Hogyan engedi agyunk és idegsejtjeink felépítése mindannyiunknak egyéni viselkedési döntéseket hozni? A tudósok régóta használják a kormány metaforáját annak magyarázatára, hogy szerintük az idegrendszer hogyan szerveződik a döntéshozatalhoz. Gyökerben vagyunk-e egy demokráciában, mint az Egyesült Királyság állampolgárai, akik a Brexit mellett szavaznak? Diktatúra, mint például az észak-koreai vezető, aki rakétakilövést rendel el? Az irányításért versengő frakciók összessége, mint a török ​​katonaságé? Vagy valami más?

In 1890, William James pszichológus azzal érvelt, hogy mindannyiunkban „[itt] van… egy központi vagy pontifikális [idegsejt], amelyhez tudatunk kapcsolódik”. De 1941, fiziológus és Nobel-díjas Sir Charles Sherrington egyetlen pontifikális sejt ellenõrzésének ellenezte, inkább azt sugallta, hogy az idegrendszer „milliószoros demokrácia, amelynek minden egysége egy sejt”.

Tehát kinek volt igaza?

Etikai okokból ritkán igazolható az egészséges emberek agyában lévő egyetlen sejt megfigyelése. De megvalósítható, hogy felfedjük az agy sejtmechanizmusait sok emberen kívüli állatban. Ahogy a könyvemben elmesélem „Irányító magatartás” a kísérletek során az idegrendszer számos döntési architektúráját tárták fel - a diktatúrától az oligarchián át a demokráciáig.

Idegi diktatúra

Bizonyos viselkedés esetén egyetlen idegsejt valóban diktátorként működik, és az üzenetek küldéséhez használt elektromos jeleken keresztül teljes mozgáskészletet indít el. (Mi, neurobiológusok, ezeket a jeleket hívjuk akciópotenciálok, vagy tüskék.) Vegyük például, hogy rákot megérintett a farkán; az oldalsó óriás neuron egyetlen tüskéje gyors farokcsapást vált ki, amely az állatot felfelé boltozza, a lehetséges veszély elkerülése érdekében. Ezek a mozdulatok az érintés körülbelül egy másodpercének másodpercén belül kezdődnek.

Hasonlóképpen, a hal agyában található egyetlen óriási Mauthner-idegsejt egyetlen tüskéje menekülési mozgást vált ki, amely gyorsan elfordítja a halat a fenyegetéstől, így biztonságba úszhat. (Ez az egyetlen megerősített „parancs neuron” egy gerincesnél.)

Ezen diktátoros 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 jelét, és megrendeléseit nagyszámú olyan szubszervens neuronnak továbbítja, amelyek maguk is izomösszehúzódásokat okoznak.

Az ilyen sejtdiktatúrák gyakoriak a menekülési mozgalmak esetében, főleg gerincteleneknél. Más típusú mozgásokat is irányítanak, amelyek minden előfordulásukkor alapvetően azonosak, beleértve a mozgást is tücsök csicsergő.

Kis csapat megközelítés

De ezek a diktátor sejtek nem a teljes történet. Rákok kivált egy farokfordítást más módon is - egy másik kis neuronkészleten keresztül hatékonyan oligarchiaként működik.

Ezek a „nem óriás” szökések nagyon hasonlítanak az óriás idegsejtek által kiváltottakhoz, de valamivel később kezdődnek, és nagyobb rugalmasságot engednek a részletekben. Így amikor egy rák tudatában van annak, hogy veszélyben van, és több ideje van válaszolni, akkor tipikusan oligarchiát használ diktátora helyett.

Hasonlóképpen, még akkor is, ha egy hal Mauthner-idegsejtjét elpusztítják, az állat mégis megszökhet a veszélyes helyzetek elől. Gyorsan képes hasonló menekülési mozdulatokat végrehajtani a kis számú más neuron, bár ezek a cselekedetek valamivel később kezdődnek.

Ennek az redundanciának van értelme: nagyon kockázatos lenne egy ragadozóból egyetlen idegsejtbe menekülni bízni, ha nincs mentés - az idegsejt sérülése vagy meghibásodása életveszélyes lenne. Tehát az evolúció számos módot biztosított a menekülés megindítására.

A neuronális oligarchiák közvetíthetik a saját magas szintű felfogásunkat is, például amikor mi ismerje fel az emberi arcot.

A többség nyer

Sok más viselkedés esetében azonban az idegrendszer valami olyasmi révén hoz döntéseket, mint Sherrington „milliószoros demokráciája”.

Például, amikor egy majom kinyújtja a karját, az agy motoros kérgében található sok neuron tüskét generál. Minden idegsejt sok irányba mozog; de mindegyiknek van egy bizonyos iránya, amely a legjobban tüskés.

A kutatók feltételezték, hogy minden idegsejt valamilyen mértékben hozzájárul az összes eléréshez, de a legjobban az érhető el, amelyhez a legtöbb hozzájárul. Hogy rájöjjenek, sok neuront figyeltek és matekoztak.

A kutatók több idegsejtben tapasztalták a tüskék sebességét, amikor egy majom több cél felé ért. Ezután egyetlen cél esetében mindegyik idegsejtet vektorral ábrázolják - szöge jelzi az idegsejt preferált elérési irányát (amikor a legjobban csúszik), a hossza pedig az adott célpont relatív tapadási sebességét jelzi. Matematikailag összesítették hatásukat (súlyozott vektorátlag), és megtehették megbízhatóan megjósolja a mozgás eredményét a neuronok által küldött összes üzenet közül.

Ez olyan, mint egy idegsejtválasztás, amelyen egyes idegsejtek gyakrabban szavaznak, mint mások. Az ábra egy példát mutat be. A halványlila vonalak az egyes idegsejtek mozgásszavait képviselik. A narancssárga vonal (a „populációs vektor”) jelzi az összesített irányt. A sárga vonal jelzi a tényleges mozgásirányt, amely meglehetősen hasonlít a populációs vektor előrejelzéséhez. A kutatók ezt a populáció kódolásának nevezték.

Egyes állatok és viselkedés esetén a választás megzavarásával tesztelni lehet a demokrácia idegrendszeri változatát. Például a majmok (és emberek) „saccade” -nak nevezett mozdulatokat hajtanak végre, hogy a szemeket gyorsan rögzítési pontokról a másikra tolják. A pattanásokat az agy azon részének neuronjai váltják ki, amelyet felsőbb kolliculusnak neveznek. A fenti majomelérési példához hasonlóan ezek az idegsejtek is sokféle saccade-t mutatnak be, de tüske leginkább egy irányra és távolságra. Ha a felső kolliculus egy részét elaltatják - a választók egy adott csoportjának jogfosztása nélkül -, akkor szakádákat eltolják abból az irányból és távolságból, amelyet a most néma szavazók preferáltak. A választást mostanra hamisították.

Egysejtű manipuláció bizonyította, hogy a piócák is választásokat tartanak. A piócák elhajlítják testüket a bőr érintésétől. A mozgás kevés neuron kollektív hatásának tudható be, amelyek közül néhány az eredményre, mások pedig az ellenkezőjére szavaztak (de túl lettek szavazva).

Ha a piócát a tetején érinti, akkor hajlamos elhajolni ettől az érintéstől. Ha egy idegsejtet, amely normálisan reagál a fenék érintésére, elektromosan stimulálják, akkor a pióca hajlamos megközelítőleg az ellenkező irányba hajlani (az ábra középső panelje). Ha ez az érintés és ez az elektromos inger egyszerre következik be, akkor a pióca valójában közbenső irányba hajlik (az ábra jobb oldali panelje).

Ez az eredmény nem optimális az egyéni ösztönzés szempontjából, mégis a választási eredmény, egyfajta kompromisszum két véglet között. Olyan ez, mint amikor egy politikai párt összejön egy kongresszuson, hogy összeállítson egy platformot. Annak figyelembevétele, hogy a párt különféle szárnyai mit akarnak, kompromisszumhoz vezethetnek valahol a közepén.

Számos más példát mutattak be a neuronális demokráciákról. A demokráciák meghatározzák, mit látunk, hallunk, érzünk és szagolunk, a tücsköktől és a gyümölcslégyektől kezdve az emberekig. Például háromféle fotoreceptor arányos szavazásával érzékeljük a színeket, amelyek mindegyike a különböző hullámhosszú fényre reagál a legjobban, mint fizikus és orvos Thomas Young 1802-ben javasolta. A neuronális demokráciák egyik előnye, hogy az egyetlen idegsejt ingadozásának változékonyságát a szavazás során átlagolják, így az észlelések és a mozgások valójában pontosabbak, mintha egy vagy néhány idegsejttől függnének. Továbbá, ha egyes idegsejtek megsérülnek, sokan mások is igénybe veszik a lazaságot.

Az országokkal ellentétben azonban az idegrendszer egyszerre többféle kormányzási formát képes megvalósítani. A neuronális diktatúra együtt élhet oligarchiával vagy demokráciával. A leggyorsabban cselekvő diktátor kiválthatja a viselkedés kezdetét, míg más idegsejtek finomhangolják az ezt követő mozgásokat. Nincs szükség egyetlen kormányzati formára, amíg a viselkedési következmények növelik a túlélés és a szaporodás valószínűségét.

A szerzőről

Ari Berkowitz, a biológia elnöki professzora; Igazgató, Cellular & Behavioral Neurobiology Diplomás Program, Oklahoma Egyetem

Ezt a cikket eredetileg közzétették A beszélgetés. Olvassa el a eredeti cikk.

Kapcsolódó könyvek

at InnerSelf Market és Amazon