Як архітектура нашого мозку та нейронів дозволяє кожному з нас робити індивідуальний вибір поведінки? Вчені вже давно використовують метафору уряду, щоб пояснити, як вони вважають, що нервова система організована для прийняття рішень. Чи ми в корені демократії, як громадяни Великобританії, які голосують за Brexit? Диктатура, подібно до того, як лідер Північної Кореї наказав запустити ракету? Набір фракцій, які конкурують за контроль, як у турецьких військових? Або щось інше?
In 1890, психолог Вільям Джеймс стверджував, що в кожному з нас "[т] тут є ... одна центральна або папська [нервова клітина], до якої прив'язана наша свідомість". Але в 1941, фізіолог і лауреат Нобелівської премії сер Чарльз Шеррінгтон висловився проти ідеї єдиної відповідальної папської клітини, припускаючи, швидше, що нервова система - це "мільйонна демократія, кожна одиниця якої є клітиною".
То хто мав рацію?
З етичних міркувань ми рідко маємо підстави контролювати поодинокі клітини мозку здорових людей. Але можливо виявити клітинні механізми мозку у багатьох нелюдських тварин. Як я розповідаю у своїй книзі "Керуюча поведінка", експерименти виявили ряд архітектур, що приймають рішення в нервовій системі - від диктатури, олігархії до демократії.
Нейронна диктатура
Для деяких видів поведінки одна нервова клітина діє як диктатор, запускаючи цілий набір рухів за допомогою електричних сигналів, які вона використовує для надсилання повідомлень. (Ми, нейробіологи, називаємо ці сигнали потенціали дії, або шипи.) Візьмемо приклад торкання рака до хвоста; одинокий шип у бічному гігантському нейроні викликає швидке перекидання хвоста, яке підводить тварину вгору, поза потенційною небезпекою. Ці рухи починаються приблизно через одну соту секунду від дотику.
Подібним чином, один стрибок у гігантському нейроні Мотнера в мозку риби викликає рух втечі, який швидко відвертає рибу від загрози, щоб вона могла плисти в безпечне місце. (Це єдиний підтверджений “командний нейрон” у хребетних.)
Кожен з цих диктаторських нейронів надзвичайно великий - особливо його аксон, довга, вузька частина клітини, яка передає шипи на великі відстані. Кожен нейрон-диктатор сидить на вершині ієрархії, інтегруючи сигнали багатьох сенсорних нейронів і передаючи свої розпорядження великому набору підлеглих нейронів, які самі спричиняють скорочення м'язів.
Такі клітинні диктатури є загальними для евакуаційних рухів, особливо у безхребетних. Вони також контролюють інші види рухів, які в основному ідентичні кожного разу, коли вони відбуваються, в тому числі цвіркун цвіркуна.
Підхід невеликої команди
Але ці осередки диктатора - не вся історія. Раки можуть запустити хвіст-фліп інший шлях - через інший невеликий набір нейронів, які ефективно виступати в ролі олігархії.
Ці "негігантські" втечі дуже схожі на ті, що викликаються гігантськими нейронами, але починаються трохи пізніше і дозволяють отримати більшу гнучкість у деталях. Таким чином, коли раки усвідомлюють, що їм загрожує небезпека і у них є більше часу для реагування, вони зазвичай використовують олігархію замість свого диктатора.
Подібним чином, навіть якщо рибний нейрон Маутнера вбитий, тварина все одно може врятуватися від небезпечних ситуацій. Він може швидко здійснити подібні втечу за допомогою a невеликий набір інших нейронів, хоча ці дії починаються дещо пізніше.
Ця надмірність має сенс: було б дуже ризиковано довіряти втечі від хижака одному нейрону, не маючи резервної копії - травма або несправність цього нейрона в такому випадку загрожували б життю. Отже, еволюція забезпечила безліч способів ініціювати втечу.
Нейронні олігархії також можуть бути посередниками нашого власного сприйняття на високому рівні, наприклад, коли ми впізнати людське обличчя.
Перемога більшості
Однак щодо багатьох інших способів поведінки нервова система приймає рішення через щось на зразок «мільйонної демократії» Шеррінгтона.
Наприклад, коли мавпа простягає руку, багато нейронів в руховій корі мозку генерують спайки. Кожен нейрон стрибає для рухів у багатьох напрямках; але кожен має один конкретний напрямок, який робить його стрибком найбільше.
Дослідники висунули гіпотезу про те, що кожен нейрон певною мірою сприяє всім діапазонам, але найбільше стрибає для досягнень, яким він найбільше сприяє. Щоб зрозуміти це, вони відстежували багато нейронів і проводили математику.
Дослідники вимірювали швидкість стрибків у кількох нейронах, коли мавпа досягала кількох цілей. Потім для однієї цілі вони представляли кожен нейрон вектором - його кут вказує бажаний напрямок досягнення нейроном (коли він найбільше стрибає), а довжина вказує на його відносну швидкість стрибка для цієї конкретної цілі. Вони математично підсумовували свої ефекти (середньозважене векторне значення) і могли достовірно передбачити результат руху усіх повідомлень, які нейрони надсилали.
Це як вибори на нейронах, на яких деякі нейрони голосують частіше за інших. Приклад показаний на малюнку. Блідо-фіолетові лінії представляють рух голосів окремих нейронів. Помаранчева лінія ("вектор населення") вказує їх підсумований напрямок. Жовта лінія вказує на фактичний напрямок руху, який досить схожий на прогноз вектора популяції. Дослідники назвали цю популяцію кодуванням.
Для деяких тварин і поведінки можна перевірити версію демократії нервової системи, порушивши вибори. Наприклад, мавпи (і люди) роблять рухи, які називаються «саккадами», щоб швидко перевести очі з однієї точки фіксації в іншу. Саккади провокуються нейронами в тій частині мозку, яка називається верхній колікул. Як і в прикладі мавп, що досягається вище, ці нейрони кожному піднімаються для різноманітних саккад, але шип найбільше для одного напрямку та відстані. Якщо одна частина вищого колікулу знеболена - позбавляючи права голосу певного набору виборців - усі саккади зміщуються від напрямку та відстані, які віддали перевагу нині мовчазні виборці. Зараз вибори сфальсифіковані.
Одноклітинна маніпуляція продемонструвала, що п’явки також проводять вибори. П’явки згинають тіло подалі від дотику до шкіри. Рух зумовлений колективними ефектами невеликої кількості нейронів, деякі з яких проголосували за результат, а деякі з них проголосували інакше (але переголосували).
Якщо п'явка торкається зверху, вона, як правило, відхиляється від цього дотику. Якщо нейрон, який зазвичай реагує на дотики до дна, замість цього електрично стимулюється, п’явка має тенденцію згинатися приблизно в протилежному напрямку (середня панель малюнка). Якщо цей дотик і цей електричний подразник відбуваються одночасно, п’явка насправді згинається в проміжному напрямку (права панель малюнка).
Цей результат не є оптимальним для окремих стимулів, але, тим не менше, є результатом виборів, своєрідним компромісом між двома крайнощами. Це як коли політична партія збирається на з’їзді, щоб зібрати платформу. Врахування того, чого хочуть різні крила партії, може призвести до компромісу десь посередині.
Продемонстровано безліч інших прикладів нейрональних демократій. Демократії визначають, що ми бачимо, чуємо, відчуваємо і нюхаємо - від цвіркунів та плодових мушок до людей. Наприклад, ми сприймаємо кольори завдяки пропорційному голосуванню трьох видів фоторецепторів, які найкраще реагують на різну довжину хвилі світла, як фізик і лікар Томас Янг запропонував у 1802 році. Однією з переваг нейронних демократій є те, що мінливість стрибків одного нейрона усреднюється при голосуванні, тому сприйняття та рухи насправді є більш точними, ніж якби вони залежали від одного або кількох нейронів. Крім того, якщо деякі нейрони пошкоджені, багато інших залишаються зайняти слабину.
Однак, на відміну від країн, нервова система може реалізовувати кілька форм правління одночасно. Нейрональна диктатура може співіснувати з олігархією або демократією. Диктатор, діючи найшвидше, може спровокувати початок поведінки, тоді як інші нейрони точно налаштовують наступні рухи. Не потрібно існувати єдиної форми правління, доки поведінкові наслідки збільшують ймовірність виживання та розмноження.
про автора
Арі Берковіц, президент президент Біології; Директор, Вища програма з клітинної та поведінкової нейробіології, Університет Оклахоми
Ця стаття була спочатку опублікована на Бесіда. Читати оригінал статті.
Суміжні книги
at InnerSelf Market і Amazon
