Úvod
Věda
Planeta země
Historie
Zajímavosti
Lifestyle
Záhady a napětí
Mozek dětí se přizpůsobuje chybějící končetině už v raném věku. Podobné je to u robotů.

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.

Mozek není pevně daná mapa. Už v raném dětství se dokáže přeuspořádat a „přepsat“ reprezentaci těla, pokud některá část chybí.
Mozek není pevně daná mapa. Už v raném dětství se dokáže přeuspořádat a „přepsat“ reprezentaci těla, pokud některá část chybí.

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.

Senzorický homunkulus jako živý systém. Oblasti mozku, které běžně patří ruce, mohou převzít signály z jiných částí těla. Podobně je to u robotiky.
Senzorický homunkulus jako živý systém. Oblasti mozku, které běžně patří ruce, mohou převzít signály z jiných částí těla. Podobně je to u robotiky.

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.

Procesy v mozku dnes výzkumníci studují kombinací experimentů s dětmi a modelování na humanoidních robotech.
Procesy v mozku dnes výzkumníci studují kombinací experimentů s dětmi a modelování na humanoidních robotech.

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.

Robot jako model mozku. Výzkum Matěje Hoffmanna z FEL ČVUT ukazuje, že principy, podle nichž si dítě vytváří mapu těla, lze simulovat i v humanoidních robotech.
Robot jako model mozku. Výzkum Matěje Hoffmanna z FEL ČVUT ukazuje, že principy, podle nichž si dítě vytváří mapu těla, lze simulovat i v humanoidních robotech.

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

Související články
Na privátně vlastněném ostrově Nosy Ankao, rozprostírající se severovýchodně od pobřeží Madagaskaru, se odehrává příběh, který začal jako odvážný ochranářský experiment. Dnes, téměř o deset let později, se z něj stal mimořádný příklad toho, že návrat ohrožených zvířat k přirozenému životu může fungovat. Na ostrově nyní žije 19 lemurů korunkatých (eulemur coronatus) a jedna ze […]
Roste pomalu, ale vydrží déle. Tento vzorec se opakuje u bylin, keřů i lián od Arktidy po polopouště. Mezinárodní tým vědců vedený Botanickým ústavem Akademie věd ČR analyzoval více než 3 100 druhů rostlin z pěti kontinentů a ukázal, že pomalý růst je napříč různými skupinami rostlin spojen s delším životem. Výsledky publikované v časopise […]
Líbivé rčení, že „oči jsou okna do duše“, už jste určitě slyšeli. Kupodivu ale nejde jen o prázdnou frázi. Z jejich stavu lze rozpoznat nejen celkovou fyzickou kondici, ale i stovky vnitřních onemocnění.   Žlutavé, lehce vystouplé skvrny v očním okolí nejsou nic, co by nedokázala zkrotit trocha šikovnosti a make-upu. Na pohled kosmetický problém […]
Agrovoltaika vznikla před čtyřiceti lety v Německu, v současnosti ji však nejvíce rozvíjí Izrael. A zatímco v zemích s mírným klimatem se řeší, aby panely nestínily plodinám příliš, v Izraeli zase, aby stínily dostatečně a ochránily úrodu před spálením.   V Údolí pramenů letos získali rekordní úrodu 30 tun hroznů vypěstovaných právě tímto způsobem. Oblast […]
reklama
Historie
Patent tiskařce udělil sám císař
„Tak vy chcete privilegium dvorské tiskárny?“ ptá se úředník dvorské kanceláře elegantně oděné dámy. „Zklamu vás. Tisk dvorských a místodržitelských zakázek má na starosti Urban Baltazar Goliáš. Císař je s ním spokojen.“   Po bitvě na Bílé hoře v roce 1620 klesá počet obyvatel českých a moravských zemí přibližně na 1,3 milionu. Vytrácí se zejména […]
Žila na Starém Městě mořská panna?
Během staletí si Praha vyslouží řadu přívlastků. Někdy je označována za zlatou, jindy za stověžatou. Málokdo ale ví, jaká tajemství skrývá ve svých ulicích…   Celou řadu kuriozit ukrývá hlavně Staré Město. Kromě proslulé nejužší uličky tu totiž stojí i vůbec nejmenší pražský dům. Nachází se v Anežské ulici, nedaleko kláštera Na Františku a na […]
Katary bůh k dobrému konci nedovedl?
Pierrovi je přes 40 let. Žije v Toulouse, kde mu patří malý krámek, a už léta poslouchá učení, které hlásají kataři, jichž se v tomto kraji nalézá velké množství. Rozhodne se přijmout jejich učení za své a stát se „dokonalým“.   Pierre uvěří, že dobrý Bůh stvořil duchovní svět, zatímco ten zlý (Satan) vybudoval hmotný […]
Posunuli Máchovi datum úmrtí?
Když v neděli 23. října 1836 na vrchu Radobýlu upravuje svoji novou báseň, všimne si Mácha, že dole v Litoměřicích vypukl požár. Na nic nečeká a běží pomáhat s hašením. Občas se osvěží vodou, kterou u toho používá. Jenže ta je možným zdrojem nákazy, která nakonec způsobí jeho smrt…   Herec, dramatik, cestovatel, kreslíř a […]
Zajímavosti
Venuše: Ráno Jitřenka, za soumraku Večernice
Pro dávné civilizace představuje důležitý orientační bod. Ráno vychází krátce před Sluncem, večer zapadá těsně po něm. Ve starověku v ní lidé vidí bohyni, pozdější alchymisté ji spojí s kovem a novodobí spisovatelé v ní spatřují možný domov budoucnosti. Jejich naděje však vědci rychle zchladí.   Venuše patří k nejjasnějším objektům na obloze díky mimořádně […]
Faraonova kletba opět na scéně: Zachrání statisíce životů?
Je neděle 5. listopadu 1922. George Herbert, 5. hrabě z Carnarvonu, právě obdržel telegram. „Konečně jste v Údolí králů učinil úžasný objev,“ začíná a dále referuje o nálezu nevídané hrobky s neporušenými pečetěmi. Mecenáš cítí čirou radost. Netuší, že ho tento nález bude stát život…   Netřeba napovídat, že se jedná o místo posledního odpočinku 11. faraona 18. […]
Tyrkysová: Barva, která nás ochrání před smrtí?
Není to ani modrá, ani zelená. Přesto je však plnohodnotnou barvou se svým vlastním původem! Proč je tyrkysová tak oblíbená? A kdo jí dal jméno?   Už tisíce let lidé milují vzácný kámen, který má díky obsahu mědi velmi nevšední barvu. Nejstarší stopy směřují do Egypta, kde zdobí předměty nalezené v hrobkách – tím nejslavnějším […]
Habsburg: Kolébka mocného rodu
První Habsburk usedá na český trůn v roce 1306. Dlouho tady nevydrží. Podruhé se rod dotkne české královské koruny v roce 1526 a vydrží vládnout až do vzniku republiky. Kde se vůbec vzali?   O Radbotovi z Klettgau (?985–1045) toho historie neví mnoho. Je prý vnukem zakladatele rodu Habsburků, Guntrama Bohatého (?930–973), ale prameny jsou tak skoupé, že […]
Záhady a napětí
Ostrov panenek: Svírají mexické kanály duši mrtvého dítěte?
Loďka se pomalu sunula kanály Xochimilca, když se mezi větvemi objevily první tváře. Špinavé panenky bez rukou, s prázdnými očními důlky a vlasy slepenými deštěm visely ze stromů jako podivní strážci. Není to jen běžná turistická zastávka, ale ostrov, který měl vzniknout ze strachu jednoho muže. Mohou strašidelné hračky hlídat duši dítěte, které se nikdy […]
Dokonalé rysy Dámy z Elche: Vytesali bustu do kamene v bájné Atlantidě?
Z pohledu na dokonalé linie se tají dech. Obří kruhy přitisknuté k hlavě tajemné dámy působí, jako by spojovaly minulost s dalekou budoucností a technologiemi, o kterých si mohla starověká civilizace nechat jen zdát. Kdo je tajemná Dáma z Elche? Vzniklo dokonalé dílo pod šikovnýma rukama sochaře ze ztracené Atlantidy, nebo ji mají na svědomí […]
Stínoví lidé: Temné bytosti z jiných dimenzí, nebo jen hra mysli?
Svědci z celého světa popisují nezávisle na sobě tytéž detaily: černou siluetu bez rysů, klobouk se širokou krempou a mrazivý pocit, že si je někdo prohlíží. Někdy stojí u nohou postele, jindy se mihnou koutkem oka a zmizí. Jsou to návštěvníci odjinud, nebo jen mimořádně přesvědčivý výtvor našeho mozku?   Noc v americkém obytném přívěsu. […]
Sovětský vrt do pekla: Z hloubky dvanácti kilometrů se ozývalo sténání mrtvých
Chtěli zjistit, co se ukrývá hluboko pod zemskou kůrou. Místo toho objevili dutinu, z níž se ozývalo sténání mrtvých, jejichž duše byly lapeny v samotném pekle. Přesně to se mělo stát při velikášském projektu Sovětského svazu v druhé polovině 20. století.   Stroje pracují na plné obrátky. První kilometry země obrovský vrták špikuje jako nic. […]
reklama
Nenechte si ujít další zajímavé články
Provozovatel: RF HOBBY, s. r. o., Bohdalecká 6/1420, 101 00 Praha 10, IČO: 26155672, tel.: 420 281 090 611, e-mail: sekretariat@rf-hobby.cz