Новые мультисенсорные технологии, основанные на нейрологии, чтобы помочь людям с проблемами зрения

По данным Всемирной организации здравоохранения, ухудшение зрения является общей проблемой, с которой сталкиваются почти 2,2 миллиарда человек во всём мире. Но помощь уже в пути: нейробиологи работают над передовыми технологиями и наукой о мозге, чтобы разработать новые способы ориентирования в окружающем мире для людей с проблемами зрения. На ежегодном заседании Общества когнитивной нейронауки (CNS) исследователи представили новые методы интеграции цифровых тактильных ощущений и звуковых технологий для трансформации реабилитации зрения для детей и взрослых.

«Реабилитация зрения требует сочетания фундаментальных исследований, моделирования и методов нейровизуализации», – говорит Бенедетто Франческалло из Университета Лозанне, которая возглавляет виртуальный симпозиум по реабилитации зрения в CNS 2021. Новая волна устройств, помогающих людям с недостатками зрения, объединяет эти сферы для предоставления более персонализированных, демократичных технологических решений. «Мы используем самые современные методы анализа, вычислительную мощность суперкомпьютеров, возможность записывать данные до уровня детализации, который ранее был невозможен, и возможность создавать всё более совершенные и портативные устройства для реабилитации», – говорит она.

В то же время нейробиологам известно о пластичности мозга, а также о том, как мозг интегрирует информацию из различных органов чувств. «Эта область развивается быстрыми темпами, что является жизненно важным, – говорит Руксандра Тивадар с Бернского университета, – поскольку снижение или отсутствие сенсорной функции является чрезвычайно тяжёлым нарушением, которое влияет на повседневное функционирование и, соответственно, на качество жизни».

Тивадар представляет новое исследование, показывающее, как обратная связь от цифровых тактильных ощущений – используя осязание в сочетании с движением – позволяет людям с недостатками зрения легко узнавать о новых объектах и пространствах. Это лишь один из способов, с помощью которого исследователи используют все человеческие органы чувств для разработки новых технологий реабилитации зрения.

Понять сущность проблемы

Научить человека с недостатками зрения ориентироваться в новом пространстве – это утомительный процесс, говорит Тивадар. – «Нам нужны эрготерапевты, необходимо составить тактильные карты с различной фактурой и, особенно, для разных мест, и тогда мы должны фактически научить человека тактильному исследованию, прежде чем обучать его на улице, – объясняет она. – Представьте себе будущие мобильные телефоны с цифровой тактильной обратной связью, которые позволят людям с недостатками зрения мгновенно узнавать о новых пространствах».

Это будущее, к которому стремится Тивадар; и с новыми результатами, представленными в CNS, она и её коллеги показывают, что это возможно, и в скором времени. В новом неопубликованном исследовании команда Тивадар использовала цифровые тактильные ощущения для представления плана квартиры в 2D. Зрячие участники, которым завязали глаза, изучили макет, исследуя его цифровую тактильную визуализацию. Затем они должны были ориентироваться и выполнять задачи в реальном, физическом пространстве, которое ранее было им неизвестно.

«Наши данные показывают, что люди хорошо усваивают эти макеты только после 45 минут обучения, – говорит Тивадар. – Кроме того, мы также видим, что участники не имеют абсолютно никаких проблем в изучении лёгких траекторий в этом макете; все наши участники добиваются успеха в выполнении этой задачи, независимо от того, обучены они были раньше или нет».

Данные также свидетельствуют о том, что те участники, которые тренировались для более сложной навигации, достигли большего успеха, чем те, кто обучался только на лёгких траекториях. «Эти выводы указывают на то, что для действительно простых макетов люди нуждаются в минимальной подготовке, необходимой для достижения успеха в том, чтобы представить пространство в своих мыслях, а затем физически ориентироваться в нём», – говорит Тивадар.

Достижения в анализе большого количества данных помогли сделать эту работу возможной. Исследователи сняли руки 25 участников, когда они исследовали тактильную табличку в течение 8-10 минут за раз. Затем команда Тивадар использовала глубокую нейронную сеть для анализа примерно 200 видео, используя алгоритм, обучаясь отслеживать движение только одного пальца каждого участника. «Это позволило нам лучше понять, как участники взаимодействуют с тактильными ощущениями, и помочь в дальнейшем развитии приложений этой технологии, – говорит Тивадар. – Представьте, если мы можем видеть предметы и пространства одним пальцем, что мы могли бы сделать, используя все 10 пальцев или всю ладонь, чтобы ощутить».

Работа Тивадар по интеграции тактильных данных родилась в результате многих лет изучения сенсорного восприятия – учитывая не только осязание, но и слуховую информацию. «Действительно, мы изучаем способы, благодаря которым люди могут видеть лучше, используя информацию других органов чувств, – говорит она. – В нейронауке это значит рассматривать, как мозг строит зрительные образы, и пытаться помочь мозгу, увеличивая или дополняя информацию, которую он использует для построения этих образов. Я думаю, просто тот факт, что мы можем это сделать, является абсолютно захватывающим и очень перспективным для реабилитации».

Звуковое решение для детей

Миллионы детей во всём мире живут без зрения; его ухудшение у тех, у кого оно есть, может привести к различным двигательным, перцептивным и социальным проблемам. «У слепых детей много задержек в восприятии и социальных проблем, – говорит Моника Гори от Итальянского технологического института. – Например, зрячие дети учатся дотягиваться до предметов в 5 месяцев. У слепых детей эта способность значительно задерживается и развивается в возрасте одного года. Это порождает целый ряд дополнительных задержек в движениях и взаимодействиях с другими, с которыми реабилитологи сталкиваются каждый день».

Новое мультисенсорное реабилитационное устройство под названием ABBI предлагает новое решение. В работе, представленной в CNS, Гори и его коллеги работают над определением критических периодов, которые лучше всего подходят для вмешательства с помощью этого устройства – помощи слепым детям до 1 года.

Предыдущие исследования показали, что развитие мультисенсорной интеграции происходит поздно, после 8-10 лет. «Это открытие изменило представление людей о развитии мультисенсорных навыков», – говорит Гори. Это позволило её команде разработать методику вмешательства, которая могла бы помочь как детям с недостатками зрения, так и взрослым путём интеграции звуковой и двигательной информации.

Устройство ABBI – это браслет, который они разработали для использования звуковых данных при отсутствии визуальных данных, чтобы помочь восстановить ощущение пространства. В исследовании, посвящённом трехмесячному изучению, дети с недостатками зрения в возрасте от 6 до 15 лет, которые пользовались браслетом, продемонстрировали значительные улучшения ориентирования в пространстве и социальных навыках. Эти результаты стимулировали новое дальнейшее исследование у детей даже младшего возраста.

«Я очень рада возможности раннего вмешательства и помощи детям в развитии восприятия и социальных навыков, – говорит Гори. – Я считаю, что мультисенсорные технологии, возможно, в сочетании с устройствами сенсорной замены, могут принести значительную пользу».

Технологии Гори и Тивадар, наряду с другой работой, представленной на симпозиуме по CNS, позволяют увидеть перспективное будущее для реабилитации зрения, которое не только основанно на последних достижениях в области нейрологии, но и обусловлено необходимостью бюджетных решений, доступных для широкого населения.

Тивадар говорит: «Мы можем улучшить зрительную реабилитацию, используя новые технологии и такие свойства мозга, как мультисенсорная интеграция и кроссмодальная пластичность. Нам нужно изучать дальше, как наши органы чувств могут дополнять друг друга, чтобы найти дешёвые решения для реабилитации зрения».