Teoretické základy technologie ALCsim®

Proč některé plašiče škůdců selhávají a jiné fungují výrazně lépe? Rozhodující není jen samotný zvuk, ale především to, jak jej vyhodnotí mozek škůdce. Technologie ALCsim® využívá princip hrozebných sluchových podnětů, které u kun a hlodavců aktivují vrozené obranné reakce.

ZPRACOVÁNÍ HROZEBNÝCH SLUCHOVÝCH PODNĚTŮ (ALC) V MOZKU ŠKŮDCŮ

V průběhu evoluce se v mozku vyvinulo specializované zkreslení pro zpracování hrozebných sluchových podnětů ALC, a to na základě reálných zkušeností s blížícím se nebezpečím. Toto zkreslení ve vnímání rostoucích zvuků se označuje jako Auditory Looming Bias (ALB). Právě ALB je zodpovědné za vyvolávání vrozených obranných reflexů, tedy reakcí dědičných, které mají zásadní význam z hlediska obrany proti blížícímu se nebezpečí. Zajišťuje, že specifické, dynamicky se vyvíjející akustické signály ALC jsou v centrální nervové soustavě považovány za mimořádně důležité. Právě na tomto principu je pak založen moderní plašič na kuny, nebo obecně plašič hlodavců a kun, pokud má být jeho účinek skutečně biologicky relevantní.

ALC jsou tedy sluchové podněty, které v akustické podobě signalizují blížící se nebezpečí. Díky percepčnímu zkreslení typu ALB jsou vnímány výrazně intenzivněji, dostávají přednost před jinými vjemy a současně aktivují vnitřní obranné mechanismy i motorické obranné reakce. Percepční zkreslení ALB a obranné mechanismy, které na něj navazují, se vyvíjely miliony let a jsou založeny na přirozených formách ohrožení. Především jde o rychle se přibližující predátory, padající stromy, padající kameny, blížící se stáda velkých zvířat a další typy nebezpečí, které se vyznačují „hrozebnými“ zvuky typu ALC.

Na rozdíl od běžných sluchových podnětů vede působení ALC prostřednictvím percepčního zkreslení ALB k abnormálnímu zvýšení aktivity neuronů ve sluchové dráze i v dalších mozkových oblastech. Jde zejména o Inferior Colliculus (IC), Superior Colliculus (SC), sluchový thalamus (MG), periakveduktální šedou hmotu (PAG), sluchovou kůru (AC), ale automaticky také o zásadní zvýšení aktivity neuronů v nejvyšší kognitivní oblasti, tedy v prefrontální kůře (PFC) u primátů, respektive u malých savců z řad myšovitých a kunovitých v prelimbické kůře (PL). Současně dochází k výrazné aktivaci neuronů v oblasti amygdaly, zejména v její centrální části (CeA), a dále v oblasti BNST (Bed Nucleus of Stria Terminalis).

Zjednodušeně lze celý proces vyjádřit takto:

ALC (Auditory Looming Cue) → percepční zpracování → kognitivní vyhodnocení → amygdala → hypotalamus → neuroendokrinní systémy → behaviorální a fyziologické obranné reakce

Z hlediska behaviorálních změn, které souvisejí s působením ALC na vrozené obranné mechanismy, je třeba zmínit především dvě základní obranné motorické reakce: Escape (útěk) a Freeze (ztuhnutí).

Už bylo řečeno, že zkreslení ve vnímání rostoucích zvuků typu ALC způsobuje, že jsou tyto zvuky vnímány výrazně intenzivněji, dostávají přednost před jinými vjemy a současně aktivují obranné mechanismy živočichů. Tento efekt se týká jednotlivých oblastí mozku i nervových drah mezi nimi. Význam ALC ale nelze posuzovat jen izolovaně podle toho, jak silně aktivují tu či onu oblast. Stejně důležité je zdůraznit i to, že se v mozku přenášejí a zpracovávají jiným způsobem než běžné sluchové podněty. To je mimochodem jeden z důvodů, proč kvalitní odpuzovač kun, či odpuzovač myší nemůže být založen jen na jednoduchém generování náhodného rušivého zvuku.

JAK MOZEK ZPRACOVÁVÁ BĚŽNÉ SLUCHOVÉ PODNĚTY

Zpracování běžných sluchových podnětů v mozku probíhá, zjednodušeně řečeno, takto: sluchový podnět je v oblasti vnitřního ucha převeden na elektrické signály, které následně putují prostřednictvím centrální sluchové dráhy v mozkovém kmeni (nuclei cochleares, superior olivary complex a lemniscus lateralis) do prvního a nejnižšího „globálního“ centra zpracování sluchových podnětů, tedy do oblasti Inferior Colliculus (IC). To je nejprimitivnější, ale také nejrychlejší centrum pro zpracování sluchových podnětů a zároveň důležitý rozbočovač signálů ve sluchové dráze.

Následuje druhý rozbočovač a současně vyšší sluchové centrum, totiž sluchový thalamus (MG), který sluchové signály zpracovává pomaleji, ale důkladněji. Odtud postupuje signál do oblasti Auditory Cortex (AC), tedy do sluchové kůry, což je nejvyšší centrum zpracování standardních sluchových podnětů – něco jako „zvuková karta“ v mozkovém počítači. Zároveň postupuje i do oblasti amygdaly.

Amygdala je tedy silně napojena na sluchový thalamus i sluchový kortex, ale běžné sluchové podněty víceméně jen „sleduje“. Do jejich významnějšího zpracování se zapojuje teprve tehdy, když jde o podněty související s emocemi. Pokud je to nutné a jedná se například o nejasné, narušené nebo komplikované sluchové podněty, zapojuje se do procesu zpracování také nejvyšší kognitivní oblast a hlavní centrum myšlení, tedy prefrontální kůra (PFC) u člověka, respektive u malých savců prelimbická kůra (PL). Tak vypadá zjednodušené základní schéma zpracování běžných sluchových podnětů v mozku malých savců z čeledí myšovitých a kunovitých, tedy například u myší, potkanů, krys, kun a lasic.

JAK MOZEK ZPRACOVÁVÁ SLUCHOVÉ PODNĚTY ALC

V případě ALC probíhá zpracování jinak a zapojuje se do něj větší množství mozkových oblastí i nervových drah. Stejně jako u běžných sluchových podnětů je nejprve zvukový signál v oblasti kochley převeden na elektrické impulzy a ty putují prostřednictvím centrální sluchové dráhy v mozkovém kmeni (nuclei cochleares, superior olivary complex a lemniscus lateralis) do Inferior Colliculus (IC). Jenže při zachycení ALC už tato první „globální výhybka“ ve sluchové dráze předává signál přímo do nejvyššího kognitivního centra, tedy do prelimbické kůry (PL). Následně i sluchový thalamus (MG), který signál zpracovává detailněji než IC, kontaktuje přímo PL a předává jí přesnější informace pro tento nejvýkonnější „procesor“ v mozku malých savců, jako jsou myšovití nebo kunovití.

Jakmile PL zachytí sluchový podnět typu ALC, okamžitě zahajuje přímou komunikaci se sluchovou kůrou (AC) a pro své „výpočty“ využívá upřesněné informace o sluchovém podnětu, které AC průběžně detailně analyzuje a předává zpět do PL. Prelimbická kůra v tomto případě prakticky přebírá kontrolu nad činností sluchové kůry a využívá ji podle svých potřeb: zadává jí dílčí úkoly, požaduje jejich zpracování a výsledky následně používá pro vlastní analýzy a rozhodovací procesy.

Současně dochází k výrazné aktivaci amygdaly, a to nejen prostřednictvím „standardních“ nervových drah ze sluchového thalamu (MG) a sluchové kůry (AC), ale v tomto případě také prostřednictvím přímé nervové dráhy z prelimbické kůry (PL). Amygdala tak přijímá multisenzorické informace ze sluchového thalamu, integrované senzorické informace ze sluchové kůry a informace o hrozebných podnětech typu ALC z oblastí mozkového kmene, respektive z prelimbické kůry. V případě ALC je tedy aktivována i „přímá linka“ PL ↔ amygdala, aby bylo možné co nejrychleji reagovat na zachycené nebezpečí. PL jako nejvýkonnější „racionální centrum“ spolupracuje s amygdalou jako nejvýkonnějším emočním centrem na řešení problému souvisejícího s možným akutním nebezpečím. Na základě této spolupráce dochází k průběžnému hodnocení míry vnímaného nebezpečí a k následné modulaci intenzity obranných reakcí v organismu.

ALC tak prostřednictvím uvedených nervových oblastí mozku a nervových drah v souvislosti s endokrynním systémem vyvolává vnitřní obranné reakce prostřednictvím percepční asymetrie ALB. To znamená především uvolnění stresových hormonů adrenalinu a noradrenalinu, které způsobují tělesné změny, jako je zrychlení srdeční činnosti, zvýšení krevního tlaku nebo prokrvení končetin, tedy přípravu organismu na útěk nebo boj.

PROČ JE ZPRACOVÁNÍ ALC ODLIŠNÉ OD BĚŽNÝCH SLUCHOVÝCH PODNĚTŮ

Do zpracování běžných sluchových podnětů není nutné zapojovat oblast amygdaly a prelimbické kůry – u člověka prefrontální kůry. Bylo by to nejen zbytečné, ale i neefektivní a pro organismus velmi vyčerpávající. Proto existuje výchozí hierarchie při zpracování běžných sluchových podnětů tak, jak byla popsána výše, a oblasti amygdaly a PL se do tohoto procesu zásadněji zapojují opravdu jen tehdy, když je to nutné.

ALC jsou naopak signály nejvyšší důležitosti. Znamenají možné ohrožení života, a jejich zpracování proto musí být odlišné. Cílem je zajistit jejich co nejrychlejší a současně co nejpřesnější vyhodnocení a zároveň okamžitě spustit aktivační procesy související s nastartováním obranných mechanismů i jejich další modulaci podle průběžně upřesňovaných informací o míře hrozícího nebezpečí.

Uvedený proces zpracování ALC signálů v mozku malých savců, jako jsou myšovití nebo kunovití, je zjednodušený a zaměřený především na excitační nervové dráhy. Pro přehlednost jsou zde vynechány některé méně významné nervové dráhy a centra, která se na zpracování ALC také podílejí. Je ale vhodné zmínit alespoň jeden důležitý inhibiční proces, který má zásadní vliv zejména při vysoké míře okolního hluku, tedy tehdy, když je hlukové pozadí výrazné.

Tento proces brzdí zpracování běžných sluchových podnětů, pokud současně probíhá zpracování podnětů typu ALC. Jde o řízené potlačení zpracování běžných, tedy neutrálních sluchových podnětů už ve sluchovém thalamu, pokud je nutné soustředit se na ALC nebo na jiné „škodlivé“ podněty. Tato inhibice je řízena přímo z PL – respektive z PFC – a podílí se na ní oblast bazálních ganglií.

Podněty typu ALC mají tedy natolik zásadní důležitost, že nejsou jen upřednostněny před jinými akustickými podněty, ale i před podněty vizuálními, čichovými nebo haptickými. Zpracování všech těchto ostatních podnětů je naopak cíleně utlumené, aby se organismus mohl soustředit výhradně na zpracování ALC signálů souvisejících s možným ohrožením života.

VÝZNAM ALC V HLUČNÉM PROSTŘEDÍ

Uvedené inhibiční procesy, které tlumí zpracování všech ostatních podnětů kromě podnětů typu ALC, mají zásadní význam také při zpracování ALC v hlučném prostředí. Inhibice nevýznamných sluchových podnětů umožňuje, aby se i v silně hlučném prostředí sluchová percepce soustředila pouze na podněty typu ALC a aby se výběrově utlumilo zpracování běžných sluchových podnětů, například silného okolního hluku.

Tato skutečnost má velký praktický význam i v souvislosti s našimi plašiči II. generace, které využívají simulované signály ALC (ALCsim®). Výběrové utlumení zpracování běžných sluchových podnětů zajišťuje, že signál plašiče – respektive odpuzovače – škůdců s ALCsim® budou škůdci intenzivně vnímat i tehdy, když okolní hluk z hlediska své intenzity, převyšuje intenzitu signálů ALCsim® plašiče. Současně je zajištěn negativní vliv ALCsim® na škůdce i tehdy, když se nacházejí v prostoru, kde jsou signály ALCsim® už jen slabě slyšitelné. To je jedna ze zásadních předností plašičů II. generace s ALCsim®. V praxi to znamená, že kvalitní plašič na myši, nebo kuny může působit i tam, kde by běžné zařízení založené pouze na hlasitosti zcela selhalo.

Z uvedených příkladů selektivního zpracování různých typů sluchových podnětů je zároveň zřejmé, že reálně naměřená hlasitost určitého akustického signálu v dB, který působí na vnější sluchové ústrojí, může být z hlediska vnímané hlasitosti tohoto signálu v centrální nervové soustavě velmi relativní hodnotou.

MOTORICKÉ OBRANNÉ REAKCE A ROLE PAG

Současně s popsanými vnitřními obrannými reakcemi probíhají i motorické obranné reakce, tedy pohyby související s obranou, které mohou mít různý charakter. U myší a potkanů jsou vzorce těchto reakcí poměrně dobře prozkoumány. Při nejnižším stupni hrozícího nebezpečí se motorická reakce zpravidla projevuje jen natočením hlavy nebo celého těla směrem ke zdroji zvuku. Naopak při nejvyšším stupni ohrožení se obvykle dostaví stereotypní motorická reakce ve formě krátkého ztuhnutí s následným rychlým útěkem směrem k úkrytu. V závislosti na typu zachyceného hrozebného sluchového podnětu a na jeho intenzitě může být vyvolán nejen jeden vzorec motorické reakce, ale i celá sekvence několika obranných pohybových reakcí, které na sebe navazují.

Vědecké práce na téma obranných motorických reakcí jsou zajímavé nejen z hlediska samotných vzorců pohybových odpovědí, ale především v souvislosti s procesy, které jim předcházejí. Stejně jako u vnitřních obranných reakcí jsou i tyto procesy spojeny s různými mozkovými oblastmi a s excitačními i inhibičními nervovými drahami, které tyto oblasti propojují.

Motorické obranné reakce využívají – kromě výše uvedených mozkových oblastí – ještě jednu z hlediska motoriky naprosto zásadní strukturu, a tou je periakveduktální šedá hmota (PAG). Tato oblast je schopna do určité míry zcela autonomně řídit primitivní motorickou činnost, například okamžitý útěk, a to už na základě signálů přicházejících z Inferior Colliculus (IC). Překvapivě tedy i bez součinnosti vyšších kognitivních oblastí, jako jsou sluchový thalamus, sluchová kůra nebo PL.

PAG je ale z hlediska mozkové hierarchie kognitivní oblast relativně nízké úrovně. Dokáže pracovat rychle, ale jen v hrubých rysech, bez využití kontextových informací a s velmi krátkou pamětí. Proto je schopna samostatně zpracovat jen velmi primitivní sluchové podněty, například náhlý a hlasitý zvuk, který vyvolá úlek. Na takový podnět reaguje aktivací nejjednodušší obranné motorické reakce typu Escape, tedy u hlodavců okamžitým útěkem do hnízda nebo jiného předem zmapovaného úkrytu.

Auditory Looming Cues (ALC) jsou však z hlediska zpracování na „výpočetní kapacitu“ mozku skutečně velmi náročné. Jde o signály s dynamickou změnou hlasitosti i frekvence a navíc platí, že čím déle ALC signál trvá, tím náročnější je jeho zpracování v mozku. V případě ALC tak PAG z hlediska motorických obranných reakcí nefunguje jako samostatný „velitel“, ale spíše jako inteligentní informační výhybka a „signálová váha“, do níž proudí excitační i inhibiční signály ze všech center, která ALC zpracovávají. Na základě významu jednotlivých mozkových center a intenzity jejich požadavků pak PAG určuje, jaký typ obranné motorické reakce bude v případě ALC aktivován.

K motorickým reakcím je třeba dodat ještě jednu důležitou skutečnost. Podle jedné z nejnovějších vědeckých prací už prelimbická kůra (PL) malých savců a zároveň i sluchová kůra (AC) předávají do PAG na základě vlastních analýz „předpožadavky“ na aktivaci konkrétních obranných motorických reakcí. PAG tedy v případě složitějších sluchových podnětů patrně pouze „prahuje“ spuštění motorické reakce a jen do určité míry se podílí na výběru konkrétního typu obranného pohybu.

VÝZNAM DÉLKY ALC SIGNÁLU A ROLE PRACOVNÍ PAMĚTI

Bylo zmíněno, že ALC jsou z hlediska zpracování velmi náročné na využití mozkové kapacity, protože jde o komplikované signály s dynamickou změnou hlasitosti i frekvence. Pokud navíc ALC signál trvá déle, než je maximální možná doba pro zpracování celistvého signálu ve sluchové kůře – respektive déle, než po jakou je sluchová kůra schopna pracovat s celistvým signálem ve vlastní paměti – význam zpracování ALC v prelimbické kůře (PL) ještě roste.

PL jako nejvyšší kognitivní centrum malých savců disponuje pracovní pamětí s nejvyšší kapacitou a je schopna zpracovat mnohonásobně delší celistvý sluchový podnět než sluchová kůra (AC). Delší ALC signál tedy obecně znamená zásadně vyšší celkové kognitivní zatížení všech oblastí mozku, které se na jeho zpracování podílejí. Delší ALC navíc není možné bez využití PL smysluplně zpracovat v celé jeho délce ani z technického hlediska.

ROLE SUPERIOR COLLICULUS A VIZUÁLNÍHO KONTEXTU

Pro úplnost je třeba dodat, že do určité míry se na zpracování sluchových podnětů podílí i oblast mozku označovaná jako Superior Colliculus (SC). U hlodavců, respektive obecněji u drobných savců, je tato oblast důležitá pro zpracování vizuálních i sluchových podnětů. Z našeho hlediska jde především o integrační centrum pro zpracování sluchových a vizuálních informací.

Excitační a inhibiční nervové dráhy SC mají při zpracování sluchových podnětů význam zejména ve spojení s periakveduktální šedou hmotou (PAG) a se sluchovou kůrou (AC). Z hlediska obranných reakcí se SC podílí hlavně na řízení motorických obranných reakcí. Současně přispívá dodáváním doplňujících kontextových vizuálních informací ke sluchovým informacím, čímž pomáhá sluchové kůře, ale především prelimbické kůře při analýze sluchového podnětu prostřednictvím dodatečných dat získaných pozorováním okolí.

V případě zachycení podnětu typu ALC, který je vyhodnocen například jako možný útok dravce, je vizuální pozornost okamžitě přesměrována podle sluchu do místa, kde by se měl dravec nacházet. Výsledná zraková informace putuje ze zrakového nervu mimo jiné do oblasti Superior Colliculus (SC), kde dojde k hrubé analýze vizuálního i sluchového podnětu. Výsledek pak směřuje do sluchové kůry, prefrontální kůry a periakveduktální šedé hmoty (PAG) a přispívá k dalšímu optimálnímu řešení vzniklé nebezpečné situace. Za určitých okolností ale může dojít i k utlumení zpracování vizuálních kontextových informací, aby se zajistila co nejvyšší mozková kapacita pro samotné zpracování ALC.

Je tedy zřejmé, že ALC jsou natolik důležité sluchové podněty, že dokážou standardní zpracování sluchových podnětů v centrální nervové soustavě doslova obrátit „vzhůru nohama“: vyhlásit v mozku poplach 1. stupně, předat řízení „nejvyššímu velení“, tedy prelimbické kůře, zapojit všechna kognitivní centra do procesu zpracování tohoto signálu, potlačit zpracování všech nevýznamných podnětů a aktivovat vrozené obranné reakce organismu.

Na základě experimentů s lidmi, při nichž byly využity například MRI a CT, bylo mimo jiné prokázáno, že akustické signály typu ALC aktivují nejvyšší kognitivní centrum, tedy prefrontální kůru (PFC), výrazně dříve, než dojde k aktivaci sluchové kůry (AC). Následně jsou tyto signály současně zpracovávány v obou těchto kůrách, přičemž PFC v tomto případě přebírá řízení nad AC a tok informací z PFC do AC je výrazně silnější než opačným směrem.

Vliv ALC ve vnějším sluchovém ústrojí, nervová aktivita a její důsledky v jednotlivých oblastech mozku škůdců, aktivita v nervových drahách mezi těmito oblastmi a její důsledky tedy motorické reakce a reakce endokrinního systému škůdců jsou v rámci našeho vývojového systému plašičů škůdců II. generace s ALCsim® hlavními kritérii pro posuzování významu ALC (Auditory Looming Cues) v souvislosti s jejich využitím v elektroakustických, tedy zvukových i ultrazvukových plašičích škůdců. Právě odsud vychází biologická logika toho, proč může být moderní plašička na kuny založená na ALCsim® výrazně účinnější než starší typy zařízení.

Uvedené způsoby zpracování sluchových podnětů – pokud není uvedeno jinak – odpovídají jejich zpracování v mozku myší, potkanů a kunovitých.

Jako nejvyšší kognitivní oblast myší, potkanů a kunovitých zde uvádíme prelimbickou kůru, prelimbic cortex (PL). U primátů je nejvyšším kognitivním centrem oblast prefrontálního kortexu (PFC). V textu ale občas uvádíme současně zkratky PL i PFC. To znamená, že uvedené tvrzení je ověřeno vědeckými experimenty s primáty – tedy i s lidmi – i s hlodavci, nebo pouze s lidmi, pokud je uvedena zkratka PFC samostatně.

U myší a potkanů bývá často problematické samotné označení nejvyšší kognitivní oblasti mozku. Někdy se pro ni používají výrazy převzaté z anatomie primátů, tedy prefrontální kortex (PFC), nejčastěji pak mediální prefrontální kortex (mPFC). Použití těchto zažitých názvů je ale v posledních letech kritizováno, protože může být zavádějící: názvy odkazují na nejvyšší mozkové struktury primátů, kterým nejvyšší kognitivní centrum hlodavců svými možnostmi a funkcemi zdaleka neodpovídá. Označení PFC nebo mPFC pro nejvyšší centrum myšlení hlodavců je proto z hlediska jejich schopností značně nadnesené. Rozumným řešením je tedy používat pro nejvyšší kognitivní centrum myší a potkanů termín prelimbická kůra, prelimbic cortex (PL). Prelimbickou oblast obsahuje i mozek primátů, ale u nich je považována pouze za součást PFC. Zajímavou prací k tomuto tématu je například studie „What, If Anything, Is Rodent Prefrontal Cortex?“ (Laubach M. a kol., 2018).

EKOLOGICKÁ RELEVANCE A POJETÍ VYUŽITÍ ALCSIM® JAKO SIMULACE ÚTOKU PREDÁTORA

Řešení využití simulace ALC signálu v plašičích škůdců je v první řadě založeno na využití výsledků vědeckých experimentů se sluchovými podněty, především se zaměřením na podněty, které vyvolávají vrozené nebo podmíněné obranné reflexy. Ve druhé řadě pak byla vhodnost konkrétního ALC signálu posuzována z hlediska jeho ekologické relevance.

Právě ekologická relevance představuje „červenou nit“, která se táhne celým řešením vývojového systému plašičů – respektive odpuzovačů – škůdců II. generace s ALCsim®. V rámci tohoto řešení byla vnímána jako zásadní sjednocující prvek celé práce. Z našeho hlediska znamená ekologická relevance simulovaného ALC signálu především to, zda simulace přibližujícího se nebezpečí, která je v našich plašičích škůdců reprezentována signálem ALCsim®, odpovídá reálným parametrům akustického signálu charakteristického pro útok pozemního nebo vzdušného predátora na námi vymezené druhy škůdců. Z praktického hlediska tedy rozhoduje, zda konkrétní akustický plašič na škůdce pracuje s podnětem, který nervová soustava cílového zvířete skutečně vyhodnotí jako biologicky významnou hrozbu.

Kromě základních vlastností simulovaného ALC signálu, jako je kmitočtový rozsah, charakteristika signálu – tedy zda jde o signál šumový, harmonický nebo jejich kombinaci – dále křivka hladiny akustického tlaku, kmitočtová křivka, doba trvání periody signálu a podobně, je nutné brát v úvahu i další atributy. Ty souvisejí s tím, jak je akustický signál vnímán: tedy například s posuzováním směru a rychlosti pohybujícího se zdroje zvuku z hlediska rozdílové hlasitosti, binaurálních informací, Dopplerova jevu a také s nelinearitou nárůstu a poklesu hlasitosti pohybujícího se zdroje hluku. Z hlediska využití vhodného kmitočtu byly detailně a z mnoha ohledů rozebírány i výhody a nevýhody využití různých kmitočtů pro simulaci ALC a celkový význam různých kmitočtových pásem pro život myší, potkanů, kun a lasic, a to z hlediska jejich nutnosti lokalizovat zdroje hluku i z hlediska druhové a mezidruhové vokalizace.

V souvislosti se simulací přibližujícího se nebezpečí je nutné zmínit ještě jednu zásadní skutečnost. Pohybové signály – tedy zvukové signály, které posluchači signalizují přibližující se zvukový zdroj – vnímáme jako lidé pouze v oblasti naší slyšitelnosti, tedy zhruba od 20 Hz do maximálně 20 kHz. Škůdci, jako jsou myši, potkani nebo vymezení kunovití, ale takto omezeni nejsou. Horní hranice jejich schopnosti vnímat ultrazvukové signály je například u myší přibližně až 100 kHz. Je přitom důležité zdůraznit, že nejlepších výsledků z hlediska schopnosti myší posuzovat polohu zdroje zvuku – respektive ultrazvuku – bylo dosaženo přibližně na kmitočtu 80 kHz. Myši tedy mají nejlepší odhad polohy zdroje zvuku na kmitočtu čtyřikrát vyšším, než je horní hranice slyšitelnosti člověka.

Obecně pak myši a potkani posuzují polohu a pohybové vlastnosti zdroje zvuku především v oblasti ultrazvuku – to samozřejmě neplatí pro zdroje, které kromě zvuku současně negenerují i ultrazvuk – a jejich vzájemná druhová komunikace probíhá rovněž na ultrazvukových kmitočtech.

Na základě výsledků, které jsme získali při vytváření vývojového systému plašičů škůdců II. generace s ALCsim®, můžeme obecně konstatovat, že ultrazvukové pásmo má pro život těchto živočichů zásadně vyšší význam, než se dosud všeobecně předpokládalo, a současně že oblast zvuku na kmitočtech pod úrovní 20 kHz pro tyto živočichy příliš významná není. Podstatné zvukové zdroje pocházející od hrozícího nebezpečí, jako jsou například útoky pozemních nebo vzdušných predátorů, totiž generují podstatně širší kmitočtové spektrum, než si my lidé – omezeni možnostmi vlastního sluchu – běžně uvědomujeme.

Součástí vývojového řešení plašičů – respektive odpuzovačů – škůdců II. generace s ALCsim® je i využití frekvenční analýzy a naměřených hodnot hladin akustického tlaku zvuků, které souvisejí s běžnými hrozbami ze strany predátorů. Konkrétně jde například o pohyb běžných pozemních šelem, jako jsou pes nebo kočka, po různých površích, nebo o charakteristiku šumu křídel dravého ptáka při útoku a to jak ve zvukové, tak i ultrazvukové oblasti.

Na základě frekvenční analýzy a naměřených hodnot hladin akustického tlaku lze konstatovat, že uvedené běžné přibližující se hrozby – tedy pozemní a vzdušní predátoři – vyvolávají v oblasti ultrazvuku, v závislosti na konkrétním kmitočtu, srovnatelně intenzivní zvuk jako v oblasti 20 Hz až 20 kHz. V některých případech je dokonce intenzita hluku vygenerovaného běžícím nebo letícím dravcem v ultrazvukové oblasti vyšší než v běžně slyšitelném pásmu. Navíc se dá předpokládat, že pokud by byla uvedená měření realizována – kromě mnoha běžných přírodních povrchů – také na sněhové pokrývce, což dosud nebyla, byly by výsledky celkově ještě více ve prospěch ultrazvuku. Komplexní srovnání možností využití zvukového a ultrazvukového signálu v souvislosti s různými ultrazvukovými kmitočty je tedy samozřejmě také součástí našeho uceleného vývojového systému plašičů II. generace s ALCsim®.

Údaje získané z vědeckých studií i z našich interních měření potvrzují, že i z hlediska ekologické relevance je možné pro simulaci přibližujícího se nebezpečí – respektive útoku predátora – u vymezených druhů škůdců použít s výhodou pouze signály v ultrazvukové oblasti, a to i na vyšších ultrazvukových kmitočtech, aniž by bylo nutné současně generovat signály v oblasti 20 Hz až 20 kHz nebo signály na nižších ultrazvukových kmitočtech.

CÍLE A ZPŮSOBY JEJICH DOSAŽENÍ V SOUVISLOSTI S VYUŽITÍM ALCSIM® V PLAŠIČÍCH ŠKŮDCŮ

Náš způsob využití ALC pro vyvolání vrozených obranných reakcí prostřednictvím percepční asymetrie ALB je zcela unikátní. Jde o cílené generování optimalizovaných, ekologicky relevantních sluchových podnětů a jejich využití proti škůdcům. Simulované ALC, tedy ALCsim®, vyvolávají u škůdců komplexní obranné reakce a vytvářejí tak v prostoru svého dosahu pro zacílené škůdce nehostinné prostředí.

Naším cílem bylo vytvořit zařízení, které generuje optimalizované ALC signály a prostřednictvím nich působí na vrozené obranné reakce škůdců. Takové zařízení vlastně simuluje blížící se nebezpečí ve formě rychlých útoků dravců. Celá koncepce je založena na ekologické relevanci hrozebných sluchových podnětů (ALC), což znamená, že simulovaná rychlost blížícího se nebezpečí odpovídá reálným hrozbám, jimž škůdci v přírodě čelí ve formě pozemních nebo vzdušných predátorů. Účelem tedy bylo vytvořit pro škůdce nepřátelské prostředí, v němž budou pociťovat neustálý strach, stres a úzkost. Takový princip má přímý význam pro to, jak má být navržen účinný plašič myší nebo obecně odpuzovač hlodavců a kun.

Možnost využití působení na vrozené obranné mechanismy škůdců představuje jedinečnou příležitost pro vytvoření plašiče, respektive odpuzovače, škůdců zcela nového typu s výrazně vyšší účinností oproti dosavadním zařízením využívaným k plašení škůdců. Tento směr současně posouvá možnosti, které dnes nabízí ultrazvukové plašiče. Výhody zařízení využívajících simulované signály ALC nespočívají jen ve zvýšení negativního vlivu akustického signálu na škůdce. Díky cílení na vrozené obranné reakce a současně s ohleduplností k vnějšímu sluchovému ústrojí je možné dosáhnout minimální habituace na akustický signál tohoto typu plašiče škůdců a současně zásadně snížit negativní vliv použitého signálu na vnější sluchové ústrojí škůdců.

Možnost habituace škůdců na signál plašiče je dále omezená díky využití více zvukových proudů, tedy více nezávislých zvukových kanálů produkujících ALCsim®. V našich standardních typech plašičů škůdců II. generace je proto využito více nezávislých generátorů ALCsim®, konkrétně 2 až 4 generátory, které šíří ALCsim® s různými okamžitými vlastnostmi do různých směrů. Toto řešení není důležité jen z hlediska omezení habituace. Zásadní je také jako simulace útoků predátorů současně z různých míst a s různou rychlostí i intenzitou. To má pak obecný význam pro zvýšení účinnosti plašičů, zvětšení účinného prostoru a pro obecně vyšší penetraci chráněného prostoru signály plašiče, a to díky dosažení vyššího akustického výkonu, ale bez zvýšení striktně stanovené bezpečné maximální hladiny akustického tlaku plašičů, respektive odpuzovačů.

Významným prvkem, který dále přispívá ke snížení habituace na signály ALCsim®, je využití vysokých ultrazvukových kmitočtů kolem 40 kHz. Dorsomediální pole (DM) sluchové kůry myšovitých i kunovitých představuje oblast specializovanou na zpracování ultrazvukových akustických signálů, přičemž její funkční vlastnosti se zásadně liší od primární sluchové kůry (AI), zejména z hlediska plasticity a paměťového přetváření. DM vykazuje silnější odpovědi na frekvence kolem 40 kHz a výše, avšak na rozdíl od AI nevykazuje výraznou zkušenostně podmíněnou plasticitu paměti po dlouhodobé akustické expozici. Využití vyšší ultrazvukové oblasti okolo kmitočtu 40 kHz tedy zajišťuje zvýšenou rezistenci vůči habituaci škůdců na signál plašiče z hlediska plasticity paměti sluchové kůry.

Kmitočty okolo 40 kHz a vyšší mají u myšovitých a kunovitých mimořádný biologický význam. Akustické podněty s kmitočtem přibližně 40 kHz a vyšším například u myší vyvolávají v core oblasti sluchové kůry (AAF/A1) řízenou inhibici odpovědí na podněty s nižšími ultrazvukovými a zvukovými kmitočty. Jde o mechanismus selektivního, inhibičně zprostředkovaného potlačení mimopásmové aktivity (lateral-band suppression), který vede ke zvýšení kontrastu a ke zlepšení detekovatelnosti ultrazvukového signálu v pásmu nad 40 kHz ve srovnání s nižšími kmitočty. Současně ani opakovaná a dlouhodobá expozice behaviorálně významným ultrazvukovým signálům s kmitočtem okolo 40 kHz a vyšším nevede k rozšíření, oslabení ani zúžení jejich kortikální reprezentace v oblasti core auditorické kůry (AAF/A1). Jinými slovy, při dlouhodobé expozici cílových škůdců podnětům o kmitočtu 40 kHz a vyšším nedochází k habituaci ve formě vyhasínání senzorické mapy na úrovni primární sluchové kůry.

Z hlediska vlastností ALC a jejich využití v plašičích škůdců je nutné zmínit ještě jednu zásadní skutečnost. Signály ALC jsou vzhledem ke své důležitosti jako výstražné signály schopny přesměrovat pozornost posluchačů od jiných vjemů právě k vnímání ALC jako aktuálně nejdůležitějšího podnětu. Tuto modifikaci smyslového vnímání řídí u primátů prefrontální kortex, respektive u myší prelimbická oblast mozku. Tato nejvyšší kognitivní centra pak obecně přebírají řízení nad zpracováním ALC signálů.

K přesměrování pozornosti na ALC dochází i ve ztížených hlukových podmínkách, tedy tehdy, když je intenzita hluku pozadí vyšší než intenzita samotného ALC. Z tohoto hlediska roste význam využití plašičů škůdců s ALC v hlučném prostředí, kde zvukové nebo ultrazvukové signály standardních plašičů I. generace bez využití ALC již z hlediska odpuzování škůdců nemohou mít žádný význam. Právě zde se nejvýrazněji ukazuje rozdíl mezi běžným zařízením a systémem, který funguje jako skutečně sofistikovaný plašič na kuny, plašič na myši nebo odpuzovač myší.

Stanovené cíle návrhu plašičů škůdců II. generace s ALCsim®

Aktivace vrozených obranných reflexů škůdců pomocí ALCsim®
Využití kmitočtového pásma 40 kHz
Maximalizace akustického výkonu plašičů využitím více akustických proudů
Maximalizace kognitivního a emočního zatížení škůdců
Získání a udržení co nejvyšší pozornosti škůdců i v hlučném prostředí
Minimalizace negativního vlivu na vnější sluchové ústrojí škůdců
Omezení habituace – tedy postupného úbytku reakce – škůdců na nejnižší možnou míru
Narušování druhové i mezidruhové komunikace škůdců
Narušování schopnosti škůdců určovat polohu, rychlost a směr zdrojů zvuku
Naprostá bezpečnost z hlediska lidského zdraví
Naprostá bezpečnost z hlediska zdraví běžných domácích a hospodářských zvířat

Způsoby dosažení stanovených cílů návrhu plašičů škůdců II. generace s ALCsim®

Využití ALCsim® pro vyvolání vrozených obranných reakcí škůdců
Využití více generátorů pro rozšíření simulace útoků predátorů a zvýšení akustického výkonu
Optimalizace ALCsim® s ohledem na jeho ekologickou relevanci
Optimalizace ALCsim® s ohledem na maximalizaci kognitivního a emočního zatížení škůdců
Optimalizace modulace SPL s ohledem na zatěžování vnějšího sluchového ústrojí
Šumový cyklus pro regeneraci vnějšího sluchového ústrojí škůdců (variantní řešení)
Zdravotně bezpečnostní analýzy s ohledem na lidské zdraví
Zdravotně bezpečnostní analýzy s ohledem na zdraví domácích a hospodářských zvířat
Legislativní analýza z hlediska hlukových zákonů

ZACÍLENÉ DRUHY ŠKŮDCŮ V SOUVISLOSTI S VYUŽITÍM ALCSIM®

Naše řešení využití Auditory Looming Cues (ALC) pro vyvolání vrozených obranných reakcí škůdců je zaměřeno na vymezené druhy z čeledi myšovitých, konkrétně na myši, potkany a krysy, a dále na specifické malé savce, konkrétně na některé malé šelmy z čeledi kunovitých, a to na kunu skalní, kunu lesní, lasici kolčavu a lasici hranostaje. Právě na tato zvířata je primárně zaměřeno využití ALC pro vyvolání vrozených obranných reakcí jako součást komplexního systému vývoje plašičů – respektive odpuzovačů – škůdců II. generace s využitím ALCsim®. Z obchodního a praktického hlediska to znamená, že technologie má přímý význam pro výrobky typu plašič kun, plašič myší, plašič potkanů, nebo obecně plašič kun a hlodavců.

ALC je pravděpodobně možné využít pro vyvolání obranných reakcí i u jiných druhů zvířat, dosavadní vědecké experimenty s ALC však byly prováděny především na myších, potkanech a vymezených kunovitých, což jsou zároveň nejčastější zvířata využívaná v laboratořích pro vědecký výzkum. Současně byl pak vliv ALC na vyvolání vrozených obranných reakcí potvrzen i u lidí a u dalších dvou druhů primátů, a to v souvislosti s rozsáhlými a mnohaletými experimenty v oblasti psychoakustiky a díky možnosti sledovat mozkové reakce pomocí magnetické rezonance a počítačové tomografie.

VÝVOJOVÝ SYSTÉM ELEKTROAKUSTICKÝCH PLAŠIČŮ ŠKŮDCŮ II. GENERACE

V souvislosti s využitím ALC v elektroakustických plašičích škůdců jsme vytvořili komplexní vývojový systém pro plašiče II. generace založený na využití simulovaných ALC signálů. Technologie ALCsim® vznikala několik let a opírá se o rozsáhlé analytické rešerše relevantních i širších kontextových vědeckých studií z několika uplynulých desetiletí. Z několika tisíc vybraných a analyzovaných odborných prací byly při jejím vývoji přímo využity stovky studií. Projekt ALCsim® má v současnosti rozsah přes 1200 stran a nadále se průběžně rozvíjí. V návaznosti na nový vědecký vývoj jsou do něj doplňovány další poznatky, které jsou současně zasazovány do širšího kontextu celého řešení.

Vývojový systém elektroakustických plašičů škůdců II. generace využívajících simulaci ALC zahrnuje vedle samotného jádra technologie, opřeného o výsledky neurovědního výzkumu, také komplexní analýzu zpracování sluchových podnětů ve vnějším sluchovém ústrojí myší, potkanů a vybraných druhů kunovitých. Tato analýza pracuje s různými intenzitami akustických signálů, tedy i mimo intenzitní rozsahy, které se běžně uplatňují například při sestavování audiogramů, a současně zohledňuje i možné ochranné mechanismy sluchu.

Samotné výsledky této analýzy jsou velmi důležité, protože ukazují na značné rozpory mezi výsledky standardních audiogramů sluchu a výsledky měření nervové aktivity v oblasti sluchové dráhy a dále i z hlediska zpracování sluchových podnětů v relevantních oblastech mozku, a to v závislosti na různých intenzitách hlasitosti sluchových podnětů a na použitém kmitočtu.

Náš závěr je jednoznačný: standardní audiogramy jsou pro vývoj plašičů škůdců založených na ultrazvukovém signálu metodologicky téměř nepoužitelné. Přesto jsou všechny plašiče škůdců, se kterými jsme se dosud setkali – včetně výrobků významných producentů – navrženy na úrovni, která implicitně vychází z velmi primitivního předpokladu, že generování jakéhokoli zvukového či ultrazvukového „hluku“ bude samo o sobě postačovat k tomu, aby zařízení na škůdce působilo negativně.

Taková úvaha však neobstojí, protože přehlíží nejen způsob, jakým škůdci zvuk skutečně vnímají, ale i to, zda na něj reagují způsobem, který může vést k dlouhodobému odpuzujícímu účinku.

Některá z těchto zařízení přitom nejsou schopna vytvořit ani dostatečnou hladinu akustického tlaku. Jiná působí na první pohled sofistikovaněji a využívají například rychlé sekvence impulsního hluku, které obcházejí ochranné mechanismy sluchu ve střední i kochleární části sluchového aparátu. Právě takový typ řešení je však ve skutečnosti vysoce kontraproduktivní. Vede totiž k rychlému zvýšení sluchového prahu škůdců a může vyvolat dočasné, v některých případech i trvalé poškození sluchu.

V rámci testování jsme měli k dispozici desítky různých typů plašičů, respektive odpuzovačů škůdců z celého světa, a ani jeden z nich nebylo možné označit za skutečně smysluplné řešení. I tam, kde je vývoj plašiče alespoň formálně opřen o standardní audiogramy, zůstává založen na chybných výchozích předpokladech. Nejnovější vědecké poznatky totiž ukazují, že výsledky nervové aktivity ve sluchové dráze malých savců – tedy myší, potkanů, krys, kun a lasic – při různých intenzitách akustických podnětů a na různých kmitočtech neodpovídají výsledkům standardních audiogramů, a to zvláště v oblasti ultrazvuku.

Z toho vyplývá, že i funkčnost těch současných elektroakustických plašičů škůdců, které byly v dobré víře navrženy na základě standardních audiogramů, stojí na mylných základech. Vývoj a výroba elektroakustických plašičů škůdců bez komplexního porozumění tomu, jak jsou sluchové podněty zpracovávány nejen ve vnějším sluchovém ústrojí, ale i v centrální nervové soustavě, již dnes postrádají odborné opodstatnění.

Jako jediné skutečně smysluplné řešení se tak jeví využití ekologicky relevantních ALC signálů s co nejvýraznějším účinkem v mozkových oblastech, které tyto podněty zpracovávají, i v nervových drahách, jež tyto oblasti propojují. Tento účinek je přitom nutné řešit jak z kvalitativního, tak z kvantitativního hlediska, tedy s cílem dosáhnout co nejintenzivnějšího zásahu co největšího počtu mozkových struktur cílových škůdců. Nestačí pouze vyvolat silnou akutní obrannou reakci, tedy reakci bezprostředního strachu, a následnou behaviorální odpověď. Stejně důležité je také maximalizovat kognitivní a emoční zatížení, tedy dosáhnout toho, aby konkrétní simulované ALC signály zatěžovaly co nejvíce relevantních mozkových oblastí současně, s co nejvyšší intenzitou a současně v dlouhodobém horizontu.

Z praktického hlediska to znamená, že vývoj zařízení, jako je ultrazvukový plašič kun a hlodavců, nelze řešit intuitivně. Odborně obhajitelný výsledek předpokládá detailní znalost vnějšího sluchového ústrojí, zpracování sluchových podnětů v centrální nervové soustavě i ekologické relevance konkrétního akustického signálu.

ZÁVĚR

Plašiče škůdců II. generace založené na využití simulace přirozených ALC signálů (ALCsim®) proti škůdcům z čeledí myšovitých a kunovitých představují zásadně inovativní přístup k ochraně před těmito druhy škůdců. Jde o mimořádně výkonná zařízení tohoto typu, a to při současném zajištění naprosté bezpečnosti pro uživatele, domácí i hospodářská zvířata a samozřejmě také při dodržení hlukových norem souvisejících s ultrazvukovým signálem šířeným vzduchem.

Navržené plašiče, respektive odpuzovače, vytvářejí pro cílové škůdce velmi nepřátelské prostředí, v němž jsou vystaveni trvalému strachu, stresu a úzkosti. Na tomto principu jsou založeny také modely Deramax-Ultima, Deramax-Audit a Deramax-Omega, které využívají technologii ALCsim® k vytváření simulovaných útoků predátorů z různých směrů, s odlišnou dynamikou i intenzitou. Současně je u těchto plašičů snížena míra habituace škůdců na signály na minimum. Na minimum je omezeno také riziko poškození jejich sluchu a s tím spojený problém rychlého poklesu účinnosti, ke kterému dochází u standardních akustických plašičů škůdců I. generace. Škůdci tak chráněný prostor opouštějí a hledají nové útočiště mimo dosah signálu plašiče.

Z hlediska praktického použití to znamená, že dobře navržený ultrazvukový odpuzovač kun, myší a potkanů nelze chápat pouze jako zdroj nepříjemného ultrazvuku. Jeho skutečná účinnost spočívá v práci s biologicky významnými signály, které zasahují vrozené obranné mechanismy škůdců a dlouhodobě narušují jejich pocit bezpečí v chráněném prostoru.

Technologie ALCsim® a její využití v plašičích škůdců tak představuje světově unikátní řešení společnosti Deramax.cz s.r.o. s aktivní ochranou u patentového úřadu.

Související články o technologii ALCsim

Pokud vás tato problematika zajímá podrobněji, doporučujeme pokračovat i dalšími souvisejícími texty. Základní principy shrnuje článek Princip technologie ALCsim, na praktické souvislosti navazuje text Praktické základy technologie ALCsim a otázkám bezpečnosti se věnuje článek Bezpečnost technologie ALCsim.

Autor:
Pavel Hnilica
Deramax.cz s.r.o.

Veškeré obrazové a textové materiály jsou chráněny autorským zákonem a jejich použití je možné pouze se souhlasem autora (pavel@hnilica.eu).