Б. и другие. Активное пространственное восприятие в сенсомоторной системе сканирования вибрисс. PLoS Биол. 5 , e15 (2007).
Артикул Google Scholar
Кнутсен, П.М., Петр, М. и Ахиссар, Э. Локализация тактильных объектов в вибриссной системе: поведение и производительность. J. Neurosci. 26 , 8451–8464 (2006).
Артикул КАС Google Scholar
Гуик-Роблес, Э., Вальдивьесо, К. и Гуахардо, Г. Крысы могут научиться различать шероховатость, используя только свою вибриссную систему. Поведение. Мозг Res. 31 , 285–289 (1989).
Артикул КАС Google Scholar
Карвелл, Г.
Э. и Саймонс, Д.Дж. Биометрический анализ тактильной дискриминации вибриссов у крыс. Дж. Неврологи. 10 , 2638–2648 (1990).
Артикул КАС Google Scholar
Даймонд, М.Э. и др. «Где» и «что» в сенсомоторной системе усов. Нац. Преподобный Нейроски. 9 , 601–612 (2008).
Артикул КАС Google Scholar
Wolfe, J. et al. Текстурное кодирование в системе усов крысы: проскальзывание против дифференциального резонанса. PLoS Биол. 6 , e215 (2008).
Артикул Google Scholar
Ритт, Дж.Т., Андерманн, М.Л. и Мур, К.И. Воплощенная обработка информации: механика вибрисс и особенности текстуры формируют микродвижения у активно чувствительных крыс. Нейрон 57 , 599–613 (2008).
Артикул КАС Google Scholar
Арабзаде, Э.
, Зорзин, Э. и Даймонд, М.Е. Нейронное кодирование текстуры в сенсорном пути усов. PLoS Биол. 3 , e17 (2005).
Артикул Google Scholar
Пинто, Д. Дж., Брумберг, Дж. К. и Саймонс, Д. Дж. Динамика цепи и стратегии кодирования в соматосенсорной коре грызунов. J. Нейрофизиол. 83 , 1158–1166 (2000).
Артикул КАС Google Scholar
Саймонс, Д.Дж. Реактивные свойства единиц вибрисс в соматосенсорной неокортексе крыс SI. J. Нейрофизиол. 41 , 798–820 (1978).
Артикул КАС Google Scholar
Керр, Дж.Н. и другие. Пространственная организация популяционных ответов нейронов в слое 2/3 коры барреля крысы. J. Neurosci. 27 , 13316–13328 (2007).
Артикул КАС Google Scholar
Crochet, S.
& Petersen, C.C. Корреляция поведения усов с мембранным потенциалом в бочкообразной коре бодрствующих мышей. Нац. Неврологи. 9 , 608–610 (2006).
Артикул КАС Google Scholar
Штюттген, М.К. и Шварц, К. Психофизические и нейрометрические характеристики обнаружения в условиях неопределенности стимула. Нац. Неврологи. 11 , 1091–1099 (2008).
Артикул Google Scholar
Хаувелинг, А.Р. и Брехт, М. Поведенческий отчет о стимуляции одного нейрона в соматосенсорной коре. Природа 451 , 65–68 (2008).
Артикул КАС Google Scholar
Хубер, Д. и др. Редкая оптическая микростимуляция коры ствола головного мозга приводит к обучению поведения свободно передвигающихся мышей. Природа 451 , 61–64 (2008).
Артикул КАС Google Scholar
Ольсхаузен, Б.А. и Филд, Д.Дж. Разреженное кодирование сенсорных входов. Курс. мнение Нейробиол. 14 , 481–487 (2004).
Артикул КАС Google Scholar
Винье, В.Е. и Галлант, Дж. Л. Редкое кодирование и декорреляция в первичной зрительной коре во время естественного зрения. Наука 287 , 1273–1276 (2000).
Артикул КАС Google Scholar
Wang, X. et al. Устойчивые импульсы в слуховой коре, вызванные предпочитаемыми раздражителями. Природа 435 , 341–346 (2005).
Артикул КАС Google Scholar
Ли, С.Х. и Саймонс, Д.Дж. Угловая настройка и чувствительность к скорости в различных классах нейронов в слое 4 коры головного мозга крысы.
J. Нейрофизиол. 91 , 223–229 (2004).
Артикул Google Scholar
Плата, М.С., Митра, П.П. и Кляйнфельд, Д. Автоматическая сортировка множественных нейронных сигналов при наличии анизотропной и негауссовой изменчивости. Дж. Неврологи. Методы 69 , 175–188 (1996).
Артикул КАС Google Scholar
Целикель Т., Шостак В.А. и Фельдман, Д.Е. Модуляция времени спайков сенсорной депривацией во время индукции пластичности карты коры. Нац. Неврологи. 7 , 534–541 (2004).
Артикул КАС Google Scholar
Касс, Р.Э., Вентура, В. и Кай, К. Статистическое сглаживание нейронных данных. Сеть 14 , 5–15 (2003).
Артикул Google Scholar
Itoh, H.
et al. Корреляция нейронной активности хвостатого примата и параметров саккад в поведении, ориентированном на вознаграждение. J. Нейрофизиол. 89 , 1774–1783 (2003).
Артикул Google Scholar
Мур, К.И. Частотно-зависимая обработка в сенсорной системе вибрисс. J. Нейрофизиол. 91 , 2390–2399 (2004).
Артикул Google Scholar
Poulet, J.F. & Petersen, C.C. Внутреннее состояние мозга регулирует синхронность мембранных потенциалов в стволовой коре головного мозга мышей. Природа 454 , 881–885 (2008).
Артикул КАС Google Scholar
Пригг, Т. и др. Распознавание текстуры и запись единиц измерения в системе крысиных усов/ствола. Физиол. Поведение 77 , 671–675 (2002).
Артикул КАС Google Scholar
von Heimendahl, M.
et al. Активность нейронов в коре головного мозга крыс, лежащая в основе распознавания текстуры. PLoS Биол. 5 , е305 (2007).
Артикул Google Scholar
Крупа, Д.Дж. и другие. Специфическая для слоя соматосенсорная корковая активация во время активной тактильной дискриминации. Наука 304 , 1989–1992 (2004).
Артикул КАС Google Scholar
Арабзаде Э., Петерсен Р.С. и Даймонд, М.Е. Кодирование вибрации усов нейронами коры головного мозга крысы: значение для распознавания текстуры. J. Neurosci. 23 , 9146–9154 (2003).
Артикул КАС Google Scholar
Темереанка С. и Саймонс Д.Дж. Потенциалы локального поля и кодирование отклонений усов с помощью синхронности возбуждения популяции в таламических баррелоидах.
J. Нейрофизиол. 89 , 2137–2145 (2003).
Артикул Google Scholar
Бруно Р.М. и другие. Таламокортикальные домены угловой настройки в отдельных баррелях соматосенсорной коры крыс. J. Neurosci. 23 , 9565–9574 (2003 г.).
Артикул КАС Google Scholar
Плата, М.С., Митра, П.П. и Кляйнфельд, Д. Центральные и периферические детерминанты паттернированной спайковой активности в коре вибрисс крысы во время взбивания. J. Нейрофизиол. 78 , 1144–1149 (1997).
Артикул КАС Google Scholar
Пуччини, Г.Д., Компт, А. и Маравалл, М. Зависимость от стимула направленной избирательности коры головного мозга. PLoS One 1 , e137 (2006 г.).
Артикул Google Scholar
Бриттен, К.
Х. и другие. Анализ визуального движения: сравнение нейронной и психофизической работоспособности. Дж. Неврологи. 12 , 4745–4765 (1992).
Артикул КАС Google Scholar
Waters, J. & Helmchen, F. Фоновая синаптическая активность в неокортексе скудна. J. Neurosci. 26 , 8267–8277 (2006).
Артикул КАС Google Scholar
Бэр, В., Зохари, Э. и Ньюсом, В. Т. Коррелированные выстрелы в зрительной области макаки МТ: временные шкалы и связь с поведением. Дж. Неврологи. 21 , 1676–1697 (2001).
Артикул КАС Google Scholar
Panzeri, S. et al. Роль времени спайка в кодировании местоположения стимула в соматосенсорной коре крысы. Нейрон 29 , 769–777 (2001).
Артикул КАС Google Scholar
Энгель, А.
К., Фрайс, П. и Сингер, В. Динамические прогнозы: колебания и синхронность в нисходящей обработке. Нац. Преподобный Нейроски. 2 , 704–716 (2001).
Артикул КАС Google Scholar
Громадка Т., Дьюиз М.Р. и Задор А.М. Редкое представление звуков в неанестезированной слуховой коре. PLoS Биол. 6 , e16 (2008 г.).
Артикул Google Scholar
де Кок, К.П. и другие. Репрезентация надпороговых стимулов, специфичных для слоев и типов клеток, в первичной соматосенсорной коре крыс. J. Physiol. (Лондон.) 581 , 139–154 (2007).
Артикул КАС Google Scholar
Йорис, П.Х. и Смит, П.Х. Теория залпа и загадка сферической клетки. Неврология 154 , 65–76 (2008).
Артикул КАС Google Scholar
Венкатачалам, С.
, Фи, М.С. и Кляйнфельд, Д. Ультраминиатюрный заголовочный столик с 6-канальным приводом и имплантацией микропровода с помощью вакуума для хронической записи из неокортекса. Дж. Неврологи. Методы 90 , 37–46 (1999).
Артикул КАС Google Scholar
Аллен, К.Б., Целикель, Т. и Фельдман, Д.Е. Длительная депрессия, вызванная сенсорной депривацией во время пластичности карты коры in vivo . Нац. Неврологи. 6 , 291–299 (2003).
Артикул КАС Google Scholar
Харрис, К.Д. и другие. Временное взаимодействие между одиночными спайками и комплексными всплесками спайков в пирамидных клетках гиппокампа. Нейрон 32 , 141–149 (2001).
Артикул КАС Google Scholar
Sweet Sensation — инженерный журнал JHU
Зима 2019
Дэвид Гленн // Иллюстрации Марка Аллена Миллера
Когда аспиранту Люку Осборну нужно было протестировать датчики на кончиках пальцев, которые он потратил годы на разработку для носителей протезов, ему не пришлось далеко ходить.
Последующее сотрудничество и результаты открывают большие перспективы для людей с ампутированными конечностями.
Однажды осенью 2016 года в лаборатории Кларк-Холла Люк Осборн, MS 14, PhD 18, прикрепил два крошечных бериллиевых медных зонда к левой руке своего сокурсника Дьёрдя Левея, MS ’17.
Левэ потерял большую часть этой руки — вместе с правой кистью и обеими ступнями — шестью годами ранее, когда тяжелая системная инфекция привела к некрозу его конечностей. Теперь он и Осборн оба были студентами в лаборатории Нитиша Такора, профессора биомедицинской инженерии и одного из ведущих мировых новаторов в области протезов.
Медные зонды Осборна были частью дерзкого проекта, над которым он и группа его однокурсников работали в течение трех лет. Цель: дать людям с ампутированными конечностями возможность чувствовать кончики пальцев своих протезов рук.
Под руководством Такора Осборн тщательно разработал датчики на кончиках пальцев, которые имитируют архитектуру нейронов в коже человека.
В течение нескольких месяцев он тестировал датчики на роботизированных настольных протезах рук, обучая их реагировать на различные раздражители.
Теперь пришло время Осборну проверить свои датчики на человеке. Леве, который проводил свою отдельную работу в противоположной части лаборатории, был рад добровольно вызваться.
В киноверсии этой сцены Левэ может быть переполнен эмоциями, поскольку впервые за шесть лет он чувствует ощущения от кончиков пальцев. Реальность была гораздо более несовершенной, трудоемкой и случайной, как Левэ — сам ученый в области технологий протезирования — хорошо знал, что так будет.
«Моя работа заключалась в том, чтобы просто сидеть и рассказывать Люку, что я чувствую в любой момент», — говорит Леве. «Вначале большинство ощущений были просто электрическим раздражением, вроде лизания девятивольтовой батарейки».
Но после сотен испытаний и десятков часов работы в течение полугода команда Осборна усовершенствовала свое оборудование и свои методы.
К концу исследования Левэ мог безо всяких визуальных подсказок достоверно сказать, взяла ли его рука-протез гладкий или острый предмет. Когда его искусственная рука поднимала острые предметы, он ощущал в кончиках своих искусственных пальцев ощущения, которые казались настоящей тактильной болью, а не просто электрическим током.
Исследование, опубликованное в журнале Science Robotics в июне прошлого года, знаменует собой прорыв в обеспечении сенсорной информации для пользователей протезов. Для Осборна это стало кульминацией пяти лет работы.
Люк Осборн (в центре) и Нитиш Такор (справа) в лаборатории, где в 2016 году начались испытания протеза. (Изображение: Уилл Кирк / Homewood Photography)«Часть красоты в области биомедицинской инженерии», — говорит он, «Это то, что он становится сильнее как с медицинской, так и с инженерной стороны. Это именно та работа, которой я надеялся заниматься, когда пришел в Хопкинс».
Такор называет проект Осборна одним из самых впечатляющих, которыми он когда-либо руководил.
«Люк построил датчики, написал алгоритмы и спроектировал эксперимент, — говорит он. «У него был опыт и компетентность, чтобы сделать все это, и он направил все это на решение захватывающей проблемы. В итоге получилось прекрасно».
Крепкий орешек
Осборн прибыл в лабораторию Такора осенью 2012 года. Будучи студентом Университета Арканзаса, Осборн в первую очередь интересовался чистой робототехникой. Но к тому времени, когда он поступил в аспирантуру, он хотел заниматься работой, имеющей медицинское применение. Лаборатория Такора казалась идеальной. Более 25 лет Такор работал над разработкой более совершенных методов управления протезами конечностей как в Университете Джона Хопкинса, так и в соседней лаборатории в Сингапуре.
Осборн быстро обратил внимание на проблему ощущений. За последнее десятилетие в системы управления протезами было внесено много усовершенствований, но было предпринято мало попыток позволить людям с ампутированными конечностями чувствовать сенсорные сигналы от своих протезов конечностей.
«Осязание — это действительно интересно», — говорит Пол Мараско, сенсорный нейрофизиолог, работающий над бионическими протезами в Кливлендской клинике. (Он не участвовал в проекте Осборна.) «Отдельные сенсоры прикосновения в коже на самом деле не обеспечивают связного восприятия прикосновения. Мозг должен собрать всю эту информацию, собрать воедино и осмыслить ее. Мозг говорит: «Ну, хорошо, если у меня есть немного этого и немного того, и есть немного этого, то это, вероятно, означает, что этот объект скользкий. Либо этот объект сделан из металла, либо он на ощупь мягкий». Ни одно из этих восприятий не сопоставляется просто с одним типом сенсорных нейронов. Все они требуют от мозга интеграции данных от нескольких разных типов нейронов. Это одна из причин, почему сенсация оказалась таким крепким орешком и почему ею занимается так мало лабораторий».
Осборн решил попробовать. Он начал свой проект в 2013 году с поиска сенсорных материалов, которые были бы достаточно гибкими, чтобы плавно ложиться на кончики пальцев протеза, но достаточно прочными, чтобы выдерживать многократный контакт с различными объектами.
После нескольких раундов проб и ошибок он разработал резиновую ткань, которая заключает в себе два слоя небольших пьезорезистивных датчиков на основе силикона. Команда называет эту ткань «электронной дермой».
Два слоя электронной дермы имитируют два основных слоя кожи человека: эпидермис и дерму. На внешнем, «эпидермальном» слое команда Осборна разработала определенные датчики, которые ведут себя как человеческие ноцицепторы, которые обнаруживают вредные, болезненные раздражители. В более глубоком, «дермальном» слое датчики отражают четыре типа нейронов, известных как механорецепторы, которые по-разному обнаруживают легкое прикосновение и продолжительное давление.
«Это биомиметический паттерн — массив датчиков, который соответствует тому, к чему привыкли наши нервные окончания», — говорит Такор. «Команда Люка приложила кропотливые усилия, чтобы получить правильные шаблоны».
Разрабатывая датчики на кончиках пальцев, Осборн первоначально проводил лабораторные эксперименты с использованием протеза руки, который не был прикреплен к человеку-пользователю.
В этих чисто роботизированных испытаниях он разработал два рефлекторных ответа, которые имитируют спинальные рефлексы человека. Во-первых, он научил руку крепче сжимать ее, если датчики на кончиках пальцев сообщали ей, что объект соскальзывает. Во-вторых, он научил руку автоматически бросать болезненный предмет.
Задача заключалась в скорости: спинномозговые рефлексы человека срабатывают в пределах от 100 до 200 миллисекунд — подумайте о том, как быстро вы реагируете на горячую плиту, — и команда Осборна хотела соответствовать этой скорости. Для этого протез руки должен был правильно определить всего за 70 миллисекунд, что он схватил что-то болезненное.
«Мы смогли принять это быстрое решение, изучив несколько ключевых характеристик сигнала давления от электронной дермы», — говорит Осборн. «Эти функции включают в себя такую информацию, как местонахождение давления, его величина и скорость изменения давления».
Час здесь, Час там Дьёрдь Левай из Университета Джона Хопкинса по программе Фулбрайта был счастлив стать подопытным для экспериментов Люка Осборна.
К концу 2016 года, когда его лабораторные исследования были завершены, Осборн был готов приступить к тестированию электронной дермы на людях. Сначала он обратился к своему сокурснику Левэю, который поступил в Университет Джона Хопкинса в 2015 году по стипендии Фулбрайта. Получив степень магистра в области биомедицинской инженерии, Леве работал над системами распознавания образов, которые позволяют пользователям протезов лучше контролировать движения своих конечностей. (Левай — лишь один из нескольких пользователей протезов, которые много лет учились в лаборатории Такора.)
Осборн спросил Левэя, не хочет ли он стать подопытным для изучения болезненных раздражителей. Леве сказал, что он абсолютно согласен, особенно с учетом того, что Осборн не планировал имплантировать электроды в кожу Леве, подход, который некоторые лаборатории использовали с другими пользователями протезов.
Левэ добровольно потратил десятки часов своего времени — час здесь, час там — в течение последнего семестра своей магистерской программы.
Первым шагом был длительный период сенсорного картирования. Осборну нужно было найти правильные места для размещения зондов на культе Левея. В большинстве случаев Леве просто ощущал электрическое раздражение или покалывание на самой культе и не ощущал никаких ощущений от своего протеза руки. Но в некоторых благоприятных местах, которые Осборн обнаружил в результате многих часов проб и ошибок, остаточные нервы Левэ могли воспринимать электрические импульсы от фантомной руки только в самой фантомной руке.
Для Осборна пять лет работы увенчались созданием искусственных кончиков пальцев, которые позволяют пользователям протезов, таким как Леве, отличать острые предметы от гладких и чувствовать боль. Это возможно, объясняет Осборн, потому что электрические сигналы, которые он использует, очень мягкие. «Ток, который мы используем, достаточно мал, чтобы его обычно не воспринимала поверхность кожи в месте стимуляции», — то есть в точке, где стимуляция прикрепляется к остаточной руке Леве, — говорит он.
«Но некоторые нервы под кожей обнаруживают сигнал и интерпретируют его как сигнал от рук, который они собираются отправить вверх по течению в мозг».
Когда сенсорное картирование было завершено, команда Осборна смогла приступить к основной части исследования. По мере того как протез руки Леве схватывал гладкие и заостренные предметы, Осборн корректировал программирование системы, оценивая, как и где Леве воспринимал болевые ощущения. (Стол был устроен так, что Леве не мог видеть, что делает его искусственная рука. У него не было никаких визуальных подсказок о том, гладкие он берет предметы или острые.)
Осборн мог регулировать три основные переменные: частоту, амплитуду и ширину импульса. Цель состояла в том, чтобы создать «нейроморфный» сигнал, отражающий сложность наших систем восприятия.
К концу исследования, по словам Леве, он смог воспринимать широкий спектр тактильных ощущений в своей фантомной руке. «Некоторые из них были похожи на то, как будто кто-то давил на мою руку или как на пульсацию крови.
Некоторые из них были очень интересными».
В ходе более чем 150 испытаний Осборн разработал сложный алгоритм, который дал Левэю достаточно точный набор восприятий боли от протеза. Места восприятия боли никогда не были такими точечными, как у неповрежденного человека, и никогда не ожидалось, что они будут такими. Но Леве мог правильно сказать, возникает ли боль по срединному нерву (область большого и указательного пальцев) или по локтевому нерву (мизинец). Исследования электроэнцефалограммы подтвердили, что сигналы были активирующими областями мозга Леве, которые соответствовали фантомной руке.
На протяжении всего проекта Осборн встречался с Такором на еженедельных исследовательских встречах. В команду также входили Андрей Драгомир, старший научный сотрудник Национального университета Сингапура; докторанты школы Уайтинг Джозеф Беттхаузер ’14 и Кристофер Хант ’14; и Харрисон Нгуен ’18, который помог разработать и протестировать последние версии сенсоров на кончиках пальцев.
Как самый молодой член команды, Нгуен говорит, что у него был ценный опыт работы с Осборном и Такором. «В зависимости от того, на каком этапе обучения вы находитесь, Люк может оказать вам большую поддержку и практическую помощь», — говорит он. «И как только вы станете более способными, он будет рад быть более невмешательным. Он всегда готов обсудить проблемы в лаборатории».
Волна будущего
Можно себе представить, что десятки часов, которые они провели вместе в лаборатории, позволили Осборну и Левэ поговорить о делах и обменяться идеями об их взаимной заинтересованности в улучшении протезов. Но все было не совсем так: чтобы сохранить целостность эксперимента, Левэ было крайне важно не знать многие вопросы, на которые пытался ответить Осборн. Когда Левэ описывал ощущения от стимула, Осборн хотел, чтобы его описание основывалось исключительно на том, что он чувствовал, а не на каких-либо знаниях о том, как Осборн программирует систему.
«Люк приложил удивительно много усилий, чтобы убедиться, что я не знаю, что он задумал, — говорит Леве. «Например, на стимуляторе была маленькая красная лампочка, которая мигала каждый раз, когда посылалась стимуляция. Так что, если бы я действительно наблюдал за этим, я мог бы определить частоту стимуляции. Люк заклеил его скотчем, чтобы я его не видел. Его экраны всегда были спрятаны, и я мог смотреть только в определенном направлении. Так что, да, это было тяжело, потому что мне действительно было интересно то, что происходит».
Это было особенно неприятно, говорит Леве, «когда были ощущения, которые мне очень нравились. Я спрашивал: «Что это было?», а Люк отвечал: «Я не могу вам сказать». Это длилось больше года, а я практически ничего не знал о том, что происходит. Конечно, мы работали в одной лаборатории, так что это было намного сложнее. Мы позаботились о том, чтобы работать на противоположных сторонах лаборатории, чтобы я ничего случайно не услышал».
Многослойная электронная дерма состоит из проводящего и пьезорезистивного текстиля, заключенного в резину.
Дермальный слой из двух пьезорезистивных чувствительных элементов отделен от эпидермального слоя, содержащего один пьезорезистивный чувствительный элемент, слоем силиконового каучука толщиной 1 мм. Электронная дерма была изготовлена так, чтобы надевать ее на кончики пальцев протеза руки. 900:03 После завершения работы с Леве команда Осборна проверила сенсорное восприятие у нескольких других людей с ампутированными конечностями в лаборатории Кларк-Холла. В той или иной степени все они способны воспринимать точные сенсорные сигналы от своих фантомных конечностей. Один из будущих вопросов будет заключаться в том, насколько характер первоначальной травмы влияет на сенсорные системы протезов. Например, человек, потерявший конечность в военном конфликте, может иметь иные виды повреждения нерва в культе, чем человек, потерявший конечность в результате септицемии или автомобильной аварии.«Одним из решающих факторов, — говорит Леве, — является уровень произошедшей деградации кожи. Является ли кожа, которая остается на человеке, чувствительной? Он хорошо васкуляризирован? Нервы снова вросли в мышцы?
Осборн, защитивший докторскую диссертацию прошлым летом, надеется продолжить работу над протезными технологиями на протяжении всей своей карьеры.
«Работа Люка над сенсорным вводом — это путь будущего», — говорит Рахул Калики, генеральный директор Infinite Biomedical Technologies, фирмы, занимающейся протезированием, которая отделилась от лаборатории Такора в 1919 году.97 в партнерстве со своим бывшим учеником и соучредителем Анантом Натараджаном MSE ’98. «Сенсорная обратная связь — одна из важнейших вещей, которой не хватает в протезах конечностей».
Студенты лаборатории Thakor в Университете Джона Хопкинса работают над множеством стратегий улучшения протезов. В партнерстве с Infinite Biomedical Technologies они разрабатывают электроды высокой плотности для восприятия мышечных сигналов и системы радиочастотной идентификации, которые позволяют протезам распознавать помеченные объекты, например личную кофейную чашку пользователя, и автоматически готовиться к их захвату. Лаборатория недавно получила крупный грант от Национального научного фонда на разработку датчиков и алгоритмов распознавания текстуры и формы.
«За последние несколько лет во многих лабораториях робототехники были разработаны датчики, — говорит Такор.
«И в своих предложениях они всегда говорят: «Это может иметь применение для протезирования». Но они почти никогда не работают над тем, чтобы сделать датчики полезными для людей с ампутированными конечностями. Это одна из причин, почему я так доволен тем, что сделал Люк».
Осборн, со своей стороны, говорит, что он благодарен Левэю и другим участникам его исследований за те многие часы, которые они добровольно отдали. «Ничто из того, что мы делаем, было бы невозможно без заинтересованности, самоотверженности и готовности участников прийти и работать с нами», — говорит он.
Сегодня, вернувшись в свою родную Венгрию, Леве удаленно работает директором по исследованиям в компании Infinite Biomedical Technologies. Он продолжает совершенствовать свои системы распознавания образов для улучшения контроля пользователей над протезами рук.
Он знает по личному опыту, как высоки ставки. «Для людей, потерявших конечности, ожидания очень высоки», — говорит он. «Если кто-то получает протез, он хочет того, что потерял.
