У людей зрение является основным каналом получения информации о мире. То же самое относится к большинству животных, даже к тем, которые ведут ночной образ жизни и должны в большей степени полагаться на данные других органов чувств. Однако есть исключения: некоторые млекопитающие используют эхолокацию для построения картины своего окружения, эффективно используя ее вместо зрения. Насколько эффективен этот метод сбора информации и может ли он успешно заменить зрение?
Эхолокация
Эхолокация используется несколькими видами животных для навигации в различных средах. Киты, дельфины и летучие мыши издают звуки (высокочастотные звуки), а затем слушают эхо, возвращаемое различными окружающими их объектами. Расстояние до объектов может быть оценено на основе временной задержки между производством звука (щелчка) и обнаружением эха. Поскольку звук распространяется в воздухе со скоростью 340 м / с, задержка в 2 миллисекунды, например, будет означать, что объект / цель находится на расстоянии около 34 см. Кроме того, звуки распространяются в воде быстрее, чем в воздухе, создавая сигналы, производимые китами меньшей длительности, чем сигналы летучих мышей. Некоторые сигналы эхолокации, производимые дельфинами и кашалотами, даже слышны для человека.
Эхолокация и ее значение в животном мире широко изучены. Природа предоставляет замечательные примеры того, насколько эффективной может быть эхолокация. Летучие мыши легко обнаруживают крошечных насекомых в нескольких метрах в полной темноте. Некоторые виды летучих мышей в Китае и Южной Америке могут ловить рыбу в темноте, используя эхолокацию, обнаруживая рябь на поверхности воды, которая указывает на присутствие рыбы под поверхностью.
Хотя эхолокация может быть очень эффективной, она не особенно распространена в животном мире и фактически разрабатывалась независимо несколькими группами эволюционно не связанных видов. Она заметно отличается от зрения, которое присутствует у большинства животных, с механизмами, отточенными за миллионы лет непрерывной эволюции.
Эхолокация и зрение у летучих мышей
Если эхолокация предоставляет по существу ту же информацию, что и зрение, может ли эхолокация полагаться на процессы мозга, связанные с обработкой визуальной информации?
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые исследовали механизмы мозга, лежащие в основе обработки эхо-сигналов, которые позволяют животным наносить на карту объекты с точки зрения расстояния и направления.
Недавно было проведено интересное исследование на летучих мышах с целью выявления того, что происходит в их мозгу, когда они летят через комнату, заполненную препятствиями (то есть акустически отражающими пластиковыми цилиндрами, свисающими с потолка). Чтобы определить механизмы, лежащие в основе движения летучих мышей вокруг этих препятствий, исследователи провели одновременную хронологическую нейронную запись.
Результаты показывают, что летучие мыши скорректировали свой полет и поведение сонара, чтобы реагировать на эхо, исходящее от объектов в комнате. Положение объектов менялось во время сеансов записи, и летучие мыши начинали свой полет с разных начальных точек, чтобы убедиться, что они не полагались на пространственную память предыдущих сессий и использовали только эхо-обратную связь для навигации.
Самым важным открытием было выявление области мозга, которая помогла животным определить местонахождение объектов в окружающей их среде. Сигналы эхолокации обрабатывались в верхнем колликуле, структуре, расположенной в среднем мозге. Верхний колликул состоит из нескольких слоев, которые отвечают на различные виды раздражителей. Известно, что более глубокие слои верхнего колликула участвуют в обработке визуальной информации. Таким образом, кажется, что эхолокация действительно может помочь животным получить изображение окружающей среды, которое является таким же подлинным, как изображение, полученное по визуальным каналам.
Эхолокация и зрение у людей
По мнению ученых, эхолокация не является явлением, совершенно чуждым человеку. Кажется, что некоторые слепые способны обучаться эхолокации.
Используя эту технику, они могут находить объекты, генерируя щелчки рта и слушая их эхо. Возвращенные эхо-сигналы могут предоставить им важную информацию, такую как положение, расстояние и даже размер или форма объектов.
Было проведено несколько исследований для определения основных нервных механизмов, участвующих в эхолокации человека. В одном исследовании были исследованы два человека, квалифицированных в эхолокации, один ранний и один поздний слепой. Авторы исследования измерили активность мозга у обоих участников, слушая их собственные эхо-звуки. Они сравнивали активность мозга с щелчками, которые производили эхо, с активностью мозга контрольных звуков, которые не вызывали эхо.
Оказалось, что обработка эхо-звуков активирует области мозга, которые обычно связаны со зрением, а не со слухом. Более конкретно, эхо-сигналы обрабатывались в зрительной коре (а не в верхнем колликуле, как у летучих мышей и других эхолоцирующих животных). Тем не менее, обработка визуальной информации у людей сосредоточена вокруг зрительной коры, а не верхнего колликула, поскольку зрительная кора человека значительно расширилась по сравнению с большинством животных.
Таким образом, как у животных, так и у людей информация, полученная посредством эхолокации, обрабатывается в тех областях, которые также несут основную ответственность за обработку визуальной информации. Любопытные примеры человеческой эхолокации являются прекрасной иллюстрацией пластичности нашего мозга и его способности адаптироваться к изменяющимся обстоятельствам (в данном случае слепота).
В недавней публикации об эхолокации у людей были рассмотрены возможности применения этого феномена, а также процессы, происходящие в мозгу у экспертов по эхолокации (то есть у людей, обладающих навыками эхолокации). Они сообщили, что эхолокация может позволить слепым людям ощущать небольшие различия в расположении, размере и форме объектов или даже различать различные материалы, из которых сделаны объекты, просто прислушиваясь к эхом своих щелчков во рту.
Похоже, что эхолокация может быть усовершенствована слепыми людьми, чтобы облегчить выполнение повседневных задач и достичь более высокой степени независимости. Основываясь на исследованиях нейровизуализации, обзор подтвердил, что обработка входных сигналов от эхо-сигналов активирует зрительную кору, часть мозга, которая обычно поддерживает зрение в зрячем мозге.
