Ezt a cikket eredetileg a The Conversation kiadta. Olvassa el az eredeti cikket.
Hogyan teszi az agyunk és idegsemeink architektúrája mindannyiunk számára, hogy egyedi viselkedési döntéseket hozzon? A tudósok már régóta használják a kormányzat metaforáját annak elmagyarázására, hogyan gondolják, hogy az idegrendszer hogyan van felépítve a döntéshozatalhoz. Vajon a demokrácia gyökerei vagyunk, mint például az Egyesült Királyság polgárai, akik a Brexitért szavaznak? Diktatúra, mint például az észak-koreai vezető, aki rakétaindítást rendel el? Az ellenőrzésért versenyben álló frakciók csoportja, mint például a török katonaság tagjai? Vagy valami más?
1890-ben William James pszichológus azt állította, hogy mindannyiunkban „itt van… egy központi vagy pónikus [idegsejt], amelyhez a tudatunk kapcsolódik.” De 1941-ben a fiziológus és a Nobel-díjas Sir Charles Sherrington vitatta ezt az elgondolást. egy pontifikális sejt, amely felelős, inkább arra utal, hogy az idegrendszer „milliószoros demokrácia, amelynek minden egység sejt”. Tehát kinek volt igaza?
Etikai okokból ritkán igazolható az egészséges emberek egyedüli sejtjeinek monitorozása. De kivitelezhető az agy sejtmechanizmusa sok nem embernél. Amint azt a „Kormányzó magatartás” című könyvemben elmondom, a kísérletek számos döntéshozatali architektúrát tártak fel az idegrendszerekben - a diktatúrától az oligarchiaig és a demokráciáig.
Egyes viselkedések esetén az egyetlen idegsejt diktátorként működik, és az egész mozgáskészletet kiváltja az üzenetek küldésére használt elektromos jelek révén. (Mi, neurobiológusok, ezeket a jeleket akciópotenciálnak vagy tüskének nevezzük.) Vegyük például a rák megérintését a farkán; az oldalsó óriás neuron egyetlen tüske gyors farok-lepattanást idéz elő, amely az állatot felfelé boltogatja, a lehetséges veszélyek elől. Ezek a mozgások a tapintás körülbelül század-részén kezdődnek.
A rák a "diktátor neuronjának" köszönhetően elmenekül. Minden fotó 10 másodperces század távolságban készült. (Jens Herberholz és Abigail Schadegg, Marylandi Egyetem, College Park) Hasonlóképpen, a halak agyának hatalmas Mauthner idegsejtében lévő egyetlen tüske olyan menekülési mozgást vált ki, amely gyorsan elfordítja a halakat a fenyegetéstől, hogy biztonságba tudjon úszni. (Ez az egyetlen megerősített „parancsneuron” egy gerinces.)
Ezen "diktátor neuronok" mindegyike szokatlanul nagy - különösen axonja, a sejt hosszú, keskeny része, amely nagy távolságra továbbítja a tüskéket. Mindegyik diktátor neuron a hierarchia tetején helyezkedik el, integrálva számos szenzoros neuron jeleit, és megrendeléseit továbbadva egy nagyszámú önellátó neuronhoz, amelyek maguk az izmok összehúzódását okozzák.
Az ilyen celluláris diktatúrák gyakoriak a menekülési mozgásokban, különösen gerincteleneknél. Emellett más típusú mozgásokat is irányítanak, amelyek gyakorlatilag azonosak minden alkalommal, beleértve a krikett csiripelését.
De ezek a diktátor cellák nem az egész történet. A rák más módon is kiválthatja a farok átcsúszását - egy újabb neuronkészlet révén, amely ténylegesen oligarchia.
Ezek a „nem óriási” menekülések nagyon hasonlóak az óriás idegsejtek által kiváltottakhoz, de kissé később kezdődnek, és nagyobb rugalmasságot tesznek lehetővé a részletekben. Így amikor egy rák tudatában van annak, hogy veszélyben van, és több ideje van reagálni, általában egy oligarchia helyett diktátora helyett.
Hasonlóképpen, még ha egy hal Mauthner idegsejét meg is ölik, az állat továbbra is elkerülheti a veszélyes helyzeteket. Gyorsan el tud végezni hasonló menekülési mozgásokat kis neuroncsoport segítségével, bár ezek a műveletek kissé később kezdődnek.
Ez az redundáció értelme: nagyon kockázatos lenne, ha egy ragadozótól egyetlen neuronba kerülnénk, ha nincs mentés - az idegsejt sérülése vagy hibás működése életveszélyes lenne. Tehát az evolúció számos lehetőséget biztosított a menekülés kezdeményezésére.
A póréhagyma neuronválasztást tart, mielőtt visszatérne az Ön kezéből. (Vitalii Hulai / iStock) A neuronális oligarchia közvetítheti saját magas szintű felfogásunkat is, például amikor felismerjük az emberi arcot. Sok más viselkedés esetén azonban az idegrendszer Sherrington „milliószoros demokráciáján” keresztül hoz döntéseket.
Például, amikor egy majom kinyújtja a karját, az agy motoros kéregében sok neuron tüskeket generál. Minden neuron mozog több irányba, de mindegyiknek megvan egy olyan irány, amely a legtöbbet tüskézi.
A kutatók azt feltételezték, hogy az egyes neuronok bizonyos mértékben hozzájárulnak az összes eléréshez, ám a legtöbb tüskés az eléréshez, amelyhez a legtöbb hozzájárul. Hogy kitaláljuk, sok neuront figyeltek és matematikát végeztek.
A kutatók több neuronban kimutatták a tüskék sebességét, amikor egy majom több cél felé eljutott. Ezután egyetlen cél esetén az egyes idegsejteket egy vektorral ábrázolták - annak szöge jelzi a neuron preferált elérési irányát (amikor a legtöbb tüskével jár), a hossza pedig jelzi az adott célpont relatív megcsapódási sebességét. Matematikailag összegezték hatásaikat (súlyozott vektor átlag), és megbízhatóan meg tudták jósolni az összes üzenet mozgásának eredményét, amelyet az idegsejtek küldtek.
Ez olyan, mint egy idegválasztás, amelyben egyes neuronok gyakrabban szavaznak, mint mások. Az ábrán egy példa látható. A sápadt lila vonalak az egyes neuronok mozgási szavait képviselik. A narancssárga vonal (a „populációvektor”) jelzi az összegzésük irányát. A sárga vonal jelzi a tényleges mozgási irányt, ami nagyon hasonló a populációs vektor előrejelzéséhez. A kutatók ezt a populációt kódolásnak hívták.
Bizonyos állatok és viselkedés esetén kipróbálható az idegrendszer demokrácia verziója a választások zavarásával. Például a majmok (és az emberek) „zsákoknak” nevezett mozdulatokat hajtanak végre, hogy a szemét az egyik rögzítési pontból a másikba gyorsan elmozdítsák. A Saccade-kat az agynak a felső colliculusnak nevezett részében neuronok váltják ki. Mint a fenti majom eljutási példában is, ezek az idegsegek mindegyik sakcade széles skálájához tüskének, de egy irányban és távolságban a legtöbb. Ha a felsőbb colliculus egyik részét érzéstelenítjük - egy adott választópolgár megválasztása nélkül -, az összes sakád elmozdul azon iránytól és távolságtól, amelyet a most csendes szavazók előnyben részesítettek. A választások már be vannak kötve.
Az egysejtű manipuláció bebizonyította, hogy a piócák választásokat is tartanak. Póréhagyma hajlítja testét egy érintéssel a bőréhez. A mozgás néhány neuron együttes hatásának köszönhető, amelyek közül néhány a kapott eredmény mellett szavazott, mások pedig másként szavaztak (de nem szavaztak meg).
A piócamozgalom "választások" zavarása. Balra: a kutatók a nyíl által jelzett helyen megérintették az állat bőrét. Mindegyik folytonos vonal az az irány, amelyet a pióca egy próba során lehajolt ettől a érintéstől. Középső: egy másik szenzoros neuron elektromos stimulálása a pióca eltérő irányba történő behajlását eredményezte. Jobb: A kutatók megérintették a bőrt, és egyidejűleg stimulálták a neuront, és a pióca közbenső irányba hajlítva. (Újra kinyomtatva a Macmillan Publishers Ltd engedélyével: JE Lewis és WB Kristan, Nature 391: 76-79, szerzői jog 1998) Ha a pióca tetejét megérinti, hajlamos elhajlani ettől a tapintástól. Ha egy idegsejt, amely általában reagál az alsó érintésre, elektromosan stimuláljuk, akkor a póré hajlamos arra, hogy körülbelül az ellenkező irányba hajljon (az ábra középső panele). Ha ez a tapintás és ez az elektromos stimulus egyidejűleg fordul elő, akkor a póré valójában közbenső irányba hajlik (az ábra jobb oldala).
Ez az eredmény nem optimális sem az egyéni ösztönzéshez, mindazonáltal a választási eredmény, egyfajta kompromisszum a két szélsőség között. Olyan, mintha egy politikai párt összejön egy konferencián, hogy platformot készítsen. Ha figyelembe vesszük, hogy a párt különböző szárnyai mit akarnak, kompromisszumhoz vezethetnek valahol a közepén.
Az idegrendszeri demokráciák számos további példáját bemutatták. A demokráciák határozzák meg, mit látunk, hallunk, érzünk és érzünk, a tücskökből és a gyümölcslegyekből az emberekig. Például a színeket háromféle fotoreceptor arányos szavazása révén érzékeljük, amelyek mindegyike a különféle fényhullámhosszra reagál a legjobban, ahogyan azt a fizikus és orvos Thomas Young 1802-ben javasolta. A tüskézés átlagolása a szavazás során történik, tehát az észlelés és a mozgás pontosabb, mintha egy vagy néhány idegtől függnének. Továbbá, ha egyes idegsejtek megsérülnek, sokan mások továbbra is felveszik a lazítást.
Az országoktól eltérően azonban az idegrendszer egyszerre több kormányzati formát is képes végrehajtani. Egy idegi diktatúra együtt létezhet egy oligarchia vagy a demokrácia között. A leggyorsabban működő diktátor kiválthatja a viselkedés kezdetét, míg más idegsejtek finomhangolják a következő mozgásokat. Nem szükséges egységes kormányzati forma, mindaddig, amíg a viselkedés következményei növelik a túlélés és a szaporodás valószínűségét.
