การกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนในมนุษย์

การกำหนดที่ตั้งวัตถุด้วยเสียงสะท้อนในมนุษย์  ()  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  () 
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

บุคคลน่าสนใจที่ใช้เทคนิคนี้

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

เชิงอรรถและอ้างอิง

แหล่งข้อมูลอื่น
 How to see with sound Article by Daniel Kish in the New Scientist
 Harvard historical study and bibliography
 Ben Underwood 
 Seeing with Sound project
 The Blind Man Who Taught Himself To See Men's Journal
 Bat Man  Reader's Digest
 Human Echolocation  - Learn to See with your Ears - Free audio lesson for learning to click.

ตาบอด
โซนาร์