Mezinárodní tým vědců publikoval v prestižním časopise Nature Communications studii, která ukazuje, že mozek dětí narozených s rozdílem horní končetiny prochází výraznou reorganizací už v raném věku. Na výzkumu se podíleli také vědci z Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze (FEL ČVUT), kteří vyvinuli výpočetní model vysvětlující mechanismus těchto změn.

Studie s názvem Global remapping of the sensory homunculus emerges early in childhood development development vznikla ve spolupráci několika výzkumných týmů z oblasti neurovědy a vývojové psychologie z University of Cambridge, Durham University a University College London.

Za FEL ČVUT se na ní podíleli doc. Matěj Hoffmann a dr. Zdeněk Straka ze skupiny humanoidní robotiky na katedře kybernetiky. Na experimentech se podíleli také robotici z EPFL Lausanne, kteří vyvinuli speciální pneumatické zařízení umožňující stimulovat dotek během snímání mozku v MRI skeneru.

Mozková mapa těla

Mozek obsahuje takzvanou somatosenzorickou mapu těla, někdy označovanou jako senzorický homunkulus. Jde o uspořádání oblastí mozkové kůry, které zpracovávají dotek a další smyslové informace z různých částí těla.

Tuto mapu popsal už v polovině 20. století kanadský neurochirurg Wilder Penfield při operacích pacientů s epilepsií. Jednotlivé části těla jsou v mozku reprezentovány různě velkými oblastmi podle jejich citlivosti – například ruce nebo obličej zabírají výrazně větší prostor než záda. Právě tato mapa je však mnohem dynamičtější, než se dlouho předpokládalo.

Jak se mozek přizpůsobuje chybějící končetině

Výzkumníci pomocí funkční magnetické rezonance (fMRI) sledovali mozkovou aktivitu u dětí ve věku 5–7 let a u dospělých – jak u lidí s rozdílem horní končetiny, tak u kontrolní skupiny.

Výsledky ukázaly, že u lidí narozených bez ruky dochází k rozsáhlé reorganizaci mozkové mapy těla. Oblast mozku, která by za běžných okolností reprezentovala ruku, nezůstává neaktivní – místo toho začíná reagovat na signály z jiných částí těla.

Změny se přitom neomezují jen na bezprostřední okolí této oblasti, ale zasahují širší část somatosenzorické kůry.

Homeostatická plasticita: Mozek si udržuje rovnováhu

Klíčem k pochopení těchto změn je mechanismus nazývaný homeostatická plasticita. „Každý neuron v mozku si do určité míry ‚hlídá‘, aby byl aktivní – aby dostával přiměřené množství vstupních signálů.

Když o některé vstupy přijde, začne zesilovat jiné, aby si tuto úroveň aktivity udržel,“ vysvětluje doc. Matěj Hoffmann z FEL ČVUT.

Pokud tedy neuron v oblasti mozku určené pro ruku nedostává signály z chybějící končetiny, začne zesilovat vstupy z jiných částí těla – například z paže, zápěstí nebo někdy i z obličeje.

„Mozek tak vlastně aktivně hledá rovnováhu v celé síti. Nejde jen o jednoduché pravidlo ‚používej, nebo ztratíš (use it or lose it)‘, ale o komplexnější regulační mechanismus,“ doplňuje dr. Zdeněk Straka.

Výpočetní model z FEL ČVUT

Právě tento mechanismus pomohl vysvětlit výpočetní model vyvinutý na FEL ČVUT. Model vytvořený dr. Zdeňkem Strakou simuloval chování neuronů v somatosenzorické kůře. Každý neuron v modelu měl jednoduché pravidlo homeostatické plasticity – snažil se udržet stabilní úroveň aktivity.

Když modelu výzkumníci „odebrali“ vstupy z ruky, tedy simulovali situaci vrozeného rozdílu končetiny, začala se aktivita v síti přeuspořádávat způsobem, který velmi dobře odpovídal výsledkům naměřeným v mozkových skenech.

„Ukázalo se, že i relativně jednoduchý model dokáže velmi dobře vysvětlit hlavní experimentální výsledky. Recenzenti článku tento přístup hodnotili jako jednu z jeho silných částí,“ říká dr. Straka.

Spojení robotiky a neurovědy

Zapojení týmu z FEL ČVUT souvisí s jejich dlouhodobým výzkumem reprezentace těla a hmatu v mozku – a také v robotických systémech.

Výzkumníci například dříve vyvíjeli model, který umožnil humanoidnímu robotovi iCub vytvořit si vlastní „mapu těla“ na základě dotykových podnětů z umělé kůže.

„V robotice řešíme podobnou otázku: jak se systém naučí, kde na těle byl dotek, a jak si vytvoří mapu vlastního těla. Tyto principy jsou překvapivě blízké tomu, co se děje v lidském mozku,“ říká doc. Hoffmann.

Jeden dílek větší skládačky

Pro výzkumnou skupinu humanoidní robotiky je tato studie jedním z kroků k hlubšímu pochopení toho, jak mozek reprezentuje tělo a jak se tato reprezentace vyvíjí.

„Somatosenzorická mapa je vlastně první místo v mozku, kde se dotek objevuje. Nás ale zajímá i to, jak se tyto informace propojují s motorikou, viděním a dalšími smysly – například když dítě cítí dotek a následně se snaží na to místo sáhnout,“ vysvětluje Matěj Hoffmann.

Video: The robot homunculus: learning of artificial skin representation inspired by the brain