Smyslová substituce znamená přeměnu charakteristik jedné smyslové modality na podněty jiné smyslové modality. Doufá se, že smyslové substituční systémy mohou pomoci handicapovaným lidem tím, že obnoví jejich schopnost vnímat určitou vadnou smyslovou modalitu pomocí smyslových informací z funkční smyslové modality. Smyslový substituční systém se skládá ze tří částí: senzoru, spřahovacího systému a stimulátoru. Senzor zaznamenává podněty a předává je spřahovacímu systému, který tyto signály interpretuje a předává je stimulátoru. Smyslová substituce se týká lidského vnímání a plasticity lidského mozku; a proto nám umožňuje studovat tyto aspekty neurovědy více prostřednictvím neurozobrazování.
Smyslová substituce byla zavedena v 60. letech Paulem Bachem-y-Ritou jako prostředek k využití jedné smyslové modality, především hmatu, k získání informací o životním prostředí, které by byly využity jinou smyslovou modalitou, především zrakem.[1][2] První smyslový substituční systém vyvinuli Bach-y-Rita a kol. jako prostředek plasticity mozku u vrozeně slepých jedinců.[3] Po tomto historickém vynálezu byla smyslová substituce základem mnoha studií zkoumajících percepční a kognitivní neurovědu. Od té doby smyslová substituce přispěla ke studiu mozkových funkcí, lidského poznávání a rehabilitace.[4]
Fyziologie smyslové substituce
Když člověk oslepne nebo ohluchne, většinou neztratí schopnost slyšet nebo vidět, prostě ztratí schopnost přenášet smyslové signály z periferie (sítnice pro vidění a hlemýžď pro sluch) do mozku.[5] Vzhledem k tomu, že cesty zpracování vidění jsou stále neporušené, člověk, který ztratil schopnost získávat data ze sítnice, může stále vidět subjektivní obrazy pomocí dat získaných z jiných smyslových modalit, jako je dotek nebo konkurz.[6]
V pravidelném vizuálním systému jsou data shromážděná sítnicí přeměněna na elektrický podnět v optickém nervu a přenášena do mozku, který obraz znovu vytváří a vnímá. Protože je to mozek, který je zodpovědný za konečné vnímání, je možná smyslová substituce. Během smyslové substituce předává neporušená smyslová modalita informace do oblastí zrakového vnímání mozku, aby člověk mohl vnímat vidět. Díky smyslové substituci mohou informace získané z jedné smyslové modality dosáhnout mozkových struktur, které jsou fyziologicky příbuzné s jinými smyslovými modalitami. Touch-to-voice smyslová substituce přenáší informace z dotykových receptorů do zrakové kůry pro interpretaci a vnímání. Například pomocí fMRI můžeme určit, které části mozku jsou aktivovány během smyslového vnímání. U nevidomých vidíme, že zatímco oni přijímají pouze hmatové informace, jejich zraková kůra je také aktivována, když vnímají předměty.[7] Můžeme také mít touch to touch smyslovou substituci, kdy informace z dotykových receptorů jedné oblasti mohou být použity pro vnímání doteku v jiné oblasti. Například v jednom experimentu Bacha-y-Rity se mu podařilo obnovit vnímání doteku u pacienta, který ztratil periferní vnímání z lepry.[8]
Pro smyslovou substituci a stimulaci mozku bez neporušených smyslových orgánů k přenosu informací je nezbytné vyvinout stroje, které provádějí přenos signálu. Toto rozhraní mozek-stroj je místo, kde jsou vnější signály shromažďovány a přenášeny do elektrických signálů, které mozek interpretuje. Obecně se kamera nebo mikrofon používá ke sběru vizuálních nebo sluchových podnětů, které se používají k nahrazení ztracených smyslových informací. Vizuální nebo sluchové údaje shromážděné ze senzorů jsou přenášeny do hmatových podnětů, které jsou pak přenášeny do mozku pro vizuální a sluchové vnímání. Tento typ smyslové substituce je možný pouze díky plasticitě mozku.[8]
Mozková plasticita je schopnost mozku přizpůsobit se úplné absenci nebo zhoršení smyslu. Smyslová substituce je proto nejspíše vysvětlena studiem plasticity mozku. Kortikální re-mapování nebo reorganizace probíhá, když mozek zažívá nějaký druh zhoršení. Jedná se o evoluční mechanismus, který umožňuje lidem s nedostatkem smyslu přizpůsobit se a kompenzovat pomocí jiných smyslů. Funkční zobrazování vrozeně slepých pacientů ukázalo cross-modální nábor okcipitální kůry během realizačních percepčních úloh, jako je čtení Braillova písma, hmatové vnímání, rozeznávání hmatových předmětů, lokalizace zvuku a zvuková diskriminace.[4] To ukazuje, že slepí lidé mohou používat svůj okcipitální lalok, obecně používaný pro vidění, k vnímání předmětů pomocí jiných smyslových modalit, což by vysvětlovalo jejich často zobrazovaný sklon ke zvýšené síle ostatních smyslů.
Různé aplikace smyslové substituce
Aplikace nejsou omezeny pouze na handicapované osoby, ale zahrnují také umělecké prezentace, hry a rozšířenou realitu. Některé příklady jsou nahrazení vizuálních podnětů zvukovými nebo hmatovými a zvukových podnětů hmatovými. Mezi nejoblíbenější patří pravděpodobně Paul Bach-y-Rita’s Tactile Vision Sensory Substitution (TVSS), vyvinutá s Carterem Collinsem ve Smith-Kettlewell Institute a Peter Meijer’s Seeing with Sound approach (The vOICe). Technický vývoj, jako je miniaturizace a elektrická stimulace, pomáhá rozvoji senzorických substitučních zařízení.
V systémech smyslové substituce máme zpravidla senzory, které sbírají data z vnějšího prostředí. Tato data jsou pak přenášena do spojovacího systému, který interpretuje a přenáší informace a pak je přehraje do stimulátoru. Tento stimulátor nakonec stimuluje funkční smyslovou modalitu.[9] Po tréninku se lidé naučí využívat informace získané touto stimulací k prožívání vnímání pocitu, který jim chybí, namísto skutečně stimulovaného pocitu. Například pacient s leprou, jehož vnímání periferního doteku bylo obnoveno, byl vybaven rukavicí obsahující umělé kontaktní senzory spojené s kožními smyslovými receptory na čele (které byly stimulovány). Po tréninku a aklimatizaci byl pacient schopen prožívat data z rukavice, jako by pocházela z konečků prstů, zatímco ignoroval pocity na čele.[8]
Hmatové senzorické substituční systémy
Pro pochopení hmatové smyslové substituce je nezbytné porozumět některé základní fyziologii hmatových receptorů kůže. Existuje šest základních typů hmatových receptorů: Pacinian corpuscle, Meissnerova corpuscle, Ruffiniho zakončení, Merkelova nervová zakončení, volná nervová zakončení a hmatové disky. Tyto receptory se vyznačují především schopností přizpůsobit se podnětům a jejich prahy.[10] Vzhledem k relativně vysokým prahům většiny těchto receptorů a jejich rychlé adaptaci na podnět vyžaduje lidské tělo rychle se měnící hmatové stimulační systémy.[11]
Existují dva různé typy stimulátorů: elektrotaktilní nebo vibrotaktilní. Elektrotaktilní stimulátory využívají k iniciaci akčních potenciálů přímou elektrickou stimulaci nervového zakončení v kůži; spouštěný pocit, pálení, svědění, bolest, tlak atd. závisí na stimulujícím napětí. Vibrotaktilní stimulátory využívají k iniciaci akčních potenciálů tlak a vlastnosti mechanoreceptorů v kůži. Oba tyto stimulační systémy mají své výhody i nevýhody. U elektrotaktilních stimulačních systémů ovlivňuje spouštěný pocit mnoho faktorů: stimulující napětí, proud, vlnění, velikost elektrody, materiál, kontaktní síla, umístění kůže, tloušťka a hydratace.[11] Elektrotaktilní stimulace vyžaduje přímou stimulaci nervů, proto je nutné zasunout jehly s elektrodami do kůže.[12] To také způsobí další utrpení pacienta a je hlavní nevýhodou elektrotaktilního pole. Stimulace kůže bez zasunutí navíc povede k potřebě vysokonapěťové stimulace kvůli vysoké impedanci kůže.[11] Vibrotaktilní systémy využívají vlastnosti mechanoreceptorů v kůži, takže mají méně parametrů, které je třeba monitorovat ve srovnání s elektrotaktilní stimulací. Vibrotaktilní stimulační systémy však musí počítat s rychlou adaptací hmatového smyslu.
Dalším důležitým aspektem hmatových smyslových substitučních systémů je umístění hmatové stimulace. Hmatové receptory jsou hojné na konečcích prstů, obličeji a jazyku, zatímco na zádech, nohou a pažích jsou řídké. Je nezbytné vzít v úvahu prostorové rozlišení receptoru, protože má zásadní vliv na rozlišení smyslové substituce.[11]
Níže naleznete několik popisů současných hmatových substitučních systémů.
Náhrada zraku
Jednou z nejranějších a nejznámějších forem senzorických substitučních zařízení byla TVSS Paula Bacha-y-Rity, která převedla obraz z videokamery na hmatový obraz a spojila ho s hmatovými receptory na zádech jeho nevidomého subjektu.[1] V poslední době bylo vyvinuto několik nových systémů, které propojují hmatový obraz s hmatovými receptory na různých částech těla, jako je hrudník, čelo, koneček prstů, břicho a čelo.[5]Hmatový obraz vytváří čtyři sta aktivátorů umístěných buď na osobě. Aktivátory jsou solenoidy o průměru jednoho milimetru. Při experimentech se mohou nevidomé (nebo poslepu) subjekty vybavené TVSS naučit rozpoznávat tvary a orientovat se. V případě jednoduchých geometrických tvarů bylo k dosažení stoprocentně správného rozpoznání zapotřebí přibližně 50 pokusů. Identifikace objektů v různých směrech vyžaduje několik hodin učení.
Systém využívající jazyk jako rozhraní člověk-stroj je nejpraktičtější. Rozhraní mezi jazykem a strojem je chráněno zavřenými ústy a sliny v ústech poskytují dobré elektrolytické prostředí, které zajišťuje dobrý kontakt s elektrodami.[13] Výsledky studie Bach-y-Rita et al. ukazují, že elektrotaktilní stimulace jazyka vyžadovala 3% napětí potřebného ke stimulaci prstu.[13] Vzhledem k tomu, že je praktičtější nosit ortodontický držák, který drží stimulační systém, než přístroj připoutaný k jiným částem těla, rozhraní jazyk-stroj je oblíbenější mezi systémy TVSS.
Tento systém TVSS jazyka funguje tak, že prostřednictvím pružného elektrodového pole umístěného v ústech dodává do dorsumu jazyka elektrotaktilní podněty. Toto elektrodové pole je připojeno k jednotce TDU (Tongue Display Unit) pomocí páskového kabelu vedoucího z úst. Videokamera zaznamenává obraz, přenáší jej do TDU pro konverzi na hmatový obraz. Hmatový obraz je pak promítán na jazyk pomocí páskového kabelu, kde receptory jazyka zachycují signál. Po tréninku jsou subjekty schopny přiřadit určité typy podnětů k určitým typům vizuálních obrazů.[5][14] Takto lze hmatový vjem využít pro vizuální vnímání.
Takticko-sluchová substituce
I když v současné době neexistuje žádný hmatově-sluchový substituční systém, nedávné experimenty Schurmanna a spol. ukazují, že hmatové smysly mohou aktivovat lidskou sluchovou kůru. V současné době mohou být vibrohmatové podněty použity k usnadnění sluchu u normálních a sluchově postižených lidí.[15] K testování sluchových oblastí aktivovaných dotykem Schurmann a spol. testovali subjekty při stimulaci jejich prstů a dlaní vibračními výboji a konečky prstů hmatovým tlakem. Zjistili, že hmatová stimulace prstů vede k aktivaci oblasti sluchového pásu, což naznačuje, že existuje vztah mezi konkurzem a hmatem.[15] Proto může být proveden budoucí výzkum, aby byla prozkoumána pravděpodobnost hmatově-sluchového smyslového substitučního systému.
Taktově-vestibulární substituce
Hmatově-taktilní substituce pro obnovení periferních vjemů
Touch to touch sensory substitution is where information from touch receptors of one region can be used to perceive touch in another. Například v jednom experimentu od Bach-y-Rity bylo vnímání dotyku obnoveno u pacienta, který ztratil periferní vjemy z lepry.[8] Například tento malomocný pacient byl vybaven rukavicí obsahující umělé kontaktní senzory spojené s kožními senzorickými receptory na čele (které byly stimulovány). Po tréninku a aklimatizaci byl pacient schopen prožívat údaje z rukavice, jako by pocházely z konečků prstů, zatímco ignoroval vjemy na čele.[8] Po dvou dnech tréninku jeden z malomocných subjektů hlásil „nádherný pocit z dotyku své ženy, který nebyl schopen prožít 20 let.“[17]
Systém zpětné vazby na protézy končetin
Vývoj nových technologií, který byl nyní učiněn, je přijatelný pro to, aby pacientům s protetickými pažemi poskytl hmatové a kinestetické cítění.[18] I když se nejedná čistě o smyslový substituční systém, používá stejné principy pro obnovení vnímání smyslů. Některé hmatové metody zpětné vazby pro obnovení vnímání doteku u amputovaných by byly přímou nebo mikrostimulací hmatových nervových aferentů. [18]
Další aplikace senzorických substitučních systémů lze vidět ve funkčních robotických protézách pro pacienty s vysokou úrovní kvadruplegie. Tyto robotické paže mají několik mechanismů detekce skluzu, vibrací a detekce textury, které předávají pacientovi prostřednictvím zpětné vazby.[17] Po dalším výzkumu a vývoji mohou pacienti informace z těchto paží využít k tomu, aby vnímali, že drží a manipulují s předměty, zatímco jejich robotická paže tento úkol skutečně plní.
Systémy sluchové smyslové substituce
Systémy sluchové smyslové substituce, jako jsou hmatové smyslové substituční systémy, mají za cíl využít jednu smyslovou modalitu ke kompenzaci nedostatku jiné smyslové modality, aby získaly vnímání té, která chybí. Při sluchové smyslové substituci používáme vizuální nebo hmatové senzory k detekci a ukládání informací o vnějším prostředí. Tyto informace jsou pak přenášeny pomocí rozhraní mozek-stroj do sluchových signálů, které jsou pak přenášeny přes sluchové receptory do mozku.
Náhrada sluchově-zrakového vjemu
Konečným cílem je poskytnout syntetickému vidění skutečně vizuální vjemy využitím neuronové plasticity lidského mozku. Výzkum neurověd ukázal, že zraková kůra i dospělých nevidomých lidí může začít reagovat na zvuk a „vidění se zvukem“ by to mohlo ve vizuálním smyslu posílit živým videem z kamery na hlavě zakódované do zvuku. Do jaké míry kortikální plasticita skutečně umožňuje funkčně relevantní předělání nebo přetvoření lidského mozku, je dosud velkou neznámou a zkoumá se v otevřené spolupráci s výzkumnými partnery po celém světě.
Technologie vOICe vidění je jedním z několika přístupů k smyslové substituci (substituci vidění) pro nevidomé, jehož cílem je poskytnout uživateli syntetické vidění pomocí neinvazivní vizuální protézy. VOICe převádí živé pohledy kamery z videokamery do zvukových snímků.[19] Tento systém využívá obecné mapování videa na zvuk přiřazením výšky k výšce a jasu k hlasitosti při snímání zleva doprava jakéhokoli videosnímku.[5] Pohledy se obvykle obnovují přibližně jednou za sekundu s typickým rozlišením obrazu až 60 x 60 pixelů, jak lze prokázat spektrografickou analýzou.[19]
Výzkum neurověd a psychologie ukazuje nábor relevantních oblastí mozku při vidění zvukem, jakož i zlepšení funkčnosti prostřednictvím tréninku.[20][21][22]
Dalším úspěšným přístrojem pro nahrazení zraku sluchovým vjemem je Prosthesis Substituting Vision for Audition (PSVA).[23] Tento systém využívá televizní kameru umístěnou na hlavě, která umožňuje v reálném čase on-line převod obrazových obrazců do zvuku. Zatímco se pacient pohybuje, přístroj zachycuje obrazové snímky na vysoké frekvenci a generuje odpovídající komplexní zvuky, které umožňují rozpoznání.[5] Vizuální podněty jsou převedeny do sluchových podnětů s využitím systému, který využívá vztahu pixel-frekvence a spojuje hrubý model lidské sítnice s inverzním modelem hlemýždě.[23]
Jiné přístupy k nahrazení sluchu zrakem používají binární směrové podněty, podobně jako to dělá přirozená lidská echolokace. Příkladem druhého přístupu je čip „SeeHear“ z Caltechu.[24]
Prostřednictvím stimulace elektrod implantovaných do lidského nervového systému je možné aplikovat proudové pulzy, které se příjemce naučí a spolehlivě rozpozná. V experimentech Kevina Warwicka bylo úspěšně prokázáno, že signály lze použít z ukazatelů síly/dotyku na robotí ruce jako komunikační prostředek.[25]
Bylo namítnuto, že pojem „substituce“ je zavádějící, neboť se jedná pouze o „přidání“ nebo „suplementaci“, nikoli o substituci smyslové modality.[26]