Cum ne permite arhitectura creierului și a neuronilor noștri să facă alegeri comportamentale individuale? Oamenii de știință au folosit de mult timp metafora guvernului pentru a explica modul în care cred că sistemele nervoase sunt organizate pentru luarea deciziilor. Suntem la bază o democrație, cum ar fi cetățenii britanici care votează pentru Brexit? O dictatură, cum ar fi liderul nord-coreean care ar fi ordonat lansarea unei rachete? Un set de facțiuni care concurează pentru control, precum cele din cadrul armatei turcești? Sau altceva?

In 1890, psihologul William James a susținut că în fiecare dintre noi „[t] aici este ... o [celulă nervoasă] centrală sau pontifică de care este atașată conștiința noastră”. Dar în 1941, fiziolog și laureat al Premiului Nobel Sir Charles Sherrington a argumentat împotriva ideii unei singure celule pontifice la conducere, sugerând mai degrabă că sistemul nervos este „o democrație de milioane de ori a cărei unitate este o celulă”.

Deci cine avea dreptate?

Din motive etice, rareori suntem justificați în monitorizarea celulelor individuale din creierul oamenilor sănătoși. Dar este fezabil să se dezvăluie mecanismele celulare ale creierului la multe animale neumane. După cum povestesc în cartea mea „Comportament de guvernare” experimentele au dezvăluit o serie de arhitecturi de luare a deciziilor în sistemele nervoase - de la dictatură, la oligarhie, la democrație.

O dictatură neuronală

Pentru unele comportamente, o singură celulă nervoasă acționează ca un dictator, declanșând un întreg set de mișcări prin intermediul semnalelor electrice pe care le folosește pentru a trimite mesaje. (Neurobiologii numim aceste semnale potențiale de acțiune, sau țepi.) Luați exemplul de a atinge un raci pe coadă; o singură vârf în neuronul uriaș lateral provoacă o coadă rapidă care aruncă animalul în sus, în afara pericolului potențial. Aceste mișcări încep la aproximativ o sutime de secundă de atingere.

În mod similar, un singur vârf în gigantul neuron Mauthner din creierul unui pește provoacă o mișcare de evadare care îndepărtează rapid peștele de o amenințare, astfel încât să poată înota în siguranță. (Acesta este singurul „neuron de comandă” confirmat la o vertebrată.)

Fiecare dintre acești neuroni dictatori este neobișnuit de mare - în special axonul său, partea lungă și îngustă a celulei care transmite vârfuri pe distanțe mari. Fiecare neuron dictator se află în partea de sus a unei ierarhii, integrând semnale de la mulți neuroni senzoriali și transmitând ordinele sale către un set mare de neuroni subordonați care provoacă în sine contracții musculare.

Astfel de dictaturi celulare sunt frecvente pentru mișcările de evadare, în special la nevertebrate. De asemenea, controlează alte tipuri de mișcări care sunt practic identice de fiecare dată când apar, inclusiv ciripit de greier.

Abordare de echipă mică

Dar aceste celule dictatoare nu sunt întreaga poveste. Racul poate declanșează un flip de coadă și într-un alt mod - printr-un alt set mic de neuroni care acționează efectiv ca o oligarhie.

Aceste evadări „non-gigantice” sunt foarte asemănătoare cu cele declanșate de neuronii gigantici, dar încep puțin mai târziu și permit mai multă flexibilitate în detalii. Astfel, atunci când un rac este conștient că este în pericol și are mai mult timp să răspundă, folosește de obicei 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 face rapid mișcări de evadare similare folosind un mic set de alți neuroni, deși aceste acțiuni încep puțin mai târziu.

Această redundanță are sens: ar fi foarte riscant să avem încredere în evadarea unui prădător către un singur neuron, fără niciun fel de rezervă - rănirea sau funcționarea defectuoasă a neuronului respectiv ar pune în pericol viața. Deci, evoluția a oferit mai multe modalități de a iniția evadarea.

Oligarhii neuronale pot media, de asemenea, propriile noastre percepții la nivel înalt, cum ar fi atunci când noi recunoaște un chip uman.

Majoritatea câștigă

Cu toate acestea, pentru multe alte comportamente, sistemele nervoase iau decizii prin „democrația de milioane de ori” a lui Sherrington.

De exemplu, atunci când o maimuță își întinde brațul, mulți neuroni din cortexul motor al creierului generează vârfuri. Fiecare neuron crește pentru mișcări în mai multe direcții; dar fiecare are o direcție specială care o face să crească cel mai mult.

Cercetătorii au emis ipoteza că fiecare neuron contribuie la toate nivelurile într-o anumită măsură, dar crește cel mai mult pentru atingerile la care contribuie cel mai mult. Pentru a-și da seama, au monitorizat mulți neuroni și au făcut niște calcule.

Cercetătorii au măsurat rata vârfurilor în mai mulți neuroni 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 crește cel mai mult), iar lungimea indică rata relativă de creștere a acestei ținte. Ei și-au însumat matematic efectele (o medie vectorială ponderată) și au putut prezice în mod fiabil rezultatul mișcării din toate mesajele pe care le transmiteau neuronii.

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 lor însumată. Linia galbenă indică direcția de mișcare reală, care este destul de similară cu predicția vectorului populației. Cercetătorii au numit această codificare a populației.

Pentru unele animale și comportamente, este posibil să se testeze versiunea democrației sistemului nervos perturbând alegerile. De exemplu, maimuțele (și oamenii) fac mișcări numite „sacade” pentru a deplasa 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 exemplul de mai sus de maimuță, acești neuroni au 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 - renunțarea la un anumit set de alegători - toate sacadele sunt mutate din direcția și distanța pe care alegătorii acum tăcute le preferaseră. Alegerile au fost acum trucate.

O manipulare cu o singură celulă a demonstrat că lipitorile organizează și alegeri. Lipitorii își îndoi corpul departe de o atingere pe piele. Mișcarea se datorează efectelor colective ale unui număr mic de neuroni, dintre care unii au votat pentru rezultatul rezultat, iar alții au votat altfel (dar au fost depășiți).

Dacă lipirea este atinsă în partea de sus, aceasta tinde să se îndoaie de această atingere. Dacă un neuron care răspunde în mod normal la atingerile de pe fund este stimulat electric în schimb, lipitorul tinde să se îndoaie în direcția opusă (panoul din mijloc al figurii). Dacă această atingere și acest stimul electric apar simultan, lipitorul se îndoaie 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 diferite 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 până la oameni. De exemplu, percepem culorile prin votul proporțional al a trei tipuri de fotoreceptoare care fiecare răspund cel mai bine la o lungime de undă diferită a luminii, ca fizician și medic Thomas Young a propus în 1802. Unul dintre avantajele democrațiilor neuronale este că variabilitatea în creșterea unui singur neuron este mediată în vot, astfel încât percepțiile și mișcările sunt de fapt mai precise decât dacă ar depinde de unul sau câțiva neuroni. De asemenea, dacă unii neuroni sunt deteriorați, mulți alții rămân să preia slăbiciunea.

Spre deosebire de țări, totuși, sistemele nervoase pot implementa mai multe forme de guvernare simultan. O dictatură neuronală poate coexista cu o oligarhie sau democrație. Dictatorul, acționând cel mai rapid, poate declanșa apariția unui comportament în timp ce alți neuroni reglează fin mișcările care urmează. Nu este nevoie să existe o singură formă de guvernare atât timp cât consecințele comportamentale cresc probabilitatea de supraviețuire și reproducere.

Despre autor

Ari Berkowitz, profesor prezidențial de biologie; Director, Programul absolvent de neurobiologie celulară și comportamentală, Universitatea din Oklahoma

Acest articol a fost publicat inițial Conversaţie. Citeste Articol original.

Cărți conexe

at InnerSelf Market și Amazon