การกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนในมนุษย์

การกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนในมนุษย์ (อังกฤษ: Human echolocation) เป็นความสามารถในมนุษย์ที่จะกำหนดวัตถุในสิ่งแวดล้อมโดยใช้เสียงสะท้อนจากวัตถุเหล่านั้น โดยที่บุคคลเหล่านั้นก่อต้นเสียงโดยวิธีเป็นต้นว่าเคาะไม้เท้า (ที่ใช้โดยคนตาบอด) กระทืบเท้าอย่างเบา ๆ หรือใช้ลิ้นทำเสียงกริ๊ก ๆ (คือใช้ลิ้นดีดที่เพดานปาก) บุคคลที่ได้ฝึกการกำหนดทิศทางด้วยเสียงสะท้อน สามารถแปลคลื่นเสียงสะท้อนจากวัตถุที่อยู่ใกล้ ๆ เพื่อที่จะระบุตำแหน่งและขนาดของวัตถุอย่างแม่นยำ เป็นความสามารถที่ใช้โดยคนตาบอดบางพวกในการกำหนดทิศทางและการนำทางโดยใช้ระบบการได้ยินแทนที่จะใช้ตัวกระตุ้นทางตา เป็นวิธีที่มีหลักการเหมือนกับกับระบบโซนาร์ (ระบบหาวัตถุใต้น้ำโดยใช้เสียง) และการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนในสัตว์รวมทั้งค้างคาว ปลาโลมา และปลาวาฬมีฟัน

ประวัติพื้นเพ

การกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนในมนุษย์ เป็นความสามารถที่มีการศึกษามาอย่างช้าที่สุดก็ในคริสต์ทศวรรษ 1950 ในสมัยก่อน ๆ ความสามารถนี้เรียกกันว่าเป็น การเห็นด้วยใบหน้า (อังกฤษ: facial vision) หนังสือเกี่ยวกับการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนทั้งในมนุษย์ทั้งในสัตว์ มีมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1959 รวมทั้งงานของไวท์ในปี ค.ศ. 1970

กลไก

การเห็นและการได้ยินมีส่วนคล้ายกันคือเป็นการแปลผลของพลังงานคลื่นสะท้อน คือ ระบบการเห็นแปลผลของคลื่นแสงที่เดินทางไปจากต้นแสง กระทบผิวของวัตถุต่าง ๆ ในสิ่งแวดล้อม แล้วสะท้อนมาที่ตา และโดยนัยเดียวกัน ระบบการได้ยินแปลผลของคลื่นเสียงที่เดินทางไปจากต้นเสียง กระทบผิวของวัตถุต่าง ๆ แล้วสะท้อนมาที่หู ระบบการรับรู้ทั้งสองสามารถดึงข้อมูลจำนวนมากจากสิ่งแวดล้อมโดยการแปลผลพลังงานสะท้อนที่ได้รับ ที่มีรูปแบบซับซ้อน ในกรณีของเสียง พลังงานคลื่นสะท้อนนั้นเรียกว่า เสียงสะท้อน (echo)
เสียงสะท้อนและเสียงอื่น ๆ สามารถสื่อข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งรอบตัวที่เทียบได้โดยหลาย ๆ นัยกับข้อมูลที่สื่อโดยแสง ด้วยเสียงสะท้อน คนตาบอดสามารถรับรู้ข้อมูลที่ซับซ้อน ละเอียด และจำเพาะเจาะจงเป็นระยะทางที่ไกลกว่าระยะความยาวของไม้เท้าหรือแขน คือ เสียงสะท้อนบอกข้อมูลเกี่ยวกับธรรมชาติ (คุณสมบัติ) และระเบียบที่ตั้งของวัตถุในสิ่งแวดล้อมเป็นต้นว่า หลังคา กำแพง ประตูและช่องในกำแพง เสา ขอบถนนและบันได กระถางต้นไม้ คนเดินเท้า หัวก๊อกน้ำดับเพลิง รถที่หยุดอยู่หรือวิ่งอยู่ ต้นไม้และพุ่มไม้ และวัตถุอื่น ๆ อีกมากมาย เสียงสะท้อนสามารถให้ข้อมูลอย่างละเอียดเกี่ยวกับตำแหน่ง ขนาด รูปร่างคร่าว ๆ และความหนาแน่น ของวัตถุ ตำแหน่งโดยทั่ว ๆ ไปก็คือระยะทางและทิศทาง (ซ้าย-ขวา หน้า-หลัง สูง-ต่ำ) ส่วนขนาดหมายถึงความสูง (สูง-เตี้ย) และความกว้าง (กว้าง-แคบ)
โดยเข้าใจความสืบต่อสัมพันธ์ของลักษณะเหล่านี้ ก็จะสามารถรู้ถึงธรรมชาติของวัตถุหนึ่งหรือแม้แต่ของหลาย ๆ วัตถุ ยกตัวอย่างเช่น วัตถุที่สูงและแคบอาจจะเป็นเสา วัตถุสูงที่แคบด้านล่างและกว้างด้านบนอาจจะเป็นต้นไม้ วัตถุที่ทั้งสูงและกว้างมากอาจจเป็นกำแพงหรืออาคาร วัตถุที่กว้างและสูงตรงกลาง แต่เตี้ยกว่าที่ปลายทั้งสองอาจจะเป็นรถที่จอดอยู่ วัตถุเตี้ยกว้างอาจจะเป็นกระถางยาวสำหรับปลูกต้นไม้ แนวกำแพงกั้นดิน หรือขอบฟุตบาท และวัตถุที่เริ่มต้นใกล้และเตี้ยมากแต่เริ่มไกลออกไปในขณะที่สูงขึ้น อาจจะเป็นขั้นบันได ส่วนความหนาแน่นหมายถึงความแข็งแรงความหนาทึบของวัตถุ (ทึบ-เป็นช่อง ๆ, แข็ง-อ่อน) การสำนึกรู้ความหนาแน่นเพิ่มความสมบูณ์และความซับซ้อนให้กับข้อมูลที่ได้ ยกตัวอย่างเช่น วัตถุเตี้ยแต่ทึบอาจจะเป็นโต๊ะ แต่วัตถุที่เตี้ยและเป็นช่องอาจจะเป็นพุ่มไม้ และวัตถุที่สูง กว้าง และเป็นช่อง ๆ ก็น่าจะเป็นรั้ว

มูลฐานทางประสาท

คนตาบอดบางพวกมีความชำนาญในการกำหนดที่ตั้งวัตถุที่ไม่มีเสียง โดยทำเสียงอย่างง่าย ๆ โดยใช้ลิ้นทำเสียงกริ๊ก ๆ แล้วฟังเสียงสะท้อนกลับ งานวิจัยเร็ว ๆ นี้แสดงว่า ผู้ชำนาญในวิธีนี้ ใช้เขตคอร์เทกซ์ในสมองที่คนมีตาปกติใช้ประมวลผลเกี่ยวกับการเห็น เพื่อแปลผลเสียงสะท้อน การเปลี่ยนแปลงการทำงานในเขตสมองอย่างนี้ เป็นปรากฏการณ์ที่รู้จักกันว่า สภาพพลาสติกในระบบประสาท (neuroplasticity)
ในงานวิจัยที่ว่านี้ นักวิจัยตอนแรกทำการอัดเสียงกริ๊กที่ทำโดยผู้มีความสามารถนี้ และเสียงสะท้อนกลับที่เบามากโดยใช้ไมโครโฟนเล็ก ๆ ที่อยู่ในหูของผู้รับการทดลอง ในขณะที่ผู้รับการทดลองนั้น อยู่ข้างนอกอาคารเพื่อที่จะระบุวัตถุต่าง ๆ เช่นรถยนต์ เสาธง และต้นไม้ หลังจากนั้น นักวิจัยก็เล่นเทปให้กับผู้รับการทดลอง ในขณะที่การทำงานในสมองจะได้รับการบันทึกโดยเครื่อง fMRI เป็นที่น่าสนใจว่า เมื่อผู้รับการทดลองได้ยินเสียงอัดเหล่านั้น พวกเขาไม่เพียงแต่มีการรับรู้ถึงวัตถุที่สะท้อนเสียง แต่ปรากฏว่า มีการทำงานในเขตสมองที่ปกติเป็นเขตแปลผลของข้อมูลทางตาของคนที่เห็นเป็นปกติ คือคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิ หรือที่เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า เขตสายตา V1 (ดูรูปด้านบน) และเป็นที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้น เขตในสมองที่ปกติแปลผลของข้อมูลทางหู ไม่ปรากฏว่า มีการทำงานเพราะเหตุแห่งเสียงอัดที่ประกอบด้วยเสียงสะท้อน มากกว่าการทำงานเพราะเหตุแห่งเสียงอัดที่ลบเสียงสะท้อนออกเสีย และสำคัญอย่างยิ่ง เมื่อทำการทดลองอย่างเดียวกันกับบุคคลผู้เห็นเป็นปกติ บุคคลเหล่านั้นไม่สามารถกำหนดตำแหน่งวัตถุ ไม่สามารถรับรู้วัตถุเหล่านั้น และไม่มีการทำงานในสมองที่เกี่ยวข้องกับเสียงสะท้อนโดยประการทั้งปวง

เบ็น อันเดอร์วูด

เบ็น อันเดอร์วูดเป็นเด็กชาวอเมริกันที่ได้รับการวินิจฉัยว่ามีมะเร็งในจอตาตั้งแต่อายุ 2 ขวบ จึงได้ผ่าตัดนัยน์ตาออกเมื่อถึงอายุ 3 ขวบ เขาได้เริ่มใช้เทคนิคการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนตั้งแต่อายุ 5 ขวบ สามารถที่จะรู้ตำแหน่งของวัตถุต่าง ๆ โดยทำเสียงกริ๊ก ๆ ด้วยลิ้น รายการโทรทัศน์ "20/20 เรื่องลึกลับทางแพทย์" ได้อธิบายเรื่องของเบ็นไว้ เบ็นสามารถใช้ความสามารถนี้ในการวิ่งเล่น เล่นบาสเกตบอล ขี่จักรยาน เล่นโรลเลอร์เบลด เล่นอเมริกันฟุตบอล และเล่นสเกตบอร์ด คุณหมอของเบ็นผู้เป็นจักษุแพทย์สำหรับเด็กยืนยันว่า เบ็นเป็นบุคคลที่มีความชำนาญที่สุดคนหนึ่งในการใช้เทคนิคการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อน
เบ็นได้เสียชีวิตไปแล้วเมื่อวันที่ 19 มกราคม ค.ศ. 2009 เมื่อถึงวัย 16 ปี เพราะโรคมะเร็งที่เริ่มแรกทำให้เขาสูญเสียตาไป
 ผู้กำกับหนังชาวโปแลนด์ชื่อว่า Andrzej Jakimowski เจอกับเบ็นและได้รับแรงบันดาลใจจากเบ็น ในปี ค.ศ. 2012 เขาได้สร้างหนังเรื่อง จินตนาการ (Imagine) เกี่ยวกับชายผู้ชื่อว่า "ไอแอน" ผู้เป็นครูสอนวิธีกำหนดทิศทางในพื้นที่ ผู้ได้เดินทางไปถึงคลินิกลิสบอนที่มีชื่อเสียงไปทั่วโลกในการรักษาคนไข้มีสายตาเสียหาย เพื่อที่จะไปทำงานกับคนตาบอด แพทย์ที่เป็นหัวหน้าได้ว่าจ้างไอแอนโดยมีเงื่อนไขว่า คนไข้ต้องไม่มีอันตรายในขณะที่เรียนรู้การใช้เทคนิคการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนที่ไอแอนสอน เพื่อจะไปในที่ต่าง ๆ ด้วยตนเอง

แดเนียวล์ คิช

เทคนิคการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนได้รับการพัฒนาเพิ่มขึ้นโดยชาวอเมริกันชื่อว่า แดเนียวล์ คิช ผู้ทำงานกับคนตาบอดโดยพาเด็กวัยรุ่นตาบอดไปเดินหรือไปขี่จักรยานเที่ยวไปในที่ที่ไม่มีคน แล้วสอนเด็กให้รู้จักการหาทางไปในที่ใหม่ ๆ อย่างปลอดภัยด้วยเทคนิคที่คิชเรียกว่า Flash Sonar (โซนาร์ฉับพลัน) โดยทำงานเป็นส่วนขององค์กรการกุศล World Access for the Blind (โอกาสในการเข้าถึงโลกเพื่อคนตาบอด) คิชผ่าตัดดวงตาออกเมื่ออายุ 13 เดือนเนื่องจากโรคมะเร็งจอตา เขาจึงได้เรียนรู้วิธีการใช้ลิ้นทำเสียงกริ๊ก ๆ ที่เพดานปากเมื่อยังเป็นเด็ก และปัจจุบันสอนคนตาบอดผู้อื่นในเทคนิคการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อน ด้วยวิธีที่เขาเรียกว่า Perceptual Mobility (การเดินทางไปได้อาศัยการรับรู้) แม้ว่าในตอนแรก คิชต่อต้านการใช้ไม้เท้า (สำหรับคนตาบอด) เพราะเห็นว่าเป็นอุปกรณ์เพื่อคนพิการและพิจารณาตนเองว่า "ไม่ใช่คนพิการโดยประการทั้งปวง" ภายหลังคิชได้พัฒนาเทคนิคการใช้ไม้เท้าร่วมกับการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อน เพื่อเพิ่มระดับความสามารถในการไปที่ต่าง ๆ ของเขา
คิชรายงานว่า "ภาพที่เกิดในใจนั้นมีความสมบูรณ์มากสำหรับผู้ที่มีความชำนาญ จนสามารถที่จะรู้สึกถึงความงดงาม ความปล่าวเปลี่ยว หรือความรู้สึกอื่น ๆ (เกี่ยวกับสิ่งแวดล้อม) ทั้งที่มาจากเสียงและเสียงสะท้อน" คิชสามารถที่จะแยกแยะรั้วที่เป็นโลหะจากที่เป็นไม้จากเสียงสะท้อน เพราะรูปแบบโครงสร้างของรั้ว นอกจากนั้นแล้ว ในที่เงียบมาก เขาสามารถได้ยินความแตกต่างกันระหว่างเสียงสะท้อนของไม้กับของโลหะ

ทอม เดอวิทต์

ทอม เดอวิทต์ เกิดในปี ค.ศ. 1979 ในประเทศเบลเยียม เป็นโรคต้อหินแต่กำเนิดในตาทั้งสองข้าง เมื่อเยาว์วัย เดอวิทต์มีท่าทีว่าจะสามารถพัฒนาเป็นนักดนตรี (เป่าขลุ่ย) ที่จะประสบความสำเร็จได้ต่อไป จนกระทั่งถึงปี ค.ศ. 2005 ที่เขาต้องเลิกล้มความตั้งใจนั้นเสีย ตาของเดอวิทต์ได้บอดอย่างสิ้นเชิงตั้งแต่ปี ค.ศ. 2009 เนื่องจากปัญหาที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ คิชเป็นผู้สอนเทคนิคการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนให้กับเขา เขาเป็นที่รู้จักดีจนกระทั่งว่าสื่อมวลชนได้ตั้งชื่อเล่นให้กับเขาว่า "มนุษย์ค้างคาวจากประเทศเบลเยียม"

ดร. ลอเร็นซ์ สแก็ดเด็น

ดร. สแก็ดเด็นได้เขียนบันทึกประสบการณ์ของเขาเกี่ยวกับการมีตาบอด เขาไม่ได้เกิดมาตาบอด แต่สูญเสียสายตาของเขาเนื่องจากโรค ตั้งแต่วัยเด็ก เขาได้เรียนรู้การใช้การกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนดีจนกระทั่งสามารถขี่จักรยานได้ในถนน (ในขณะที่บิดามารดาของเขาคิดว่าเขายังพอมองเห็นได้บ้าง) ภายหลัง เขาได้เข้าร่วมกับงานวิจัยเกี่ยวกับ "การเห็นด้วยใบหน้า" (White, et al. 1970) ประมาณปี ค.ศ. 1998 เขาได้ไปเยี่ยมแล็บประสาทพฤติกรรมวิทยาเกี่ยวกับการได้ยิน (Auditory Neuroethology Laboratory) ที่มหาวิทยาลัยรัฐแมรีแลนด์ และได้ให้สัมภาษณ์เกี่ยวกับประสบการณ์ของเขาเกี่ยวกับการเห็นด้วยใบหน้า ในตอนนั้น นักวิจัยที่แล็บกำลังศึกษาการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนในค้างคาว และมีการตระหนักรู้ถึงปรากฏการณ์ Wiederorientierung ที่กริฟฟินได้พรรณนาไว้ในปี ค.ศ. 1959 ว่า แม้ว่าค้างคาวจะส่งเสียงร้องอยู่เรื่อย ๆ แต่กลับใช้วิธีกำหนดจุดสังเกตด้วยตาเพื่อกำหนดทิศทาง (dead reckoning) ในสถานที่คุ้นเคย ไม่ได้ใช้ข้อมูลจากเสียงสะท้อน ดร. สแก็ดเด็นได้ให้ความเห็นว่า วิธีการกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนต้องใช้ความพยายามมาก ดังนั้น ตัวเขาเองจะไม่ใช้เทคนิคนั้นเพื่อการนำทางในที่ที่คุ้นเคยนอกจากจะเกรงว่า อาจมีอุปสรรคอยู่ในที่นั้น ซึ่งเป็นความเห็นที่ให้ไอเดียเกี่ยวกับพฤติกรรมของค้างคาว
ในประเทศสหรัฐอเมริกา องค์กรพันธมิตรวิทยาศาสตร์ส่วนภูมิภาค (Regional Alliance of Science) องค์กรวิศวกรรมและคณิตศาสตร์เพื่อนักเรียนพิการ (Engineering and Mathematics for Students with Disabilities) องค์กรการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เพื่อนักเรียนพิการ (Science Education for Students With Disabilities) และสมาคมครูวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (National Science Teachers Association) ได้ก่อตั้งรางวัลลอเร็นซ์-เอ-สแก็ดเด็นเพื่อครูดีเด่นประจำปีเพื่อนักเรียนพิการเป็นเกียรติคุณเพื่อเขา

ลูคัส เมอร์เรย์

ลูคัส เมอร์เรย์ ชาวอังกฤษผู้มาจากมณฑลดอร์เซต เกิดมาตาบอด เป็นที่เชื่อกันว่า เมอร์เรย์เป็นคนหนึ่งใบบรรดาคนอังกฤษคนแรก ๆ ที่เรียนรู้การ "เห็น" สิ่งแวดล้อมด้วย echolocation เขาเป็นนักเรียนคนหนึ่งของแดเนียวล์ คิช

เควิน วอร์วิก

นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อว่า เควิน วอร์วิก ทำการทดลองโดยป้อนคลื่นเสียงความถี่สูง (เหมือนที่ใช้ตรวจด้วยเครื่องอัลตราซาวด์) เข้าไปในสมองโดยใช้วิธีกระตุ้นทางไฟฟ้าผ่านอุปกรณ์ที่ฝังอยู่ในสมอง เพื่อเป็นทางประสาทรับรู้อีกทางหนึ่ง ่ช่วงที่อยู่ในการทดลอง เขาสามารถที่จะกำหนดระยะทางจากวัตถุต่าง ๆ และสามารถรู้ถึงการเคลื่อนไหวเล็ก ๆ น้อย ๆ ของวัตถุเหล่านั้น

ฮวน รุยส์

ชาวอเมริกันชื่อว่า ฮวน รุยส์ ปรากฏในรายการ "ซูเปอร์มนุษย์ของสแตน ลี (Stan Lee's Superhumans)" ในตอนแรกที่มีชื่อว่า "มนุษย์อิเล็กโทร (Electro Man)" รุยส์อยู่ในเมืองลอสแอนเจลิส รัฐแคลิฟอร์เนีย และเกิดมาตาบอด ในรายการนั้น เขาแสดงความสามารถในการขี่จักรยานหลบหลีกรถยนต์ที่จอดอยู่และอุปสรรคอื่น ๆ และกำหนดวัตถุที่อยู่ใกล้ ๆ ได้ สามารถเข้าออกจากถ้ำที่เขาสามารถกำหนดความลึกและลักษณะอย่างอื่น ๆ ได้