Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.
Hvordan tillader arkitekturen for vores hjerne og neuroner, at vi alle kan træffe individuelle adfærdsvalg? Forskere har længe brugt regeringens metafor til at forklare, hvordan de tror, nervesystemer er organiseret til beslutningstagning. Har vi rod i et demokrati, ligesom de britiske statsborgere stemmer for Brexit? Et diktatur ligesom den nordkoreanske leder, der bestiller en missiludskydning? Et sæt fraktioner, der konkurrerer om kontrol, ligesom dem inden for det tyrkiske militær? Eller noget andet?
I 1890 argumenterede psykolog William James for, at i hver af os "[t] her er ... en central eller pontifisk [nervecelle], som vores bevidsthed er knyttet til." Men i 1941 argumenterede fysiolog og Nobelprist Sir Charles Sherrington imod ideen af en enkelt pontifisk celle, der er ansvarlig, hvilket antyder snarere, at nervesystemet er "et millionfoldigt demokrati, hvor hver enhed er en celle." Så hvem havde ret?
Af etiske grunde er vi sjældent berettiget til at overvåge enkeltceller i sunde folks hjerner. Men det er muligt at afsløre hjernens cellemekanismer hos mange ikke-menneskelige dyr. Som jeg fortæller i min bog "Regerende opførsel", har eksperimenter afsløret en række beslutningsarkitekturer i nervesystemer - fra diktatur, til oligarki til demokrati.
For nogle adfærd fungerer en enkelt nervecelle som en diktator og udløser et helt sæt bevægelser via de elektriske signaler, den bruger til at sende meddelelser. (Vi neurobiologer kalder disse signaler handlingspotentialer eller pigge.) Tag eksemplet med at røre ved en krebs på halen; en enkelt spids i den laterale gigantiske neuron fremkalder en hurtig haleflip, der hvælver dyret opad, ud af potentiel fare. Disse bevægelser begynder inden for ca. en hundredeedel af et sekund af berøringen.
Kræft undslipper takket være sin "diktatorneuron." Hvert foto taget 10 hundredels sekund fra hinanden. (Jens Herberholz og Abigail Schadegg, University of Maryland, College Park) På samme måde fremkalder en enkelt spids i den gigantiske Mauthner-neuron i hjernen af en fisk en flugtbevægelse, der hurtigt vender fisken væk fra en trussel, så den kan svømme i sikkerhed. (Dette er den eneste bekræftede “kommandonuron” i et hvirveldyr.)
Hver af disse "diktatorneuroner" er usædvanligt store - især dens akson, den lange, smalle del af cellen, der transmitterer pigge over lange afstande. Hver diktatorneuron sidder øverst i et hierarki og integrerer signaler fra mange sensoriske neuroner og overfører dens ordrer til et stort sæt underordnede neuroner, som selv forårsager muskelsammentrækninger.
Sådanne cellediktaturer er almindelige for flugtbevægelser, især i hvirvelløse dyr. De kontrollerer også andre slags bevægelser, der stort set er identiske, hver gang de forekommer, herunder cricket-kvitring.
Men disse diktatorceller er ikke hele historien. Kræft kan også udløse en hale-flip på en anden måde - via et andet lille sæt neuroner, der effektivt fungerer som et oligarki.
Disse "ikke-gigantiske" flugt er meget lig dem, der udløses af gigantiske neuroner, men begynder lidt senere og giver større fleksibilitet i detaljerne. Når en kræft er opmærksom på, at den er i fare og har mere tid til at reagere, bruger den typisk et oligarki i stedet for dens diktator.
På samme måde kan dyret stadig undslippe fra farlige situationer, selv hvis en fisks Mauthner-neuron dræbes. Det kan hurtigt foretage lignende flugtbevægelser ved hjælp af et lille sæt andre neuroner, skønt disse handlinger begynder lidt senere.
Denne redundans giver mening: det ville være meget risikabelt at stole på flugt fra et rovdyr til en enkelt neuron, uden at nogen sikkerhedskopiering eller funktionsfejl af den pågældende neuron derefter ville være livstruende. Så evolution har givet flere måder at indlede flugt på.
Leeches afholder et neuronvalg, før de ryger tilbage fra din berøring. (Vitalii Hulai / iStock) Neuronale oligarkier kan også formidle vores egne opfattelser på højt niveau, som når vi genkender et menneskeligt ansigt. For mange andre adfærd træffer nervesystemer imidlertid beslutninger gennem noget som Sherringtons "millionfoldige demokrati."
For eksempel når en abe når sin arm ud, genererer mange neuroner i hjernens motoriske cortex pigge. Hver neuron pigger for bevægelser i mange retninger, men hver har en bestemt retning, der gør det pigge mest.
Forskere antagede, at hver neuron bidrager til alle rækkevidde til en vis grad, men pigger mest for når det bidrager til de fleste. For at finde ud af det, overvågede de mange neuroner og gjorde noget matematik.
Forskere målte frekvensen af pigge i flere neuroner, når en abe nåede mod flere mål. Derefter repræsenterede de for et enkelt mål hver neuron med en vektor - dens vinkel indikerer neuronens foretrukne at nå retning (når den spider mest), og længden angiver dens relative spidshastighed for netop dette mål. De opsummerede matematiske effekter (et vægtet vektorgennemsnit) og kunne pålideligt forudsige bevægelsesresultatet af alle meddelelser, som neuronerne sendte.
Dette er som et neuronal valg, hvor nogle neuroner stemmer oftere end andre. Et eksempel er vist på figuren. De lys violette linjer repræsenterer bevægelsesstemmer fra individuelle neuroner. Den orange linje ("befolkningsvektoren") angiver deres summerede retning. Den gule linje angiver den faktiske bevægelsesretning, der svarer til befolkningsvektorens forudsigelse. Forskerne kaldte denne befolkning kodning.
For nogle dyr og adfærd er det muligt at teste nervesystemets version af demokrati ved at forstyrre valget. For eksempel foretager aber (og mennesker) bevægelser kaldet "saccades" for hurtigt at flytte øjnene fra et fikseringspunkt til et andet. Saccader udløses af neuroner i en del af hjernen kaldet superior colliculus. Ligesom i eksemplet med aben nåede disse neuroner hver til en bred vifte af saccader, men spider mest for en retning og afstand. Hvis en del af den overordnede colliculus bedøves - frigørelse af et bestemt sæt vælgere - flyttes alle saccader væk fra den retning og afstand, som de nu tavse vælgere havde foretrukket. Valget er nu blevet rigget.
En enkeltcelle-manipulation demonstrerede, at igler også afholder valg. Leeches bøjer deres kroppe væk fra en berøring til deres hud. Bevægelsen skyldes de kollektive virkninger af et lille antal neuroner, hvoraf nogle stemte for det resulterende resultat, og nogle stemte andet (men blev outvoteret).
Pesturbing en igelbevægelse "valg." Til venstre: forskere rørte dyrets hud et sted angivet med pilen. Hver solide linje er den retning, som iglen bøjede væk fra dette berøring i en prøve. Mellem: elektrisk stimulering til en anden sensorisk neuron fik iglen til at bøje sig i en anden retning. Højre: Forskere rørte ved huden og stimulerede neuronet samtidig, og iglen bøjede sig i mellemretninger. (Genoptrykt med tilladelse fra Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis og WB Kristan, Nature 391: 76-79, copyright 1998) Hvis røglen røres på toppen, har den en tendens til at bøje sig væk fra denne berøring. Hvis en neuron, der normalt reagerer på berøring i bunden, i stedet stimuleres elektrisk, har leechen en tendens til at bøjes i omtrent den modsatte retning (figurens midterste panel). Hvis dette berøring og denne elektriske stimulus forekommer samtidig, bøjes røglen faktisk i en mellemretning (figurens højre panel).
Dette resultat er ikke optimalt for hverken individuel stimulans, men er ikke desto mindre valgresultatet, et slags kompromis mellem to ekstremer. Det er som når et politisk parti mødes på en konvention for at sammensætte en platform. Når man tager højde for, hvad partiets forskellige vinger ønsker, kan det føre til et kompromis et sted i midten.
Der er demonstreret adskillige andre eksempler på neuronale demokratier. Demokratier bestemmer, hvad vi ser, hører, føler og lugter, fra crickets og frugtfluer til mennesker. For eksempel opfatter vi farver gennem den proportionelle afstemning af tre slags fotoreceptorer, som hver reagerer bedst på en anden bølgelængde af lys, som fysiker og læge Thomas Young foreslog i 1802. En af fordelene ved neuronale demokratier er den variation i en enkelt neuron spiking er gennemsnitligt ved afstemningen, så opfattelser og bevægelser er faktisk mere præcise end hvis de var afhængige af en eller nogle få neuroner. Også, hvis nogle neuroner er beskadiget, er der mange andre, der fortsætter med at tage op slakken.
I modsætning til lande kan nervesystemer imidlertid implementere flere regeringsformer samtidig. Et neuronalt diktatur kan sameksistere med et oligarki eller demokrati. Diktatoren, der handler hurtigst, kan muligvis udløse en opførsel, mens andre neuroner finjusterer de efterfølgende bevægelser. Der behøver ikke være en enkelt regeringsform, så længe de adfærdsmæssige konsekvenser øger sandsynligheden for overlevelse og reproduktion.
