Holubi jsou známí svou schopností najít cestu domů z neznámých oblastí. Biologové tomu říkají „homing“ (z domova). Lidé historicky používali tuto schopnost pro své vlastní účely: holubi byli všude používáni pro poštovní komunikaci.
Když holubi odlétají domů, používají stejně jako stěhovaví ptáci různé podněty. Orientují se podle polohy slunce, podle magnetického pole Země a překvapivě i podle čichu. Využívají také krajinné dominanty: řeky, dálnice, osady atd.
Studium ptačích migrací se s příchodem GPS stalo snazším. Umístěním miniaturního přijímače GPS na ptáka lze přesně sledovat jeho pohyby. Ale aby lépe porozuměli mechanismům ptačí navigace, chtěli vědci skutečně „nahlédnout do mozku“ přímo během letu. Dlouho to bylo technicky nemožné a samotný úkol se zdál neřešitelný.
Poprvé se to podařilo mezinárodní skupině vědců pod vedením profesora Hanse-Petera Lippa z Ústavu anatomické univerzity v Curychu, do které patří i naši krajané. Alexey Vysockij, nyní pracující v Ústavu neuroinformatiky, Univerzita v Curychu, Giacomo Dell’Omo, Ústav anatomie Curyšské univerzity, Alexander Latanov (Katedra vyšší nervové aktivity, Fakulta biologie Moskevské státní univerzity) a jejich kolegové vytvořili první zařízení na světě pro záznam elektrické aktivity holubího mozku během letu.
“Létající encefalograf”
Biologové takové zařízení nazvali neurologem. Neustále se zlepšuje a hlavně se zmenšuje. Neurolog 2, který vědci použili v nejnovější práci, váží včetně zdroje energie pouhé 2 gramy a jeho velikost je asi jeden centimetr čtvereční. Obsahuje 2 MB paměti a je schopen zaznamenat čtyři EEG kanály (ze čtyř elektrod) rychlostí 256 měření za sekundu.
Tento miniaturní encefalograf obsahuje jednotku pro filtrování signálu, kaskádový zesilovač signálu, mikrokontrolér pro digitalizaci signálu a paměťovou jednotku. Přístroj také zaznamenává směr hlavy holuba a elektromyogram svalů. Celá tato konstrukce je připevněna k hlavě ptáka.
Neurologger je napojen na mikroelektrody, které se během operace epidurálně implantují do holuba, což znamená, že jsou umístěny na povrchu tvrdé pleny. Vědci umístili záznamové elektrody nad vizuální wulst (specifická část ptačího mozku zapojená do vnímání a zpracování vizuálních informací) a do přilehlé zóny, kde probíhá složitější analýza.
Reakce mozku na vizuální objekt
26 holubů obou pohlaví žilo v holubníku v Itálii, 25 km od Říma a nedaleko pobřeží Středozemního moře. Byli pravidelně cvičeni, aby našli cestu domů a vezli je 50 km.
Před zahájením letových experimentů bylo nutné porozumět vlastnostem EEG ptáků. Vědci proto své první pokusy prováděli v uzavřeném prostoru. “Frekvenční indikátory elektrické aktivity mozku ptáků jsou jiné než u krys a myší – běžných laboratorních zvířat,” vysvětlil Alexej Vysockij zpravodaji Infox.ru. “Ukázali jsme, že středně a vysokofrekvenční vlny více korelují s chováním než nízkofrekvenční vlny.” Vědci rozdělili veškerou možnou elektrickou aktivitu holubího mozku do několika rozsahů. Pásma nejvíce spojená s chováním byla C (střední frekvence, 12-60 Hz) a vysokofrekvenční D (60-130 Hz) a E (130-200 Hz).
Při pokusech ve voliéře vědci prokázali, že když se holub upřeně dívá na předmět, středofrekvenční vlny (pásmo C) v jeho mozku zesílí. Navíc, pokud byl objekt umístěn na jedné straně ptáka, pak se EEG změnilo na opačné hemisféře, protože cesty vizuální informace v mozku se protínají. A pokud holub před letem zavřel jedno oko, pak byla reakce mozku na objekt v zorném poli pozorována ze stejné strany.
Při letových pokusech nosili holubi kromě neurologgeru GPS přijímač ve formě desky, která byla připevněna k hřbetu ptáka. GPS vážila asi 25 gramů. Vzhledem k tomu, že se jedná pro holuba o značnou váhu, byl nejprve vycvičen na přenášení kontrolní zátěže o stejné hmotnosti na zádech a před letem byla nasazena GPS. Zaznamenával dráhu ptáka s přesností na 5 metrů každou sekundu.
Z otevřeného moře domů
Ptáci byli vyvezeni do moře, 18 km od pobřeží a 30 km od holubníku, a tam vypuštěni. Cestu domů našli celkem rychle, v průměru za 38 minut, a jejich rychlost se pohybovala od 60 do 80 km za hodinu. To ukazuje, že dodatečná hmotnost neurobloggeru a GPS nerušila let ptáků.
Poté, co se holubi vrátili, vědci extrahovali informace z paměti zařízení a analyzovali je. GPS jim poskytlo stopy – trasy, po kterých se jedou ptáci, a neurolog ukázal, jak se v této době mění elektrická aktivita mozku.
Holubi nejprve létali nad mořem, nad homogenní krajinou bez jakýchkoliv vizuálních referencí. Ale když dorazili ke břehu, začalo známé území, kde proletěli jednou dálnicí, další dálnicí a křižovatkou.
Let holubů nad mořem provázela vysokofrekvenční aktivita, která s přibližováním se ke břehu klesala. Na volném moři holubi zjevně potřebovali k navigaci používat vodítka, jako je poloha slunce a magnetické pole. Středofrekvenční aktivita během letu nad mořem byla nízká, ale při přiblížení ke břehu prudce vzrostla.
Při letu nad zemí byl obraz jiný. Středofrekvenční aktivita v pásmu C se zvýšila, když se přiblížili k nějaké krajinné dominantě: dálnici, křižovatce nebo když holubi spatřili svůj rodný holubník. Takto byly označeny všechny předměty, které holuba zajímaly. Nejsou to jen značky pro navigaci, ale i další zajímavosti, například krmná místa na polích, kde se hromadila hejna divokých holubů. Neurolog zaznamenal zájem ptáků o tyto předměty. Nárůst středofrekvenční aktivity navíc začal v zóně 150 metrů od zájmového objektu. Pokud byl orientační bod na jedné straně hlavy holuba, byla pozorována silnější aktivace EEG na opačné straně.
Zajímavé je, že když byli holubi vypuštěni ve skupinách po 6 ptácích, jejich aktivita v C pásmu se také zvýšila, když se přiblížili k objektům zájmu, ale méně než u jednotlivých ptáků. Zdá se, že když ptáci létají ve skupině, věnují méně pozornosti vizuálním podnětům, protože se drží pohromadě a následují jeden za druhým. Jednotliví ptáci létali mírně nižší rychlostí než ve skupině (8,3 km za minutu oproti 5,6 km za minutu).
Nedaleko holubníku byl otevřený lom, dobře viditelný ze vzduchu. Někteří holubi, přitahovaní tímto objektem, se otočili směrem k lomu (což bylo doprovázeno středofrekvenční aktivitou na opačné polokouli) a poté se přeorientovali směrem k holubníku. Ve chvíli, kdy si uvědomili, že jdou špatnou cestou a změnili směr, došlo k výbuchu vysokofrekvenční aktivity. Vysokofrekvenční aktivita se také zvýšila v nepřítomnosti viditelných orientačních bodů (nad mořem nebo při špatné viditelnosti) nebo když ptáci narazili na první známý orientační bod a upravili svůj let.
Co říká EEG za letu?
„Považujeme středofrekvenční aktivitu za odraz vizuálního vnímání a vysokofrekvenční aktivitu za odraz analýzy informací na vyšší hierarchické úrovni mozku,“ říká Alexey Vysockij. “Například, když jsou informace získávány z paměti a je učiněno rozhodnutí.”
„Samotná možnost záznamu EEG létajícího ptáka se zdála velmi problematická. To se ještě nikdy nestalo. To, že se to povedlo, je opravdu velký úspěch,“ pokračuje vědec. „Ukázali jsme, že metodu EEG, která se dosud používala pouze v laboratoři, lze použít v přírodních studiích. A použijte jej k pochopení toho, jak mozek naviguje svět kolem nás.“
Historie díla je podle něj následující. První pokusy o záznam EEG holuba v letu provedl sovětský fyziolog Kanevskij a jeho kolegové v letech 1982–83. Použili radiotelemetrický převodník k převodu a záznamu elektrické aktivity holubího mozku v helikoptéře letící za nimi. Tato metoda neposkytovala kvalitní data a byla velmi drahá. Vrtulník navíc velmi ovlivnil letové chování ptáků.
Od roku 2002 začala skupina profesora Hanse-Petera Lippa pracovat na miniencefalografu pro létajícího holuba. První verze neurologgeru byla připevněna k hřbetu holuba spolu s GPS. Poté se začalo pracovat na dosažení čistých nahrávek a snížení hmotnosti zařízení. Neurolog 2, navržený Alexey Vysockij, umožnil provádět výzkum navigace holubů během dlouhých letů.
Článek bude publikován v časopise Current Biology.
