Är ditt nervsystem en demokrati eller en diktatur?

Är ditt nervsystem en demokrati eller en diktatur

Hur tillåter vår hjärna och neurons arkitektur var och en av oss att göra individuella beteendeval? Forskare har länge använt regeringens metafor för att förklara hur de tycker att nervsystemet är organiserat för beslutsfattande. Är vi i roten en demokrati, som Storbritanniens medborgare rösta för Brexit? En diktatur, som den nordkoreanska ledaren beställer en missilstart? En uppsättning fraktioner som konkurrerar om kontroll, som i den turkiska militären? Eller något annat?

In 1890, psykolog William James hävdade att i vart och ett av oss "är här ... en central eller pontifisk [nervcell] som vår medvetenhet är bunden till." Men i 1941, fysiolog och nobelpristagare Sir Charles Sherrington argumenterade mot idén om en enda pontifisk cell som ansvarar, vilket tyder på att nervsystemet är "en miljon gånger demokrati vars varje enhet är en cell".

Så vem hade rätt?

Av etiska skäl är vi sällan motiverade att övervaka enskilda celler i friska människors hjärnor. Men det är möjligt att avslöja hjärnans cellulära mekanismer hos många icke-humana djur. Som jag berättar i min bok "Befintlig beteende" experiment har visat upp en rad beslutsarkitekturer i nervsystemet - från diktatur till oligarki, till demokrati.

En neural diktatur

För vissa beteenden fungerar en enda nervcell som en diktator som utlöser en hel uppsättning rörelser via de elektriska signaler som används för att skicka meddelanden. (Vi neurobiologer kallar dessa signaler åtgärdspotentialer, eller spikes.) Ta exempel på att röra en kräftor på sin svans; en enda spik i den laterala jätteuronen framkallar en snabb svansflip som valpar djuret uppåt, ut ur potentiell fara. Dessa rörelser börjar inom cirka en hundra sekund av kontakten.

På samma sätt framkallar en enda spik i den jätte Mauthner-neuronen i en fisks hjärna en flyktrörelse som snabbt vänder fisken från ett hot så att det kan simma för säkerheten. (Detta är den enda bekräftade "kommandoturonen" i ett ryggradsdjur.)

Var och en av dessa diktatorneuroner är ovanligt stor - speciellt sin axon, den långa, smala delen av cellen som överför spikar över långa avstånd. Varje diktatorneuron sitter högst upp i en hierarki, integrerar signaler från många sensoriska neuroner och överför sina order till en stor uppsättning subservienta neuroner som själva orsakar muskelkontraktioner.


Få det senaste från InnerSelf


Sådana cellulära diktaturer är vanliga för flyktrörelser, speciellt hos ryggradslösa djur. De kontrollerar också andra typer av rörelser som i grunden är identiska varje gång de inträffar, inklusive cricket kvittrar.

Litet lagslag

Men dessa diktatorceller är inte hela historien. Kräftor kan utlösa en svansflip ett annat sätt - via en annan liten uppsättning neuroner som fungera effektivt som en oligarki.

Dessa "icke-jätte" flyktingar liknar dem som utlöses av jätte neuroner, men börjar lite senare och möjliggör mer flexibilitet i detaljerna. Så när en kräft är medveten om att den är i fara och har mer tid att svara, använder den vanligen en oligarki istället för sin diktator.

På samma sätt, även om en fisk Mauthner-neuron dödas, kan djuret fortfarande fly från farliga situationer. Det kan snabbt göra liknande flyktrörelser med hjälp av a liten uppsättning andra neuroner, även om dessa åtgärder börjar lite senare.

Denna redundans är meningsfull: det skulle vara väldigt riskabelt att lita på att fly från en rovdjur till en enda neuron, utan säkerhetskopiering - skada eller funktionsfel hos den neuron skulle då vara livshotande. Så evolutionen har tillhandahållit flera sätt att initiera flykt.

Neuronala oligarkier kan också förmedla våra egna höga uppfattningar, som när vi känna igen ett mänskligt ansikte.

Majoriteten vinner

För många andra beteenden fattar nervsystemet dock beslut genom något som Sherringtons "miljonfaldiga demokrati".

Till exempel, när en apa når sin arm, genererar många neuroner i hjärnans motorcortex spikar. Varje neuron spikar för rörelser i många riktningar; men varje har en särskild riktning som gör att den spikar mest.

Forskare hypoteser att varje neuron bidrar till alla uppfattningar i viss mån, men spikar mest för att nå det bidrar till de flesta. För att räkna ut det, övervakade de många neuroner och gjorde lite matte.

Forskare mätt frekvensen av spikar i flera neuroner när en apa nådde mot flera mål. Därefter representerade de för varje enskilt mål varje neuron av en vektor - dess vinkel indikerar neuronens föredragna riktningsriktning (när den spikar mest) och längden indikerar sin relativa hastighet för spikning för detta specifika mål. De summerade matematiskt deras effekter (ett viktat vektorns medelvärde) och kunde förutsäga rörligt utfall på ett tillförlitligt sätt av alla meddelanden som neuronerna skickade.

Det här är som ett neuronval där vissa neuroner rösta oftare än andra. Ett exempel visas i figuren. De bleka violettlinjerna representerar rörelsen röster av enskilda neuroner. Den orange linjen ("befolkningsvektorn") indikerar sin summerade riktning. Den gula linjen indikerar den aktuella rörelseriktningen, vilket är ganska lik populationsvektorns förutsägelse. Forskarna kallade denna populationskodning.

För vissa djur och beteenden är det möjligt att testa nervsystemets version av demokratin genom att stör valet. Apor (och människor) gör till exempel rörelser som kallas "saccades" för att snabbt flytta ögonen från en fixeringspunkt till en annan. Saccades utlöses av neuroner i en del av hjärnan som kallas överlägsen colliculus. Precis som i apen, nås exemplet ovan, spikar dessa neuroner sig för en mängd olika saccader men spik mest för en riktning och avstånd. Om en del av den överlägsna colliculusen bedövas - disenfranchising en viss uppsättning av väljare - allt saccader skiftas bort från den riktning och avstånd som de nu tysta väljare hade föredragit. Valet har nu blivit riggt.

En singelmanipulation visade att leeches också håller val. Leeches böjer sina kroppar från en beröring till deras hud. Förflyttningen beror på de kollektiva effekterna av ett litet antal neuroner, av vilka några röstade för det resulterande resultatet och några av dem röstade annars (men var överklagade).

Om läget berörs på toppen, tenderar det att böja sig borta från den här kontakten. Om en neuron som normalt svarar på beröring på botten stimuleras elektriskt istället, tenderar läget att böja i ungefär motsatt riktning (figurens mittpanel). Om denna beröring och denna elektriska stimulans inträffar samtidigt böjer böjningen sig i en mellanriktning (den högra panelen i figuren).

Detta resultat är inte optimalt för antingen enskilt stimulans men det är ändå valresultatet, en form av kompromiss mellan två ytterligheter. Det är som när ett politiskt parti kommer ihop vid en konvention för att sätta ihop en plattform. Med tanke på vilka olika vingar partiet vill kunna leda till en kompromiss någonstans i mitten.

Många andra exempel på neurondemokratier har visats. Demokrater bestämmer vad vi ser, hör, känner och lukar, från syrsor och fruktflugor till människor. Vi uppfattar till exempel färger genom proportionell röstning av tre typer av fotoreceptorer som var och en svarar bäst i en annan våglängd av ljus, som fysiker och läkare Thomas Young föreslogs i 1802. En av fördelarna med neuronal demokratier är att variationen i en enda neurons spikning är genomsnittlig ut i röstningen, så perceptioner och rörelser är faktiskt mer exakta än om de berodde på ett eller några neuroner. Även om vissa neuroner är skadade, fortsätter många andra att ta upp slacken.

Till skillnad från länder kan nervsystemet dock genomföra flera former av regering samtidigt. En neuronal diktatur kan sameksistera med en oligarki eller demokrati. Diktatorn, som verkar snabbast, kan utlösa uppkomsten av ett beteende medan andra neuroner finjusterar de efterföljande rörelserna. Det behöver inte vara en enda form av regering så länge som de beteende konsekvenserna ökar sannolikheten för överlevnad och reproduktion.

Om författaren

Ari Berkowitz, presidentens professor i biologi; Direktör, Cellular & Behavioral Neurobiology Graduate Program, University of Oklahoma

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.

relaterade böcker

{amazonWS: searchindex = Böcker; nyckelord = nervsystem; maxresultat = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

följ InnerSelf på

facebook-icontwitter-iconrss-icon

Få det senaste via e-post

{Emailcloak = off}