科学のために窒息する

真っ暗だ。私は地上3メートルほどの高さで車のシートに縛り付けられて座り、ヘッドフォンで耳を傾けている。「聞こえますか？」ハンス・ギュンター・ヌセックの声が聞こえる。テュービンゲンのマックス・プランク生物サイバネティクス研究所の実験技術者は、ガラスと遮光ブラインドで遮られた部屋の隣に座っている。彼はこれから始まる実験について説明してくれた。私が被験者です。カーシートは、ヌセックのコンピューターによって制御される巨大な産業用ロボットの長いアームに乗って、サイバニュームのホールを荒々しく駆け抜けようとしている。サイバネウム – これはテュービンゲンの知覚専門家の新しい研究棟の名前です。壮観な筋骨格系と仮想の幻想世界があり、ハードボイルドな自然の遊園地に似ています。

ヌセックは、私が平衡感覚だけを使ってロボットアームの動きにどれだけうまく追従できるかを調べたいと考えています。科学者が体育館ほどの大きさの部屋のブラインドを閉めたとき、すでに私の視覚のスイッチはオフになっていました。今、彼はヘッドフォンから大きなシュー音を出し、私の音響感覚を麻痺させています。私に残っているのは、内耳にある非常に敏感な感覚器官である前庭系だけです。ヘッドフォンから「Tröööööt」という音が聞こえます。開始信号がノイズをかき消します。ホールの端で、赤いランプが闇夜に点灯しますが、再び消えます。私の仕事は、ハンドルを使ってロボットアームを回転させ、ランプの直前、またはランプがあると思われる場所で停止することです。ロボットアームは円運動しかできませんが、暗闇でロボットアームを制御するのがいかに難しいかはすぐにわかりました。

デバイスに付属

腕が軽く回転するたびに、私は自分自身の声に耳を傾けます。私は、宇宙における私と私の方向性を示すイメージを想像しようとします。私は暗闇を見つめます。それとも目を閉じた方が良いでしょうか？ランプに近づくたびに、ハンドルの横にあるボタンを感じて押します。ハンスギュンターヌセックにとって、それは旅の終わりに到達したという合図です。その後、コンピューターがその位置を保存し、腕が突然新しい開始位置に移動します。デバイスのなすがままになるのは、楽しい経験ではありません。スピーカーから再びクラクションが鳴り響きます。旅がまた始まります。それはラウンドごとに続きます。

暗闇、ヘッドフォンの騒音、仕事の単調さ、ロボットアームのけいれん、激しい加速とブレーキ。トランス状態に陥ったように感じます。そして、一つの感覚に頼らなければならないのは、大変な努力が必要です。人間は、すべての感覚を同時に使って世界を認識するように作られています。今大変な仕事をしなければならない脳の領域、つまり前庭系の高感度の運動センサーから脳に入ってくる情報が処理される領域の活動を文字通り感じることができます。

この情報処理中に正確に何が起こるかは、ハインリヒビュルトホフ教授を悩ませている疑問の 1 つです。テュービンゲン研究所の認知人間精神物理学部門の所長は、人々が周囲の世界をどのように認識するかを長年研究してきました。彼の洞察: 私たちが世界をありのままに認識していると信じるのは幻想です。そのような客観的な認識は存在しません。なぜなら、脳は常に、すべての感覚器官から人々に毎秒入ってくる情報に独自の貢献を行っているからです。脳は、以前の経験から得た知識を分類、解釈し、貢献します。

サイバネウムの隣の建物にあるオフィスに座っているハインリヒ・ビュルトホフは、簡単な例を使ってこれを説明します。「この部屋を見回してください。あなたの経験から、家具やその他のものはそのように変化しないことがわかります」と科学者は、大きな身振りで家具を指差しながら言いました。「たとえ見ていなかったとしても、すべてがまだそこにあると考えてください。」

犬か猫か？

人間の知覚全体はそのような仮定に基づいて機能し、脳は自身の経験の膨大なプールから引き出します。ここで重要な要素は、カテゴリーに分けて認識することです。小さな子供は、その動物が大きくて黒いか、小さくて茶色かに関係なく、犬が何であるかをすぐに学び、それを猫と混同しません。「この分類サービスがなければ機能しません。そうでなければ、私たちは言語を失い、コミュニケーションをとることができなくなります」とブルトホフは言います。人間の認識は客観的とは程遠いものです。カテゴリというのは恣意的なものだからです。例のリストは無限に拡張できます。人間の知覚には、脳の仮定や経験の影響を受けない側面はありません。

しかし、どのようなルールが適用されるのでしょうか?そして、さまざまな感覚はどのように相互に影響を与えるのでしょうか?これらの疑問を調査するために、ビュルトホフと彼の同僚は、1 つの共通点を持つ豊富な実験を設定しました。それは、私の実験のように、他の形式の知覚の影響を無視することで、個人の感覚の働きを垣間見ることができるということです。ロボットアーム上のカーシート。

この実験はバランス感覚のみを扱います。ハンス＝ギュンター・ヌセックと彼の同僚は、彼がその経験からどのような形で、どの程度影響を受けているのかを知りたいと考えている。実験後、評価プログラムでロボットアームに対して私が行った作業を検討すると、最初の手がかりはすでに存在すると研究者は説明します。「彼らは常に走りすぎていました。平均して約 30 センチメートルです」とヌセック氏は説明します。これは、これまでの一連のテストの結果と一致しています。したがって、自分自身の動きは通常過小評価されます。まだ目的地に到着していないと思って、ロボットアームを回しすぎてしまいます。

カーブ内に配置

脳がどのような経験をもたらすのかを明らかにするために、ヌセックは実験に別の要素を組み入れましたが、私はほとんど気づきませんでした。彼は動作中に繰り返し私の座席をわずかに傾けました – 時には私が少しカーブしていると感じるような方法で、時には私が少しカーブしているように感じました反対方向に。これにより、ヌセックは私の平衡システムを欺くことができました。なぜなら、ヌセックは私の体に作用する力しか測定できないからです。これらの力が加速度から来るのか、それとも重力の方向の変化から来るのかを区別することができません。

結果: ヌセックが旋回中に私をコーナーに置いたとき、加速が少なくなったと感じました。逆に、彼が私の席でカーブから身を乗り出したときの加速度はより大きく、カーブを高速で曲がる車の中で寝ている乗客のような気分になりました。「私たちは、まさにこの脳内の計算ステップの真相に到達したいと考えています」とヌセック氏は説明します。なぜなら、このプラスまたはマイナスの加速度が完了した動作の評価にどのような影響を与えるかは、車を運転するときに何度も経験することに依存するからです。ここでも、オートバイのようにカーブに体を傾けるのではなく、カーブに合わせて体を傾けます。反対方向の車両 – これはシトロエン 2CV、「アヒル」で伝説になりました。この経験は、無意識とはいえすでに何千回も収集されており、ロボットアームの動きを推定する役割を果たす可能性があるとヌセック氏は言う。

テュービンゲンのマックス・プランク研究所の博士研究員であるジェニファー・カンポスも、動きの知覚を研究しています。サイバネウムに研究室を構えているこの研究者は、多くの人が気づいていない感覚、つまり、歩くときに足が移動する距離によってもたらされる感覚を研究しています。脳はこの情報を視覚的な印象と結び付け、それを使用して空間内の動きの評価を作成します。もちろん、この比較は私たちの経験にも影響されています。しかし、感覚の相互作用は正確にどのように機能するのでしょうか?

溝の底で

それを調べるために、研究者は私をトレッドミルに乗せ、スクリーン一体型のメガネを頭にかぶせました。その中で彼女は完全にまっすぐな仮想の溝を示しており、その底に私が立っているように見え、これから私はそれに沿って歩く必要があります。しかし、彼女はトレッドミルを動かす前に、天井からぶら下がっているクライミングハーネスで私を吊り下げました。まるで歩き方を学び始めた幼児のように。そうすれば、現実世界にいるのと同じように、バランスを崩してもラインから落ちることはなく、目が見えなくなります。トレッドミルに足が少しぎこちない感じがして、実験が始まります。

仮想の溝を数歩進むと、トレッドミルが足の下を滑り、そして停止します。溝の中にボールが表示され、手のジョイスティックを使ってボールを前後に押すことができます。以前にカバーしたと思われる距離に正確にボールを自分の前に置く必要があります。私が知らないこと: ジェニファー・カンポスが私を操作している。彼女は、メガネを通して私に見せた対応する画像に対応する速度よりも速く、または遅くテープを流します。つまり、足から脳に伝わる情報は、目で見る情報とは異なります。最終的に仮想ボールを配置する場所は、私の脳が 2 つの感覚刺激に与える重み付けを示唆しています。「このようなシミュレーターは、患者のリハビリテーションにも使用できる可能性があります」とカンポス氏は説明します。たとえば、脳卒中患者が転倒の危険を冒さずに空間内での動きや調整を練習するのに役立つ可能性がある。

サイバースペースの路上で

トレッドミルのすぐ隣で、Lili Tcheang が別の実験装置を持って私を待っています。その装置は、ほとんどグロテスクな外観のヘルメットで構成されており、その半分の殻に白いボールが入った 5 本の棒が取り付けられています。これらのボールを使用すると、部屋の壁に取り付けられたセンサーが部屋内の私の位置を特定できます。この装備には、ラップトップを備えたバックパックと統合スクリーン付きのメガネも含まれています。この実験中は自由に動けます。

しかし、背中のラップトップから眼鏡の画面に送信される画像のおかげで、仮想空間にいるように感じます。その中で、Lili Tcheang は、浮かぶコーヒーポット、円錐形の物体、サッカーボールなど、奇妙なものを出現させることができます。リリー・チェアンが私の手を取ってくれる。私たちは一緒にいくつかのステップを踏みます – 彼女は現実世界にいて、私は表示されるイメージによって目の前に作成された仮想空間にいます。それからチェアンは私を放し、最初の場所に戻るように言いました。私がそこに到着したと思うと、研究者は実際の開始点にサッカーボールを出現させます。これにより、どれだけ目標を外したかがわかります。

ここでも科学者は私の感覚を欺きます。彼女は表示される画像を変更して、私が仮想空間を私の足が信じられないほど速くまたは遅く移動しているように見せます。このようにして、彼女は、視覚的な印象と、前庭系の反応や脚が伝える感覚との相互作用から、脳が空間内の空間方向をどのように調整しているかを知ることができます。現実世界に戻ると、ビュルトホフの従業員の一人が私をテュービンゲンのダウンタウンに連れて行ってくれました。サイバニウムも仮想的なものであるため、サイバニウムからわずか数歩の距離にあります。

「仮想テュービンゲン」は、研究者らが研究所の暗い地下室に設置した実験の名前です。テュービンゲンの旧市街のコンピュータ画像は、複数のビデオプロジェクターを組み合わせて、タイヤの内側のように湾曲した高さ 3 メートルのスクリーンに投影され、3 次元画像が作成されます。約 200 戸の住宅と約 500 × 150 メートルのエリアを仮想的に探索できます。これを行うには、従業員が私の手にジョイスティックを置き、曲面スクリーンの底を傷つけないように厚いフェルトのスリッパを履かなければなりません。ジョイスティックを自分の方に引くと、足が地面にしっかりと着いているにもかかわらず、すぐに飛んでいるような感覚が得られます。家の壁に衝突したくないので、最初はためらいながら、私は穏やかな動きで飛行機を操縦し、テュービンゲンの旧市街の狭い通りを通過しました。それからどんどん速くなっていきます。木骨造りのファサードが飛び去っていく印象は、一見本物のようです。ここが暗い地下室であることを忘れてしまいそうです。

世界の片隅で

「キャスターを止めろ！」現在の不動産募集がぼんやりと見える建築協会の窓に衝突しないようにしながら、通り過ぎながら家の壁の落書きとして読んだ。仮想空間を作成するために研究者がまとめた写真は、これほど詳細なものだテュービンゲンです。私がつまずくのはただ 1 つだけです。限界に達したとき、コンピューターの中の街が突然終わってしまいます。円盤の端には世界の終わりを思わせる深淵がある。気味の悪い。

しかし、長い目で見ると、フライトは疲れるものです。何かが間違っているからです。視覚的な印象だけが私の脳に届きますが、私の平衡感覚は仮想空間の動きを認識していません。この矛盾にめまいがする。しかし、吐き気と頭痛に圧倒される前に、フライトを終了して、ビュルトホフの従業員に「仮想テュービンゲン」で何が可能か説明してもらいたいと思います。

科学者たちは、たとえば、人々が外国の都市でどのように自分の位置を特定するのか、そしてその際に記憶やその他の感覚がどのような役割を果たしているのかを調べるためにこのシステムを使用しています。ある実験は次のように行われました。これまでテュービンゲンに行ったことのない被験者に、市内中心部を通るルートを案内しました。同時に、言語的または視覚的なタスクを完了するか、特定の信号音がどの方向から来るかを示す必要がありました。この学習段階の後、彼らは再び街を通る道を見つけなければなりませんでした。これにより、研究者らは 3 つのタスクのうちどれが方向感覚を最も混乱させたかを特定することができました。それはスピーキングテストでした。彼らは最大の混乱を引き起こした。

聴覚と視覚が通過するとき

ただし、空間聴覚と視覚のテストの影響は小さかったです。この結果は、人間の指向性が言語能力と強く関連していることを示唆しています。誰が考えただろうか？他の実験では、マックス・プランクの研究者は、すでにテュービンゲン周辺の道を知っており、旧市街の建物や路地に精通している被験者を対象に研究を行いました。仮想テュービンゲンの画像はもちろん操作できるため、科学者たちは目立つ点を自由に交換し、被験者がつまずく原因をテストすることができました。

私は研究所の暗い研究室を出て、本当の涼しい夜に足を踏み入れます。仮想世界への旅行で頭がクラクラし、耳がざわめき、お腹の調子も良くありません。深呼吸をして周りを見回す。私の目は画像を提供し、私の耳は音を提供し、私の前庭系は私の動きと空間内の私の位置に関する信号を提供し、私の脚は私が自分の位置を感じることを可能にします。そして私の脳はこれらすべてを使って、客観的現実と呼ばれるものを組み立てます。しかし、彼女はそうではないのです。ビュルトホフからのメッセージが到着しました。 ■

ウルリッヒ・デヴァルト著

コンパクト

· 感覚の相互作用を研究するために、研究者は感覚の 1 つだけ、たとえば平衡感覚のみが必要な実験を考案します。

· あるいは、小さな操作を通じて 2 つの感覚を互いに矛盾させます。

· 仮想環境での実験により、人間の方向性など、驚くべき洞察が得られました。

トピックの詳細

インターネット

テュービンゲンマックスプランク生物サイバネティクス研究所のホームページ: www.kyb.mpg.de

数多くの実験の説明があるサイバネウムのホームページ: www.cyberneum.de

多数の説明とアニメーション映画を含む「Virtual Tübingen」: virtual.tuebingen.mpg.de