Is jou senuweestelsel 'n demokrasie of 'n diktatorskap

Hoe laat die argitektuur van ons brein en neurone elkeen van ons toe om individuele gedragskeuses te maak? Wetenskaplikes het lankal die metafoor van die regering gebruik om te verduidelik hoe hulle dink dat senuweestelsels vir besluitneming georganiseer word. Is ons by die wortel 'n demokrasie, soos die Britse burgerskap vir Brexit stem? 'N Diktatorskap, soos die Noord-Koreaanse leier wat 'n missiel bekendstelling bestel? 'N stel van faksies wat kompeteer vir beheer, soos dié in die Turkse weermag? Of iets anders?

In 1890, sielkundige William James aangevoer dat in elkeen van ons "[hier] is ... een sentrale of pontifiese [senuweesel] waaraan ons bewussyn geheg is." Maar in 1941, fisioloog en Nobelpryswenner Sir Charles Sherrington aangevoer teen die idee van 'n enkele pontifiese sel in beheer, wat eerder daarop dui dat die senuweestelsel "'n miljoenvoudige demokrasie is waarvan elke eenheid 'n sel is."

So wie was reg?

Om etiese redes is ons selde geregverdig in die monitering van enkelselle in die gesonde mense se brein. Maar dit is haalbaar om die brein se sellulêre meganismes in baie nie-menslike diere te openbaar. Soos ek in my boek vertel "Beheer gedrag" eksperimente het 'n verskeidenheid besluitnemingsargitekture in senustelsels onthul - van diktatorskap tot oligargie, tot demokrasie.

'N Neurale diktatorskap

Vir sommige gedrag, tree 'n enkele senuweesel op as 'n diktator, wat 'n hele stel bewegings veroorsaak deur die elektriese seine wat dit gebruik om boodskappe te stuur. (Ons neurobioloë noem dié seine aksiepotensiale, of spykers.) Neem die voorbeeld om 'n kreef op sy stert aan te raak; 'n enkele spike in die laterale reuse-neuron ontlok 'n vinnige stert-flip wat die dier opwaarts uit die potensiële gevaar val. Hierdie bewegings begin binne ongeveer een honderdste van 'n sekonde van die aanraking.

Net so, 'n enkele piek in die reuse Mauthner-neuron in die brein van 'n vis, ontlok 'n ontsnappingsbeweging wat vinnig die vis wegdoen van 'n bedreiging, sodat dit veilig kan swem. (Dit is die enigste bevestigde "bevel neuron" in 'n gewervelde.)


innerself teken grafiese in


Elk van hierdie diktatorneurone is buitengewoon groot - veral sy akson, die lang, smal deel van die sel wat spikes oor lang afstande oorsteek. Elke diktator neuron sit bo-op 'n hiërargie, integreer seine van baie sensoriese neurone, en dra sy bevele oor na 'n groot stel ondergeskikte neurone wat self spierkontraksies veroorsaak.

Sulke sellulêre diktature is algemeen vir ontsnappingsbewegings, veral in ongewervelde diere. Hulle beheer ook ander soorte bewegings wat eintlik identies is elke keer wanneer hulle voorkom, insluitend krieket chirping.

Klein spanbenadering

Maar hierdie diktatorselle is nie die hele storie nie. Kreef kan sneller 'n stert-flip Nog 'n ander manier - via 'n ander klein stel neurone wat Doeltreffend optree as 'n oligargie.

Hierdie "nie-reuse" ontsnapings is baie soortgelyk aan dié wat deur reuse neurone veroorsaak word, maar begin effens later en gee meer buigsaamheid in die besonderhede. Dus, wanneer 'n kreef bewus is dat dit in gevaar is en meer tyd het om te reageer, gebruik dit gewoonlik 'n oligargie in plaas van sy diktator.

Net so kan 'n mens se Mauthner-neuron doodgaan, maar die dier kan steeds ontsnap uit gevaarlike situasies. Dit kan vinnig soortgelyke ontsnappingsbewegings maak met behulp van a klein stel ander neurone, alhoewel hierdie aksies effens later begin.

Hierdie redundansie maak sin: dit sal baie riskant wees om te vertrou dat 'n roofdier na 'n enkele neuron ontsnap, sonder enige rugsteun - besering of wanfunksie van daardie neuron sal lewensgevaarlik wees. So evolusie het verskeie maniere verskaf om ontsnapping te begin.

Neuronale oligargieë kan ook ons ​​eie hoëvlakpersepsies bemiddel, soos wanneer ons herken 'n menslike gesig.

Meerderheid wen

Vir baie ander gedrag neem senuweestelsels egter besluite deur iets soos Sherrington se "miljoen-voudige demokrasie."

Byvoorbeeld, wanneer 'n aap sy arm uitstrek, genereer baie neurone in die brein se motoriese kortpunte spykers. Elke neuron spyk vir bewegings in baie rigtings; maar elkeen het een spesifieke rigting wat dit die meeste laat spits.

Navorsers het veronderstel dat elke neuron tot 'n mate bydra tot alle bereik, maar die meeste spykings vir die bereik van dit dra by tot die meeste. Om dit uit te vind, het hulle baie neurone gemonitor en het hulle wiskunde gedoen.

Navorsers het die tempo van spykers in verskeie neurone gemeet toe 'n aap na verskeie teikens bereik het. Dan, vir 'n enkele teiken, verteenwoordig hulle elke neuron deur 'n vektor - sy hoek dui op die neuron se voorkeur bereik rigting (wanneer dit die meeste spyk) en die lengte dui op die relatiewe tempo van spiking vir hierdie spesifieke teiken. Hulle het hul effekte wiskundig opgesom ('n geweegde vektor gemiddelde) en kon voorspel die bewegingsuitkoms betroubaar van al die boodskappe wat die neurone gestuur het.

Dit is soos 'n neuronale verkiesing waarin sommige neurone meer dikwels stem as ander. 'N Voorbeeld word in die figuur getoon. Die ligte violet lyne verteenwoordig die bewegingstemme van individuele neurone. Die oranje lyn (die "populasievektor") dui hul opgesomde rigting aan. Die geel lyn dui die werklike bewegingsrigting aan, wat baie ooreenstem met die voorspelling van die populasievektor. Die navorsers het hierdie populasiekodering genoem.

Vir sommige diere en gedrag is dit moontlik om die senuweestelsel se weergawe van demokrasie te toets deur die verkiesing te versteur. Byvoorbeeld, ape (en mense) maak bewegings genaamd "saccades" om die oë vinnig van een fiksasiepunt na die ander te verskuif. Saccades word veroorsaak deur neurone in 'n deel van die brein wat die superieure colliculus genoem word. Soos in die aap hierbo, is hierdie neurone elkeen vir 'n wye verskeidenheid van saccades maar spike die meeste vir een rigting en afstand. As een deel van die superieure colliculus verdoof word - disenfranchising 'n bepaalde stel kiesers - almal Sakkades word verskuif uit die rigting en afstand wat die nou stille kiesers verkies het. Die verkiesing is nou vasgestel.

'N Enkel-sel manipulasie het getoon dat leeches ook verkiesings hou. Leeches buig hul liggame weg van 'n tikkie na hul vel. Die beweging is te wyte aan die kollektiewe effekte van 'n klein aantal neurone, waarvan sommige vir die gevolglike uitkoms gestem het en waarvan sommige anders gestem het (maar uitgespreek is).

As die fles aan die bokant aangeraak word, is dit geneig om van hierdie raak af te buig. As 'n neuron wat normaalweg reageer op aanraking aan die onderkant, elektries gestimuleer word, is die leeu geneig om in ongeveer die teenoorgestelde rigting (die middelste paneel van die figuur) te buig. As hierdie aanraking en hierdie elektriese stimulus gelyktydig plaasvind, buig die leeu eintlik in 'n intermediêre rigting (die regterkantste paneel van die figuur).

Hierdie uitkoms is nie optimaal vir enige individuele stimulus nie, maar dit is tog die verkiesingsresultaat, 'n soort kompromie tussen twee uiterstes. Dit is soos wanneer 'n politieke party by 'n konvensie byeenkom om 'n platform saam te stel. Met inagneming van wat verskillende vlerke van die party wil, kan daar êrens in die middel 'n kompromie tot gevolg hê.

Daar is talle ander voorbeelde van neuronale demokrasieë aangetoon. Demokrasieë bepaal wat ons sien, hoor, voel en ruik, van krieke en vrugte vlieg na mense. Byvoorbeeld, ons beskou kleure deur die proporsionele stem van drie soorte fotoreseptore wat elkeen die beste reageer op 'n ander golflengte van lig as fisikus en geneesheer Thomas Young het in 1802 voorgestel. Een van die voordele van neuronale demokrasieë is dat wisselvalligheid in die spiking van 'n enkele neuron in die stemming in die middel is, dus persepsies en bewegings is eintlik meer presies as as hulle afhanklik was van een of 'n paar neurone. Ook, as sommige neurone beskadig is, bly baie ander om die slap uit te voer.

Anders as lande kan senuweestelsels egter verskeie vorme van regering gelyktydig implementeer. 'N Neuronale diktatorskap kan saam met 'n oligargie of demokrasie bestaan. Die diktator, wat die vinnigste optree, kan die aanvang van 'n gedrag veroorsaak terwyl ander neurone die daaropvolgende bewegings verfyn. Daar hoef nie 'n enkele vorm van regering te wees nie, solank die gedragsgevolge die waarskynlikheid van oorlewing en voortplanting verhoog.

Oor Die Skrywer

Ari Berkowitz, presidentsprofessor in biologie; Direkteur, Cellular & Behavioral Neurobiology Nagraadse Program, Universiteit van Oklahoma

Hierdie artikel is oorspronklik gepubliseer op Die gesprek. Lees die oorspronklike artikel.

verwante Boeke

at InnerSelf Market en Amazon