Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru. Preberite izvirni članek.
Kako arhitektura naših možganov in nevronov omogoča vsakemu od nas, da se odloči za posamezne vedenjske odločitve? Znanstveniki že dolgo uporabljajo metaforo vlade, da pojasnijo, kako mislijo, da so živčni sistemi organizirani za sprejemanje odločitev. Ali smo v demokraciji, kot je državljan Združenega kraljestva, ki glasuje za Brexit? Diktatura, kot je severnokorejski voditelj odredil izstrelitev rakete? Nabor frakcij, ki se potegujejo za nadzor, kot tiste v turški vojski? Ali kaj drugega?
Leta 1890 je psiholog William James trdil, da je v vsakem od nas "[t] tukaj ena osrednja ali papeška [živčna celica], na katero je navezana naša zavest." Toda leta 1941 je fiziolog in nobelov sir Sir Charles Sherrington trdil to idejo ene same papeške celice, ki nakazuje, da je živčni sistem "milijonska demokracija, katere vsaka enota je celica." Torej, kdo je imel prav?
Iz etičnih razlogov smo redko upravičeni pri spremljanju posameznih celic v možganih zdravih ljudi. Toda možganske celične mehanizme je možno razkriti pri mnogih nečloveških živalih. Kot sem pripovedoval v svoji knjigi "Upravljanje vedenja", so poskusi razkrili vrsto arhitektur odločanja v živčnem sistemu - od diktature, oligarhije, demokracije.
V nekaterih vedenjih ena sama živčna celica deluje kot diktator, sproži celoten sklop gibov prek električnih signalov, ki jih uporablja za pošiljanje sporočil. (Mi nevrobiologi imenujemo te signale akcijske potenciale ali trne.) Vzemimo primer, ko se rak dotakne na repu; en sam konč v stranskem velikanskem nevronu sproži hiter zamah z repom, ki žival potegne navzgor, ne da bi prišlo do nevarnosti. Ti gibi se začnejo približno v eni stotini sekunde dotika.
Rak pobegne zahvaljujoč svojemu "diktatorskemu nevronu". Vsaka fotografija je posnela 10 stotink sekunde narazen. (Jens Herberholz in Abigail Schadegg, Univerza v Marylandu, College Park) Podobno en sam konic v velikanskem Mauthnerjevem nevronu v možganih ribe sproži gibanje pobega, ki ribe hitro odvrne od grožnje, da bi lahko plavala na varno. (To je edini potrjeni „ukazni nevron“ v vretenčarju.)
Vsak od teh "diktatorskih nevronov" je nenavadno velik - zlasti njegov akon, dolg, ozek del celice, ki prenaša trne na dolge razdalje. Vsak diktatorski nevron sedi na vrhu hierarhije in integrira signale iz številnih senzornih nevronov ter odda svoje ukaze velikemu nizu podrejenih nevronov, ki sami povzročajo krčenje mišic.
Takšne celične diktature so običajne za beg gibanja, zlasti pri nevretenčarjih. Nadzirajo tudi druge vrste gibov, ki so v osnovi enaki vsakič, ko se pojavijo, vključno z cvrkanjem kriketa.
Toda te diktatorske celice niso celotna zgodba. Rak lahko sproži rep tudi na drug način - prek drugega majhnega nabora nevronov, ki učinkovito delujejo kot oligarhija.
Ti "ne-velikanski" pobegi so zelo podobni tistim, ki jih sprožijo velikanski nevroni, vendar se začnejo nekoliko pozneje in omogočajo večjo prožnost v podrobnostih. Ko se raki zavedajo, da je v nevarnosti in ima več časa za odziv, običajno namesto svojega diktatorja uporabi oligarhijo.
Podobno, tudi če je ubit nevron Mauthnerjeve ribe, lahko žival še vedno pobegne iz nevarnih situacij. Z majhnim naborom drugih nevronov lahko hitro naredimo podobna gibanja pobega, čeprav se ta dejanja začnejo nekoliko kasneje.
Ta odpuščanje je smiselno: zelo tvegano bi bilo zaupati pobegu od plenilca do enega samega nevrona, brez rezervnih poškodb ali okvar tega nevrona ne bi bilo potem življenjsko nevarno. Tako je evolucija zagotovila več načinov za začetek bega.
Pijavci držijo volitve nevronov, preden se odmaknejo od svojega dotika. (Vitalii Hulai / iStock) Nevronske oligarhije lahko tudi posredujejo naše zaznavanje na visoki ravni, na primer, ko prepoznamo človeški obraz. Za številna druga vedenja pa živčni sistem sprejema odločitve s pomočjo nekaj takega, kot je Sherringtonova »milijonska demokracija«.
Na primer, ko opica sega v roko, veliko nevronov v možganski skorji možganov ustvari trne. Vsak nevron se giblje v različnih smereh, vendar ima vsak določeno smer, zaradi katere je najbolj zasukan.
Raziskovalci so domnevali, da vsak nevron do neke mere prispeva k vsem doseganjem, vendar največ doseže za dosege, ki jih največ prispeva. Da bi to ugotovili, so spremljali veliko nevronov in opravili nekaj matematike.
Raziskovalci so izmerili hitrost konic v več nevronih, ko je opica dosegla več tarč. Nato so za posamezen cilj vsak nevron predstavljali z vektorjem - njegov kot označuje nevronovo prednostno smer doseganja (ko najbolj pika), dolžina pa relativno hitrost trnka za to določeno tarčo. Matematično so povzeli svoje učinke (tehtano vektorsko povprečje) in lahko zanesljivo predvideli izid gibanja vseh sporočil, ki jih nevroni pošiljajo.
To je kot nevronska volitev, na kateri nekateri nevroni glasujejo pogosteje kot drugi. Primer je prikazan na sliki. Bledo vijolične črte predstavljajo gibljive glasove posameznih nevronov. Oranžna črta ("populacijski vektor") kaže njihovo sešteto smer. Rumena črta označuje dejansko smer gibanja, kar je precej podobno napovedi vektorja prebivalstva. Raziskovalci so to populacijo poimenovali kodiranje.
Pri nekaterih živalih in vedenju je mogoče preizkusiti različico demokracije živčnega sistema z motenjem volitev. Na primer, opice (in ljudje) naredijo gibe, imenovane "sakade", da hitro premaknejo oči z ene fiksacijske točke na drugo. Sakade sprožijo nevroni v delu možganov, ki se imenuje superiorni kolikulus. Kot v zgornjem primeru dosega opic, tudi ti nevroni trpijo za najrazličnejše sakade, najbolj pa za eno smer in razdaljo. Če je en del nadrejenega kolikulusa anesteziran - izničenje določenega sklopa volivcev - se vsi sakade odmaknejo od smeri in razdalje, kot so jo imeli tihi volivci. Volitve so zdaj ponarejene.
Enocelična manipulacija je pokazala, da pijavice prav tako vodijo volitve. Pijavci upognejo svoje telo stran od dotika do kože. Gibanje je posledica skupnih učinkov majhnega števila nevronov, od katerih so nekateri glasovali za rezultat, nekateri pa so glasovali drugače (vendar so bili izglasovani).
Moteč pijavka gibanje "volitve." Levo: raziskovalci so se dotaknili kože živali na mestu, ki ga kaže puščica. Vsaka trdna črta je smer, ki jo je pijavka ukrivila od tega dotika na enem poskusu. Sredina: električna stimulacija na drugačen čutni nevron se je pijavka upognila v drugo smer. Prav: raziskovalci so se dotaknili kože in hkrati spodbudili nevron, pijavka pa se je upognila v vmesnih smereh. (Ponatisnjeno z dovoljenjem Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis in WB Kristan, Nature 391: 76-79, avtorske pravice 1998) Če se pijavka dotakne na vrhu, se nagiba stran od tega dotika. Če je namesto nje električno stimuliran nevron, ki se običajno odziva na dno, se pijavka nagiba v približno nasprotni smeri (srednja plošča slike). Če se ta dotik in ta električni dražljaj zgodita istočasno, se pijavka dejansko upogne v vmesni smeri (desna plošča slike).
Ta izid ni optimalen niti za posamezno spodbudo, vendar je kljub temu rezultat volitev, nekakšen kompromis med dvema skrajnostima. Kot ko se politična stranka zbere na konvenciji, da sestavi platformo. Upoštevanje tega, kar si želijo različna krila stranke, lahko privede do kompromisa nekje na sredini.
Predstavljeni so bili številni drugi primeri nevronskih demokracij. Demokracije določajo, kaj vidimo, slišimo, čutimo in vonjamo, od čričkov in sadnih muh do ljudi. Na primer, barve opažamo s sorazmernim glasovanjem treh vrst fotoreceptorjev, ki se najbolje odzivajo na različno valovno dolžino svetlobe, kot je predlagal fizik in zdravnik Thomas Young leta 1802. Ena od prednosti nevronskih demokracij je spremenljivost v enem samem nevronu pri glasovanju je povprečje špikanja, zato so zaznavanja in premiki dejansko natančnejši, kot če bi bili odvisni od enega ali nekaj nevronov. Če so nekateri nevroni poškodovani, ostane veliko drugih, da ohlapijo ohlapnost.
Za razliko od držav pa lahko živčni sistem hkrati izvaja več oblik upravljanja. Nevronska diktatura lahko obstaja skupaj z oligarhijo ali demokracijo. Diktator, ki deluje najhitreje, lahko sproži začetek vedenja, medtem ko drugi nevroni natančno prilagodijo nastala gibanja. Ni treba, da obstaja enotna oblika vladanja, dokler vedenjske posledice povečajo verjetnost preživetja in razmnoževanja.
