Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation. Citiți articolul original.
Cum arhitectura creierului și neuronilor noștri permite fiecăruia dintre noi să facă alegeri comportamentale individuale? Oamenii de știință au folosit multă vreme metafora guvernului pentru a explica modul în care cred că sistemele nervoase sunt organizate pentru luarea deciziilor. Suntem la rădăcină o democrație, cum ar fi cetățenii britanici care votează pentru Brexit? O dictatură, cum ar fi liderul nord-coreean care comandă o lansare de rachete? Un set de facțiuni care concurează pentru control, precum cele din cadrul armatei turce? Sau altceva?
În 1890, psihologul William James a susținut că în fiecare dintre noi „[aici] este… o centrală sau pontificală [celulă nervoasă] la care este atașată conștiința noastră.” Dar în 1941, fiziologul și laureatul Nobel Sir Charles Sherrington a susținut ideea de o singură celulă pontificală responsabilă, ceea ce sugerează mai degrabă că sistemul nervos este „o democrație de un milion de ori a cărei unitate este o celulă”. Deci cine avea dreptate?
Din motive etice, rareori suntem justificați în monitorizarea celulelor unice din creierul oamenilor sănătoși. Dar este posibil să se dezvăluie mecanismele celulare ale creierului la multe animale non-umane. După cum povestesc în cartea mea „Governing Behavior”, experimentele au scos la iveală o serie de arhitecturi decizionale în sistemele nervoase - de la dictatură, la oligarhie, la democrație.
Pentru unele comportamente, o singură celulă nervoasă acționează ca un dictator, declanșând un întreg set de mișcări prin semnalele electrice pe care le folosește pentru a trimite mesaje. (Noi neurobiologii numim acele semnale potențiale de acțiune, sau vârfuri.) Luăm exemplul de a atinge un raci pe coada sa; un singur vârf în neuronul uriaș lateral provoacă un flip rapid de coadă care săgește animalul în sus, în afara pericolului potențial. Aceste mișcări încep la aproximativ o sutime de secundă de la atingere.
Racii scapă datorită „neuronului său dictator”. Fiecare fotografie făcută cu 10 sutimi de secundă. (Jens Herberholz și Abigail Schadegg, Universitatea Maryland, College Park) În mod similar, un singur vârf în neuronul uriaș Mauthner din creierul unui pește determină o mișcare de evadare care îndepărtează rapid peștele de o amenințare, astfel încât să poată înota la siguranță. (Acesta este singurul „neuron de comandă” confirmat într-un vertebrat.)
Fiecare dintre acești „neuroni dictatori” este neobișnuit de mare - în special axonul său, partea lungă și îngustă a celulei care transmite vârfuri pe distanțe lungi. Fiecare neuron dictator se află în vârful unei ierarhii, integrând semnale de la mulți neuroni senzoriali și transmitând ordinele sale către un set mare de neuroni subervanți care în sine provoacă contracții musculare.
Astfel de dictaturi celulare sunt comune pentru mișcările de evacuare, în special în nevertebrate. De asemenea, controlează alte tipuri de mișcări care sunt practic identice de fiecare dată când apar, inclusiv ciripitul cricket.
Dar aceste celule dictatoare nu sunt întreaga poveste. Racii pot declanșa și un alt fel de flip - printr-un alt mic set de neuroni care acționează efectiv ca o oligarhie.
Aceste evadări „non-gigant” sunt foarte similare cu cele declanșate de neuronii giganti, dar încep puțin mai târziu și permit mai multă flexibilitate în detalii. Astfel, atunci când un raci este conștient de faptul că este în pericol și are mai mult timp pentru a răspunde, de obicei folosește o oligarhie în locul dictatorului său.
În mod similar, chiar dacă neuronul Mauthner al unui pește este ucis, animalul poate scăpa în continuare de situații periculoase. Poate efectua rapid mișcări de evadare similare folosind un set mic de alți neuroni, deși aceste acțiuni încep ușor mai târziu.
Această redundanță are sens: ar fi foarte riscant să ai încredere în evadarea dintr-un prădător într-un singur neuron, fără ca o copie de rezervă sau o defecțiune a acelui neuron să poată pune viața în pericol. Deci, evoluția a oferit mai multe modalități de a iniția scăparea.
Praznicul organizează o alegere pentru neuroni înainte de a vă recăpăta din atingere. (Vitalii Hulai / iStock) Oligarhiile neuronale pot, de asemenea, să medieze propriile noastre percepții la nivel înalt, cum ar fi atunci când recunoaștem o față umană. Cu toate acestea, pentru multe alte comportamente, sistemele nervoase iau decizii prin „democrația de milioane de ori” a lui Sherrington.
De exemplu, când o maimuță își întinde brațul, mulți neuroni din cortexul motor al creierului generează vârfuri. Fiecare neuron țâșnește pentru mișcări în multe direcții, dar fiecare are o direcție particulară care îl face să țâșnească cel mai mult.
Cercetătorii au emis ipoteza că fiecare neuron contribuie la atingerea tuturor până la un anumit grad, dar țipă cel mai mult pentru atingerile pe care le contribuie. Pentru a-și da seama, au monitorizat mulți neuroni și au făcut niște matematici.
Cercetătorii au măsurat rata vârfurilor la mai mulți neuroni atunci când o maimuță a atins mai multe ținte. Apoi, pentru o singură țintă, ei au reprezentat fiecare neuron printr-un vector - unghiul său indică direcția de atingere preferată a neuronului (când țâșnește cel mai mult), iar lungimea indică rata relativă de învârtire a acestei ținte. Ei și-au rezumat din punct de vedere matematic efectele (o medie vectorială ponderată) și au putut prezice în mod fiabil rezultatul mișcării tuturor mesajelor pe care neuronii le trimiteau.
Aceasta este ca o alegere neuronală în care unii neuroni votează mai des decât alții. Un exemplu este prezentat în figură. Liniile violete palide reprezintă voturile de mișcare ale neuronilor individuali. Linia portocalie („vectorul populației”) indică direcția însumată. Linia galbenă indică direcția de mișcare reală, care este destul de similară cu predicția vectorului populației. Cercetatorii au numit aceasta populatie codare.
Pentru unele animale și comportamente, este posibilă testarea versiunii democrației a sistemului nervos prin perturbarea alegerilor. De exemplu, maimuțele (și oamenii) fac mișcări numite „sacade” pentru a muta rapid ochii de la un punct de fixare la altul. Saccadele sunt declanșate de neuroni într-o parte a creierului numită colicul superior. La fel ca în maimuța atinge exemplul de mai sus, acești neuroni fiecare vârf pentru o mare varietate de sacade, dar spike cel mai mult pentru o direcție și distanță. Dacă o parte a coliculului superior este anesteziată - desconsiderarea unui anumit grup de alegători - toate sacadele sunt îndepărtate de direcția și distanța pe care alegătorii acum tăcuți o preferiseră. Alegerile au fost acum rigide.
O manipulare unicelulară a demonstrat că lipitoriile au și alegeri. Prazul își îndoaie corpul departe de o atingere spre pielea lor. Mișcarea se datorează efectelor colective ale unui număr mic de neuroni, dintre care unii au votat pentru rezultatul rezultat, iar unii au votat altfel (dar au fost depășiți).
Perturbând o mișcare "alegeri" mișcare leech. Stânga: cercetătorii au atins pielea animalului într-o locație indicată de săgeată. Fiecare linie solidă este direcția îndepărtată de lipire de această atingere la o încercare. Mijlociu: stimularea electrică către un neuron senzorial diferit a făcut ca prazul să se îndoaie într-o direcție diferită. Corect: Cercetătorii au atins pielea și au stimulat simultan neuronul și lipirea s-a aplecat în direcții intermediare. (Reimprimat cu permisiunea Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis și WB Kristan, Nature 391: 76-79, copyright 1998) Dacă lipitura este atinsă în partea de sus, tinde să se îndoaie de această atingere. Dacă un neuron care răspunde în mod normal la atingeri pe partea de jos este stimulat electric, în schimb, lipitura tinde să se îndoaie aproximativ în direcția opusă (panoul din mijloc al figurii). Dacă această atingere și acest stimul electric apar simultan, prazul se îndoaie de fapt într-o direcție intermediară (panoul din dreapta al figurii).
Acest rezultat nu este optim pentru nici un stimul individual, dar este totuși rezultatul alegerilor, un fel de compromis între două extreme. Este ca atunci când un partid politic se reunește la o convenție pentru a pune la punct o platformă. Ținând cont de ceea ce își doresc diverse aripi ale partidului poate duce la un compromis undeva la mijloc.
Au fost demonstrate numeroase alte exemple de democrații neuronale. Democrațiile determină ceea ce vedem, auzim, simțim și mirosim, de la greieri și muște de fructe la oameni. De exemplu, percepem culorile prin votul proporțional a trei tipuri de fotoreceptori care răspund cel mai bine la o lungime de undă diferită a luminii, așa cum a propus fizicianul și medicul Thomas Young în 1802. Unul dintre avantajele democrațiilor neuronale este că variabilitatea într-un singur neuron scrutinul este mediat la vot, deci percepțiile și mișcările sunt de fapt mai precise decât dacă depindeau de unul sau câțiva neuroni. De asemenea, în cazul în care unii neuroni sunt deteriorați, mulți alții rămân să preia slăbiciunea.
Spre deosebire de țări, însă, sistemele nervoase pot implementa mai multe forme de guvernare simultan. O dictatură neuronală poate coexista cu o oligarhie sau democrație. Dictatorul, care acționează cel mai rapid, poate declanșa debutul unui comportament, în timp ce alți neuroni ajustează mișcările care urmează. Nu este necesar să existe o singură formă de guvernare, atât timp cât consecințele comportamentale cresc probabilitatea de supraviețuire și reproducere.
