超音波ヘルメットで誰でもコウモリのように「見える」

「彼は空間内で自分がどこにいるかを把握するために舌打ちをします。これは基本的にコウモリの行動です。」これは、科学ポッドキャスト「Invisibilia」が最近、エコーロケーションで独学で航法を習得した盲目のダニエル・キッシュ氏について述べた言葉です。しかし、この説明は少し的外れです。人間もコウモリもエコーから風景を視覚的に描写できますが、尖った耳を持つコウモリには、超音波という決定的な利点があります。

周囲の状況をより鮮明に映し出す高周波技術は、コウモリのエコーロケーションを再現するヘルメット「ソニックアイ」の基盤となっている。

「人間がエコーロケーションを行うには特別な神経配線が必要なのか、それとも超音波用に設計された耳を持つコウモリが利用できるのと同じ音声情報を使って人間の脳がエコーロケーションを行うことができるのか、私たちは疑問に思っていました」と、スタンフォード大学の理論神経科学者で共同開発者のヤッシャ・ソール・ディクスタイン氏は言う。

ソール＝ディクスタイン氏とカリフォルニア大学バークレー校の元同僚たちがサイドプロジェクトとして開発したこの装置は、頭頂部にスピーカーを搭載し、コウモリのように超音波を発する。反響音が物体に反射すると、音波はヘルメットの両側にあるコウモリ型の耳（耳介）に伝わり、反響の方向を測るのに役立つ。粘土で作られたそれぞれの耳介の中央には超音波マイクが埋め込まれている。コンピュータープログラムが反響音を記録し、瞬時に20分の1に減速させる。

音程と速度を落とすことで、人間の耳には聞こえない超音波エコーが聞こえるようになります。Sonic Eyeの装着者は、エコーの遅延を利用して距離を判断したり、周囲の状況を頭の中で追跡したりすることができます（下の動画をご覧ください）。先月発表された研究では、研究チームは目隠しをしたSonic Eyeの装着者が、ディナープレートが約20センチ（1ドル札の長さをわずかに上回る程度）左右または上下に動いたかどうかを判断できることを示しました。

ソニックアイのヘルメットカメラ、人間エコーロケーションデバイス

この新しいデバイスは、視覚障害者の支援に役立つ可能性に加え、コウモリのように人間の脳が高精細な音風景を理解できるという、確かな根拠を示しています。これまでにも超音波エコーの収集を試みた補助デバイスはありましたが、その多くは音を再処理するため、大量の空間情報が失われてしまいます。

「そこが新しいところです。人はソニックアイを使って周囲の環境について適切な判断を下しますが、信号はダウンサンプリングする以外は何もしません」と、この装置の開発には関わっていない英国ダラム大学の心理学者、ローレ・セイラー氏は言う。

セイラー氏は人間のエコーロケーションを専門としており、彼女の研究によると、熟練したエコーロケーション技能者の音知覚は、視覚と聴覚の間のどこか精神的な領域にあることが示されています。キッシュ氏のような視覚障碍のあるエコーロケーション技能者がfMRI（機能的磁気共鳴画像法）に座り、舌打ちをしてエコーを聞くと、視覚中枢が脳の活動によって活性化します。これは、目が見える人が何かを見る時とよく似ています。

しかし、ここに面白い展開があります。目が見えない人と目が見える人の両方がエコーロケーションを試みると、視覚的な動きを理解する脳の別の領域が活性化するのです。

「脳はエコーロケーションを他の種類の音の情報とはある程度独立して処理しているようです」とセイラー氏は言う。「エコーロケーションは他の聴覚と同じように単なる聴覚ではなく、脳が他の聴覚とは区別して認識している特殊な空間聴覚の一種なのです。」

今のところ、視覚障害のあるエコーロケーターは、訓練を受けた晴眼者よりもはるかに優れた技術を持っています。なぜなら、キッシュのように、子供の頃に才能を開花させた人が多いからです。完成させるには数ヶ月、あるいは数年かかりました。問題は、ソニックアイにも同じことが当てはまるかどうかです。

「理論上、超音波信号はエコーロケーターが舌で発する音よりも高い解像度を実現できる可能性があります」と、現在MITで働く感覚神経科学者で共同開発者のサンタニ・テン氏は語る。コウモリの超音波による鳴き声は波長が短いため、人間の声によるエコーよりも多くの音波を物体から反射する。超音波エコーは反射する音波の断片が多く、脳が処理すべき空間情報もより多くなる。コウモリはわずか6mm、つまり5セント硬貨3枚を重ねた厚さほどの違いを認識できる。

超音波を用いたより優れた音響空間画像によって、人間のエコーロケーション学習プロセスが促進される可能性があります。さらに、視覚障害を持つエコーロケーション利用者の多くは、高度の判断や床近くの障害物の検知に問題があるため、いまだに杖を使用しています、とセイラー氏は言います。彼女は、将来、ユーザーが地上の物体をより容易に追跡できるようになるかどうかを見るのは興味深いだろうと述べています。

「人が方向を定めるために必要な感覚的な手がかりを遮断したくはありません」とテン氏は言います。例えば、コウモリは狩る獲物の大きさに応じて超音波パルスを調整できます。テン氏は、視覚障碍者も超音波出力を好きなだけ調整できるべきだと述べています。

しかし、視覚障害者を対象とした研究に移る前に、チームは現在のプロトタイプをヘッドバンド型に小型化したいと考えていると、共同開発者のベンジャミン・ゴーブ氏は語る。ゴーブ氏はバークレー大学で神経科学の博士課程に在籍し、ソニックアイを視覚障害者向けの製品として開発している。現在、ソニックアイにはソフトウェアをインストールしたノートパソコンをバックパックに入れて持ち運ぶ必要があるが、少し調整すれば、このシンプルなプログラムはマイクロチップやスマートフォンでも実行できる。チームはまた、ベイエリアの視覚障害者コミュニティと協議し、追加機能をカスタマイズする予定だ。