Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation. Przeczytaj oryginalny artykuł.
W jaki sposób architektura naszego mózgu i neuronów pozwala każdemu z nas dokonywać indywidualnych wyborów behawioralnych? Naukowcy od dawna posługują się metaforą rządu, aby wyjaśnić, w jaki sposób ich zdaniem układ nerwowy jest zorganizowany w celu podejmowania decyzji. Czy jesteśmy u podstaw demokracji, podobnie jak obywatele brytyjscy głosujący na Brexit? Dyktatura, jak przywódca Korei Północnej, który zleca wystrzelenie rakiety? Zestaw frakcji walczących o kontrolę, takich jak te w armii tureckiej? Albo coś innego?
W 1890 r. Psycholog William James argumentował, że u każdego z nas „[tu] jest… jedna centralna lub pontyfikalna [komórka nerwowa], do której przywiązana jest nasza świadomość.” Ale w 1941 r. Fizjolog i laureat Nagrody Nobla, Sir Charles Sherrington, sprzeciwił się temu pomysłowi pojedynczej pontyfikalnej komórki zarządzającej, co sugeruje raczej, że układ nerwowy to „milionowa demokracja, której każda jednostka jest komórką”. Więc kto miał rację?
Ze względów etycznych rzadko usprawiedliwiamy monitorowanie pojedynczych komórek w mózgach zdrowych ludzi. Ale możliwe jest ujawnienie mechanizmów komórkowych mózgu u wielu nieludzkich zwierząt. Jak wspominam w mojej książce „Zachowanie rządzące”, eksperymenty ujawniły szereg architektur decyzyjnych w układach nerwowych - od dyktatury, przez oligarchię, aż po demokrację.
W przypadku niektórych zachowań pojedyncza komórka nerwowa działa jak dyktator, wyzwalając cały zestaw ruchów za pomocą sygnałów elektrycznych, których używa do wysyłania wiadomości. (My neurobiologowie nazywamy te sygnały potencjałami czynnościowymi lub skokami.) Weźmy przykład dotykania raków na ogonie; pojedynczy skok w bocznym gigantycznym neuronie wywołuje szybki obrót ogona, który przeskakuje zwierzę w górę, z dala od potencjalnego niebezpieczeństwa. Ruchy te rozpoczynają się w ciągu około jednej setnej sekundy od dotyku.
Raki uciekają dzięki „neuronowi dyktatora”. Każde zdjęcie wykonane w odstępie 10 setnych sekundy. (Jens Herberholz i Abigail Schadegg, University of Maryland, College Park) Podobnie pojedynczy skok w gigantycznym neuronie Mauthnera w mózgu ryby wywołuje ruch ucieczki, który szybko odwraca rybę od zagrożenia, aby mogła bezpiecznie przepłynąć. (Jest to jedyny potwierdzony „neuron dowodzenia” u kręgowca).
Każdy z tych „neuronów dyktatorskich” jest niezwykle duży - zwłaszcza jego akson, długa, wąska część komórki, która przenosi impulsy na duże odległości. Każdy neuron dyktatora znajduje się na szczycie hierarchii, integrując sygnały z wielu neuronów czuciowych i przekazując swoje rozkazy do dużego zestawu podległych neuronów, które same powodują skurcze mięśni.
Takie dyktatury komórkowe są powszechne w przypadku ruchów ucieczki, szczególnie u bezkręgowców. Kontrolują także inne rodzaje ruchów, które są w zasadzie identyczne za każdym razem, gdy występują, w tym śpiew krykieta.
Ale te komórki dyktatora nie są całą historią. Raki mogą również wywołać obrót ogonem w inny sposób - poprzez inny niewielki zestaw neuronów, które skutecznie działają jak oligarchia.
Te „nie gigantyczne” ucieczki są bardzo podobne do tych wyzwalanych przez gigantyczne neurony, ale zaczynają się nieco później i pozwalają na większą elastyczność w szczegółach. Zatem, gdy rak jest świadomy, że jest w niebezpieczeństwie i ma więcej czasu na odpowiedź, zwykle stosuje oligarchię zamiast swojego dyktatora.
Podobnie, nawet jeśli zabity zostanie neuron Mauthnera ryby, zwierzę wciąż może uciec przed niebezpiecznymi sytuacjami. Może szybko wykonywać podobne ruchy ucieczki przy użyciu niewielkiego zestawu innych neuronów, chociaż te działania zaczynają się nieco później.
Ta nadmiarowość ma sens: bardzo ryzykowne byłoby zaufać ucieczce drapieżnika do pojedynczego neuronu, ponieważ brak podtrzymania lub uszkodzenia tego neuronu zagrażałoby wówczas życiu. Zatem ewolucja zapewniła wiele sposobów inicjowania ucieczki.
Pijawki przeprowadzają wybory neuronów, zanim odskoczą od twojego dotyku. (Vitalii Hulai / iStock) Neuronalne oligarchie mogą także pośredniczyć w naszym postrzeganiu na wysokim poziomie, na przykład kiedy rozpoznajemy ludzką twarz. Jednak w przypadku wielu innych zachowań układy nerwowe podejmują decyzje poprzez coś w rodzaju „milionowej demokracji Sherringtona”.
Na przykład, gdy małpa wyciąga rękę, wiele neuronów w korze ruchowej mózgu wytwarza impulsy. Każdy neuron przyspiesza do ruchów w wielu kierunkach, ale każdy ma jeden konkretny kierunek, który sprawia, że ma największy impuls.
Badacze postawili hipotezę, że każdy neuron w pewnym stopniu przyczynia się do wszystkich zasięgów, ale największy wzrost osiąga, jeśli w największym stopniu się przyczynia. Aby to zrozumieć, monitorowali wiele neuronów i przeprowadzili matematykę.
Naukowcy zmierzyli szybkość skoków w kilku neuronach, gdy małpa sięgnęła w kierunku kilku celów. Następnie, dla pojedynczego celu, reprezentowali każdy neuron za pomocą wektora - jego kąt wskazuje preferowany kierunek docierania neuronu (kiedy uderza on najbardziej), a długość wskazuje jego względną szybkość wzrostu dla tego konkretnego celu. Matematycznie zsumowali swoje efekty (średnia ważona wektorowa) i mogli wiarygodnie przewidzieć wynik ruchu wszystkich wiadomości wysyłanych przez neurony.
To jest jak wybory neuronalne, w których niektóre neurony głosują częściej niż inne. Przykład pokazano na rysunku. Jasnofioletowe linie reprezentują głosy ruchowe poszczególnych neuronów. Pomarańczowa linia („wektor populacji”) wskazuje ich sumaryczny kierunek. Żółta linia wskazuje rzeczywisty kierunek ruchu, który jest dość podobny do prognozy wektora populacji. Naukowcy nazwali to kodowaniem populacji.
W przypadku niektórych zwierząt i zachowań można przetestować wersję demokracji układu nerwowego, zaburzając wybory. Na przykład małpy (i ludzie) wykonują ruchy zwane „sakkadami”, aby szybko przenieść oczy z jednego punktu fiksacji do drugiego. Sakady są uruchamiane przez neurony w części mózgu zwanej górnym kolektorem. Podobnie jak w powyższym przykładzie z małpami, każdy z tych neuronów wyskakuje na wiele różnych sakkad, ale najbardziej na jeden kierunek i odległość. Jeśli znieczulona zostanie jedna część górnego kolektora - pozbawienie prawa wyborczego określonego zestawu wyborców - wszystkie sakkady zostaną przesunięte w stosunku do kierunku i odległości, które woleli teraz milczący wyborcy. Wybory zostały sfałszowane.
Manipulacja pojedynczymi komórkami wykazała, że pijawki również przeprowadzają wybory. Pijawki odchylają ciała od dotyku skóry. Ruch jest spowodowany zbiorowymi efektami niewielkiej liczby neuronów, z których niektóre głosowały za wynikowym wynikiem, a niektóre głosowały inaczej (ale zostały przegłosowane).
Perturbowanie „wyborów” ruchu pijawek. Po lewej: badacze dotknęli skóry zwierzęcia w miejscu wskazanym przez strzałkę. Każda linia ciągła to kierunek, w którym pijawka odchyla się od tego dotyku podczas jednej próby. Środek: stymulacja elektryczna do innego neuronu czuciowego spowodowała, że pijawka zgięła się w innym kierunku. Po prawej: badacze dotknęli skóry i jednocześnie pobudzili neuron, a pijawka zgięła się w pośrednich kierunkach. (Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis i WB Kristan, Nature 391: 76-79, prawa autorskie 1998) Jeśli pijawka zostanie dotknięta u góry, ma tendencję do odchylania się od tego dotyku. Jeśli zamiast tego neuron, który normalnie reaguje na dotknięcia dna, jest stymulowany elektrycznie, pijawka ma skłonność do zginania się w przybliżeniu w przeciwnym kierunku (środkowy panel figury). Jeśli ten dotyk i bodziec elektryczny wystąpią jednocześnie, pijawka faktycznie zgina się w kierunku pośrednim (prawy panel figury).
Wynik ten nie jest optymalny dla żadnego indywidualnego bodźca, ale jest jednak wynikiem wyborów, rodzajem kompromisu między dwiema skrajnościami. To tak, jakby partia polityczna zbierała się na zgromadzeniu, aby stworzyć platformę. Biorąc pod uwagę, czego chcą różne skrzydła partii, może dojść do kompromisu gdzieś pośrodku.
Wykazano wiele innych przykładów demokracji neuronalnych. Demokracje określają to, co widzimy, słyszymy, czujemy i wąchamy, od świerszczy i muszek owocowych po ludzi. Na przykład postrzegamy kolory poprzez proporcjonalne głosowanie trzech rodzajów fotoreceptorów, z których każdy najlepiej reaguje na inną długość fali światła, jak zaproponował fizyk i lekarz Thomas Young w 1802 roku. Jedną z zalet demokracji neuronalnych jest zmienność w pojedynczym neuronie wybijanie jest uśredniane podczas głosowania, więc spostrzeżenia i ruchy są w rzeczywistości bardziej precyzyjne, niż gdyby zależały od jednego lub kilku neuronów. Ponadto, jeśli niektóre neurony są uszkodzone, wiele innych pozostaje do podjęcia luzu.
Jednak w przeciwieństwie do krajów, systemy nerwowe mogą wdrażać wiele form rządów jednocześnie. Dyktatura neuronalna może współistnieć z oligarchią lub demokracją. Dyktator, działając najszybciej, może wywołać początek zachowania, podczas gdy inne neurony dostrajają wynikające z niego ruchy. Nie musi istnieć jedna forma rządu, dopóki konsekwencje behawioralne zwiększają prawdopodobieństwo przeżycia i rozmnażania.
