Vědci z FEL ČVUT přispěli ke studii v Nature Communications: Mozek dětí se přizpůsobuje chybějící končetině už v raném věku
Mezinárodní tým vědců publikoval v Nature Communications studii Global remapping of the sensory homunculus emerges early in childhood development, která ukazuje, že mozek dětí narozených s rozdílem horní končetiny prochází již v raném věku výraznou reorganizací somatosenzorické mapy. Na FEL ČVUT se podíleli doc. Matěj Hoffmann a dr. Zdeněk Straka, kteří vyvinuli výpočetní model založený na homeostatické plasticitě a ukázali, že odebrání vstupů z ruky vede k reorganizaci sítě, jež dobře odpovídá naměřeným výsledkům v MRI. Experimenty fMRI u dětí ve věku 5–7 let a u dospělých ukázaly, že oblast určená pro ruku nezůstává aktivní, ale začíná reagovat na signály z jiných částí těla a tyto změny zasahují širší část somatosenzorické kůry. Projekt byl realizován ve spolupráci s University of Cambridge, Durham University a University College London, přičemž EPFL Lausanne vyvinula pneumatické zařízení umožňující stimulaci doteku během MRI.
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 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Právě takové procesy dnes výzkumníci studují kombinací experimentů s dětmi a modelování na humanoidních robotech.
Vídeo: The robot homunculus: learning of artificial skin representation inspired by the brain
Foto: Petr Neugebauer
Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze
