Er nervesystemet ditt et demokrati eller et diktatur

Hvordan tillater arkitekturen i hjernen og nevronene oss hver enkelt å gjøre individuelle atferdsvalg? Forskere har lenge brukt metaforen til regjeringen for å forklare hvordan de tror at nervesystemene er organisert for beslutningstaking. Er vi ved roten et demokrati, som Storbritannias statsborger stemmer for Brexit? Et diktatur, som den nordkoreanske lederen bestiller en rakettstart? Et sett med fraksjoner som konkurrerer om kontroll, som de i det tyrkiske militæret? Eller noe annet?

In 1890, psykolog William James hevdet at i hver av oss "er her ... en sentral eller pontifisk [nervecelle] som vår bevissthet er knyttet til." Men i 1941, fysiolog og nobelpristageren Sir Charles Sherrington argumenterte mot ideen om en enkelt pontifisk celle i ansvar, noe som tyder på at nervesystemet er "et milliondobbelt demokrati hvis hver enhet er en celle".

Så hvem hadde rett?

Av etiske grunner er vi sjelden begrunnet i å overvåke enkeltceller i friske menneskers hjerner. Men det er mulig å avdekke hjernens cellulære mekanismer hos mange ikke-menneskelige dyr. Som jeg forteller i boken min "Bevegelsesadferd," eksperimenter har avslørt en rekke beslutningstakerarkitekturer i nervesystemer - fra diktatur til oligarki, til demokrati.

Et neuralt diktatur

For noen oppføringer fungerer en enkelt nervecelle som en diktator, som utløser et helt sett bevegelser via de elektriske signaler den bruker til å sende meldinger. (Vi nevrobiologer kaller disse signalene handlingspotensialer, eller pigger.) Ta eksempel på å røre en kreps på halen; en enkelt spike i den laterale gigantiske nevronen utløser en rask hale-flip som dyrker dyret oppover, ut av potensiell fare. Disse bevegelsene begynner innen omtrent ett hundre sekund av kontakten.

På samme måte utløser en enkelt spike i den gigantiske Mauthner-nevronen i en fiskes hjerne en rømningsbevegelse som raskt forvandler fisken fra en trussel, slik at den kan svømme til sikkerhet. (Dette er den eneste bekreftede "kommando-neuronen" i vertebrater.)


innerself abonnere grafikk


Hver av disse diktatorneuronene er uvanlig stor - spesielt sin axon, den lange, smale delen av cellen som overfører pigger over lange avstander. Hver diktatorneuron sitter på toppen av et hierarki, integrerer signaler fra mange sensoriske nevroner, og formidler sine ordrer til et stort sett av underliggende nerver som selv forårsaker muskelkontraksjoner.

Slike cellulære diktaturer er vanlige for rømningsbevegelser, spesielt hos vertebrater. De kontrollerer også andre typer bevegelser som i utgangspunktet er identiske hver gang de oppstår, inkludert cricket chirping.

Små team tilnærming

Men disse diktatorceller er ikke hele historien. Kreps kan utløse en hale-flip en annen måte også - via et annet lite sett med nevroner som effektivt fungere som et oligarki.

Disse "ikke-gigantiske" rømmene ligner de som utløses av gigantiske nevroner, men begynner litt senere og gir mer fleksibilitet i detaljene. Så når en kreps er klar over at den er i fare og har mer tid til å svare, bruker den vanligvis et oligarki i stedet for dens diktator.

På samme måte, selv om en fisk Mauthner-neuron er drept, kan dyret fortsatt unnslippe fra farlige situasjoner. Det kan raskt gjøre lignende flyktebevegelser ved hjelp av a lite sett med andre nevroner, selv om disse handlingene begynner litt senere.

Denne redundansen er fornuftig: det ville være veldig risikabelt å stole på å flykte fra en rovdyr til en enkelt neuron, uten sikkerhetskopiering - skade eller funksjonsfeil hos nevronet ville da være livstruende. Så evolusjonen har gitt flere måter å starte flukt.

Neuronale oligarker kan også formidle våre egne oppfatninger på høyt nivå, som når vi gjenkjenne et menneskelig ansikt.

Majoritet vinner

For mange andre atferd, tar nervesystemet imidlertid beslutninger gjennom noe som Sherringtons "million-fold-demokrati".

For eksempel når en ape når sin arm, genererer mange nevroner i hjernens motorcortex pigger. Hver neuron pigger for bevegelser i mange retninger; men hver har en bestemt retning som gjør at den spiser mest.

Forskere antydet at hver nevron bidrar til alle når i noen grad, men pigger mest for å nå det bidrar til de fleste. For å finne ut det, overvåket de mange neuroner og gjorde litt matte.

Forskere målt frekvensen av pigger i flere nevroner når en ape nådde mot flere mål. Så for et enkelt mål representerte de hver neuron av en vektor - dens vinkel indikerer nevronens foretrukne rekkevidde (når den spiser mest) og lengden indikerer dens relative frekvens for spiking for dette bestemte mål. De oppsummerte matematisk deres effekter (et vektet vektorgennomsnitt) og kunne pålidelig forutse bevegelsesutfallet av alle meldingene neuronene sendte.

Dette er som et neuronvalg hvor noen nevroner stemmer oftere enn andre. Et eksempel er vist i figuren. De bleke fiolinlinjene representerer bevegelsesstemmer fra enkelte neuroner. Den oransje linjen ("populasjonsvektoren") indikerer deres summerte retning. Den gule linjen indikerer den faktiske bevegelsesretningen, som er ganske lik populasjonsvektorens prediksjon. Forskerne kalte denne befolkningskoding.

For noen dyr og atferd er det mulig å teste nervesystemets versjon av demokratiet ved å forstyrre valget. For eksempel gjør aper (og folk) bevegelser som kalles "saccades" for å raskt skifte øynene fra ett fikseringspunkt til et annet. Saccades utløses av nevroner i en del av hjernen som kalles overlegen colliculus. Som i apen nå eksempelet ovenfor, spiser disse nevronene hver for et bredt utvalg av saccades, men Spike mest for en retning og avstand. Hvis en del av den overordnede colliculus er bedøvet - disenfranchising et bestemt sett av velgere - alt saccades blir skiftet bort fra retningen og avstanden som de nå stille stemme velgerne hadde foretrukket. Valget har nå blitt rigget.

En enkelt-celle manipulasjon viste at leeches også holder valg. Leeches bøyer kroppene sine bort fra et snev til huden deres. Bevegelsen skyldes de kollektive effektene av et lite antall nevroner, hvorav noen stemte for det resulterende utfallet, og noen av dem stemte ellers (men var opptatt).

Hvis leechen berøres på toppen, har den en tendens til å bøye seg bort fra denne kontakten. Hvis en neuron som normalt reagerer på berøringer på bunnen, er elektrisk stimulert i stedet, har tendensen tendens til å bøye seg i omtrent motsatt retning (figurens midtre panel). Hvis denne berøringen og denne elektriske stimulansen oppstår samtidig, bøyer leken faktisk i mellomretningen (høyre panel på figuren).

Dette resultatet er ikke optimalt for hver enkelt stimulus, men det er likevel valgresultatet, et kompromiss mellom to ekstremer. Det er som når et politisk parti kommer sammen på en konvensjon for å sette sammen en plattform. Med tanke på hvilke forskjellige vinger av festen vil, kan det føre til et kompromiss et sted i midten.

Mange andre eksempler på neuronal demokratier har blitt demonstrert. Demokratier bestemmer hva vi ser, hører, føler og lukter, fra crickets og fruktfluer til mennesker. For eksempel oppfatter vi farger gjennom proporsjonal avstemning av tre typer fotoreceptorer som hver reagerer best til en annen bølgelengde av lys, som fysiker og lege Thomas Young foreslått i 1802. En av fordelene med neuronal demokrati er at variabiliteten i en enkelt neurons spiking er gjennomsnittet ut i avstemningen, så oppfatninger og bevegelser er faktisk mer presise enn om de avhenger av en eller noen få nevroner. Også, hvis noen nevroner er skadet, fortsetter mange andre til å ta opp slakk.

I motsetning til land, kan imidlertid nervesystemene implementere flere former for regjering samtidig. En neuronal diktatur kan sameksistere med et oligarki eller demokrati. Diktatoren, som opptrer raskest, kan utløse begynnelsen av en oppførsel mens andre nevroner finjusterer de påfølgende bevegelsene. Det behøver ikke å være en enkelt form for regjering så lenge atferdsmessige konsekvenser øker sannsynligheten for overlevelse og reproduksjon.

Om forfatteren

Ari Berkowitz, president professor i biologi; Direktør, Cellular & Behavioural Neurobiology Graduate Program, University of Oklahoma

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Den Conversation. Les opprinnelige artikkelen.

Relaterte bøker

at InnerSelf Market og Amazon