Onko hermojärjestelmäsi demokratia vai diktatuur

Miten aivojemme ja neuronien arkkitehtuuri antaa meille jokaiselle mahdollisuuden tehdä yksilöllisiä käyttäytymisvalintoja? Tiedemiehet ovat pitkään käyttäneet hallituksen metaforaa selittämään, miten he ajattelevat hermostojärjestelmien järjestämistä päätöksentekoon. Olemmeko me demokratiassa, kuten Yhdistyneen kuningaskunnan kansalaiset äänestävät Brexitin puolesta? Diktatuurina, kuten Pohjois-Korean johtaja, joka tilasi ohjusten käynnistämisen? Joukko ryhmittymiä, jotka kilpailevat valvonnasta, kuten Turkin armeijan sisällä? Tai jotain muuta?

In 1890, psykologi William James väitti, että kussakin meistä ”[t] tässä on yksi keskus- tai pontifikatiivinen [hermosolu], johon tietoisuus on liitetty.” Mutta 1941, fysiologi ja Nobel-palkinto Sir Charles Sherrington vastusti ajatusta yhdestä ainoasta vastakohtaisesta solusta, mikä viittaa pikemminkin siihen, että hermosto on "miljoonan kertainen demokratia, jonka kukin yksikkö on solu."

Joten kuka oli oikeassa?

Eettisistä syistä olemme harvoin oikeutettuja seuraamaan yksittäisiä soluja terveiden ihmisten aivoissa. Mutta on mahdollista paljastaa aivojen solumekanismit monissa ei-ihmiseläimissä. Kuten kerron teoksessani "Hallitseva toiminta" Kokeet ovat paljastaneet erilaisia ​​hermojärjestelmien päätöksentekorakenteita - diktatuurista, oligarhiasta, demokratiaan.

Neuraalinen diktatuuri

Joidenkin käyttäytymismuotojen osalta yksi hermosolu toimii diktaattorina, joka laukaisee koko joukon liikkeitä sähköisten signaalien kautta, joita se käyttää viestien lähettämiseen. (Me neurobiologit kutsuvat näitä signaaleja toimintamahdollisuuksia, tai piikkejä.) Ota esimerkki koskettamisesta rapuja hänen häntä; yksittäinen piikki sivuttaisen jättiläisen neuronissa saa aikaan nopean hännän kääntämisen, joka holvaa eläimen ylöspäin, pois mahdollisesta vaarasta. Nämä liikkeet alkavat noin sadasosan kosketuksesta.

Samoin yksittäisen piikin kalan aivoissa sijaitsevan jättiläisen Mauthner-neuronin piikki saa aikaan pakenemisliikkeen, joka muuttaa kalat nopeasti pois uhkasta, jotta se voi uida turvallisuuteen. (Tämä on ainoa vahvistettu "käsky neuron" selkärankaisessa.)


sisäinen tilausgrafiikka


Kukin näistä diktaattorin hermosoluista on epätavallisen suuri - erityisesti sen aksoni, solun pitkä, kapea osa, joka välittää piikkejä pitkiä matkoja. Kukin diktaattori-neuroni istuu hierarkian yläosassa, integroimalla signaaleja monista aistien hermosoluista ja välittäen tilauksensa suurelle joukolle alistuvia neuroneja, jotka itse aiheuttavat lihasten supistuksia.

Tällaiset solujen diktatuurit ovat yleisiä pakolaisliikkeille, erityisesti selkärangattomille. He myös kontrolloivat muita liikkeitä, jotka ovat periaatteessa identtisiä joka kerta, kun niitä esiintyy kriketti.

Pienen tiimin lähestymistapa

Mutta nämä diktaattorisolut eivät ole koko tarina. Rapu voi käynnistää hännän kääntö myös toisella tavalla - toisen pienen joukon neuroneja toimivat tehokkaasti oligarhia.

Nämä "ei-jättiläiset" pakenevat ovat hyvin samankaltaisia ​​kuin jättiläisten neuronien laukaisemat, mutta ne alkavat hieman myöhemmin ja mahdollistavat yksityiskohtien joustavuuden. Siten, kun rapu on tietoinen siitä, että se on vaarassa ja sillä on enemmän aikaa vastata, se yleensä käyttää diktaattorin sijasta oligarhiaa.

Samoin, vaikka kalan Mauthner-neuroni tapetaan, eläin voi edelleen paeta vaarallisista tilanteista. Se voi nopeasti tehdä samanlaisia ​​pakolaisliikkeitä käyttämällä a pieni joukko muita neuroneja, vaikka nämä toimet alkavat hieman myöhemmin.

Tämä redundanssi on järkevää: olisi erittäin riskialtista luottaa pakoon pääsemisestä yhdelle neuronille ilman varmuuskopiointia - tämän neuronin vammoja tai toimintahäiriöitä olisi sitten hengenvaarallinen. Joten evoluutio on tarjonnut useita tapoja käynnistää paeta.

Neuronaaliset oligarchit voivat myös välittää omia korkean tason havaintoja, kuten silloin, kun me tunnistaa ihmisen kasvot.

Enemmistö voittaa

Monille muille käyttäytymiselle hermojärjestelmät tekevät kuitenkin päätöksiä Sherringtonin ”miljoonan demokratian” kautta.

Esimerkiksi, kun apina saavuttaa kätensä, monet aivonsa aivokuoren neuronit tuottavat piikkejä. Jokainen neuronipiikki liikkuu monessa suunnassa; mutta jokaisella on yksi tietty suunta, joka tekee siitä suurimman.

Tutkijat olettivat, että jokainen hermosolu edistää kaikkien ulottuvuuksien saavuttamista, mutta suurimpia haavoittuvuuksia se lisää eniten. Voit selvittää sen, he seurasivat monia neuroneja ja tekivät matematiikkaa.

Tutkijat mittaivat piikkien määrää useissa neuroneissa, kun apina saavutti useita kohteita. Sitten yhden kohteen kohdalla he edustivat kutakin neuronia vektorilla - sen kulma osoittaa neuronin edullisen ulottuvuuden suunnan (kun se piilee eniten) ja pituus osoittaa sen suhteellisen nopeuden tämän tietyn kohteen kohdalla. He laskivat matemaattisesti niiden vaikutukset (painotettu vektori-keskiarvo) ja voisivat ennustaa luotettavasti liikkeen lopputuloksen kaikki viestit, joita neuronit lähettivät.

Tämä on kuin neuronivalinta, jossa jotkut neuronit äänestävät useammin kuin toiset. Esimerkki on esitetty kuvassa. Vaaleat violetit viivat edustavat yksittäisten hermosolujen liikkeen ääniä. Oranssi viiva ("populaatiovektori") osoittaa niiden yhteenlasketun suunnan. Keltainen viiva osoittaa todellisen liikkeen suunnan, joka on melko samanlainen kuin väestön vektorin ennuste. Tutkijat kutsuivat tätä populaatiokoodausta.

Joillekin eläimille ja käyttäytymiselle on mahdollista testata hermoston demokratian versiota häiritsemällä vaaleja. Esimerkiksi apinat (ja ihmiset) tekevät liikkeistä "saccades", jotta silmät voidaan siirtää nopeasti yhdestä kiinnityskohdasta toiseen. Saksadit laukaisevat neuronit aivojen osassa, jota kutsutaan ylemmäksi colliculukseksi. Kuten edellä mainitussa apina ulottuvuusesimerkissä, nämä neuronit piikkiä monenlaisiin saccadesiin, mutta piikki eniten yhden suunnan ja matkan suhteen. Jos yksi ylemmän colliculuksen osa on nukutettu - hylkäämällä tietyn joukon äänestäjiä - kaikki saccades on siirretty pois siitä suunnasta ja etäisyydestä, jota nyt äänettömät äänestäjät olivat halunneet. Vaalit on nyt korjattu.

Yksisoluinen manipulointi osoitti, että leeches järjestää myös vaaleja. Leeches taivuttaa kehonsa pois kosketuksesta iholle. Liike johtuu pienen määrän hermosolujen yhteisvaikutuksista, joista osa äänesti tuloksista ja osa niistä äänesti toisin (mutta ne olivat poissa).

Jos leechia on kosketettu ylhäältä, se taipuu taipumaan. Jos neuroni, joka normaalisti reagoi pohjan koskettimiin, stimuloidaan sen sijaan sähköisesti, leech pyrkii taipumaan suunnilleen vastakkaiseen suuntaan (kuvion keskipaneeli). Jos tämä kosketus ja tämä sähköinen ärsyke esiintyvät samanaikaisesti, leekki taivuttaa itse asiassa välisuunnassa (kuvan oikea paneeli).

Tämä tulos ei ole optimaalinen yksittäiselle kannustimelle, mutta se on kuitenkin vaalien tulos, eräänlainen kompromissi kahden äärimmäisyyden välillä. Se on kuin silloin, kun poliittinen puolue kokoontuu yleissopimukseen järjestääkseen foorumin. Ottaen huomioon mitä puolueen eri siivet haluavat johtaa kompromissiin jossain keskellä.

Lukuisat muut esimerkit neuronaalisista demokratioista on osoitettu. Demokratiat määrittelevät, mitä me näemme, kuulemme, tuntemme ja haistamme ihmisiltä. Esimerkiksi voimme havaita värejä kolmen eri fotoreceptorien suhteellisen äänestyksen avulla, joista kukin vastaa parhaiten eri aallonpituudella valossa, fyysikkona ja lääkärinä Thomas Young ehdotti 1802issa. Yksi neuronaalisten demokratioiden eduista on se, että yksittäisen neuronin kiihdytyksen keskiarvo lasketaan äänestyksessä, joten havainnot ja liikkeet ovat itse asiassa tarkempia kuin jos ne olisivat riippuvaisia ​​yhdestä tai muutamasta neuronista. Lisäksi, jos jotkut neuronit ovat vaurioituneet, monet muutkin jäävät löysään.

Toisin kuin maat, hermojärjestelmät voivat kuitenkin toteuttaa useita hallinnon muotoja samanaikaisesti. Neuronaalinen diktatuuri voi olla samanaikainen oligarkian tai demokratian kanssa. Diktaattori, joka toimii nopeimmin, voi laukaista käyttäytymisen alkamisen, kun taas muut neuronit hienosäätävät seuraavia liikkeitä. Ei tarvitse olla yksi ainoa hallitusmuoto, kunhan käyttäytymisvaikutukset lisäävät selviytymisen ja lisääntymisen todennäköisyyttä.

Author

Ari Berkowitz, biologian presidenttiprofessori; Johtaja, solu- ja käyttäytymisneurobiologian jatko-ohjelma, Oklahoman yliopisto

Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Conversation. Lue alkuperäinen artikkeli.

Liittyvät kirjat

at InnerSelf Market ja Amazon