Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
Πώς η αρχιτεκτονική του εγκεφάλου και των νευρώνων μας επιτρέπει σε καθέναν από εμάς να κάνει μεμονωμένες συμπεριφορικές επιλογές; Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει από καιρό τη μεταφορά της κυβέρνησης για να εξηγήσουν πώς νομίζουν ότι οργανώνονται τα νευρικά συστήματα για τη λήψη αποφάσεων. Είμαστε στη ρίζα μιας δημοκρατίας, όπως και οι πολίτες του Ηνωμένου Βασιλείου που ψηφίζουν για την Brexit; Μια δικτατορία, όπως και ο ηγέτης της Βόρειας Κορέας που διατάζει την εκτόξευση πυραύλων; Ένα σύνολο φατριών που ανταγωνίζονται για τον έλεγχο, όπως εκείνες του τουρκικού στρατού; Ή κάτι άλλο?
Το 1890, ο ψυχολόγος William James ισχυρίστηκε ότι σε κάθε έναν από εμάς «εδώ είναι ... μια κεντρική ή ποντιστική [νευρική κυψέλη] στην οποία συνδέεται η συνείδησή μας». Αλλά το 1941 ο φυσιολόγος και ο βραβευμένος με Νόμπελ Sir Charles Sherrington υποστήριξαν την ιδέα ενός μοναδικού βαλκανικού κυττάρου, το οποίο υποδηλώνει μάλλον ότι το νευρικό σύστημα είναι "μια εκατομμυριοπλάσια δημοκρατία της οποίας κάθε μονάδα είναι ένα κύτταρο." Έτσι ποιος ήταν σωστός;
Για ηθικούς λόγους, σπανίως δικαιολογείται η παρακολούθηση των μεμονωμένων κυττάρων στους εγκέφαλους των υγιών ανθρώπων. Αλλά είναι εφικτό να αποκαλυφθούν οι κυτταρικοί μηχανισμοί του εγκεφάλου σε πολλά μη ανθρώπινα ζώα. Όπως περιγράφω στο βιβλίο μου "Κυβερνητική Συμπεριφορά", τα πειράματα αποκάλυψαν μια σειρά αρχιτεκτονικών αποφάσεων σε νευρικά συστήματα - από τη δικτατορία, μέχρι την ολιγαρχία, τη δημοκρατία.
Για ορισμένες συμπεριφορές, ένα και μόνο νευρικό κύτταρο δρα ως δικτάτορας, ενεργοποιώντας ένα σύνολο κινήσεων μέσω των ηλεκτρικών σημάτων που χρησιμοποιεί για την αποστολή μηνυμάτων. (Εμείς οι νευροβιολόγοι αποκαλούμε αυτά τα σήματα δυνατότητες δράσης, ή αιχμές). Πάρτε το παράδειγμα αγγίζοντας μια καραβίδα στην ουρά του. μια μοναδική ακίδα στον πλευρικό γίγαντα νευρώνα προκαλεί ένα γρήγορο κτύπημα ουράς το οποίο θολώνει το ζώο προς τα πάνω, από τον πιθανό κίνδυνο. Αυτές οι κινήσεις αρχίζουν μέσα σε περίπου ένα εκατοστό του δευτερολέπτου από την αφή.
Οι καραβίδες διαφεύγουν χάρη στον «δικτατορικό νευρώνα» του. Κάθε φωτογραφία που διαχωρίζεται 10 εκατοστά του δευτερολέπτου. (Jens Herberholz και Abigail Schadegg, Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, College Park) Ομοίως, μια μοναδική ακίδα στον γίγαντα νευρώνα Mauthner στον εγκέφαλο ενός ψαριού προκαλεί ένα κίνημα διαφυγής που γρήγορα μετατρέπει τα ψάρια μακριά από μια απειλή, ώστε να μπορούν να κολυμπήσουν στην ασφάλεια. (Αυτός είναι ο μόνος επιβεβαιωμένος "νευρώνας εντολής" σε ένα σπονδυλωτό.)
Κάθε ένας από αυτούς τους "δικτατορικούς νευρώνες" είναι ασυνήθιστα μεγάλος - ειδικά ο άξονός του, το μακρύ στενό τμήμα του κυττάρου που μεταδίδει ακίδες σε μεγάλες αποστάσεις. Κάθε νευρωνικός δικτάτορας κάθεται στην κορυφή μιας ιεραρχίας, ενσωματώνει σήματα από πολλούς αισθητήριους νευρώνες και μεταφέρει τις εντολές του σε ένα μεγάλο σύνολο υποτακτικών νευρώνων που προκαλούν οι ίδιοι μυϊκές συσπάσεις.
Τέτοιες κυτταρικές δικτατορίες είναι κοινές για κινήσεις διαφυγής, ειδικά σε ασπόνδυλα. Ελέγχουν επίσης και άλλα είδη κινήσεων που είναι ουσιαστικά πανομοιότυπα κάθε φορά που εμφανίζονται, συμπεριλαμβανομένου του τσιρίματος του κρίκετ.
Αλλά αυτά τα δικτάτορα δεν είναι όλη η ιστορία. Οι καραβίδες μπορούν να προκαλέσουν μια ουρά-flip άλλο τρόπο - μέσω ενός άλλου μικρού συνόλου νευρώνων που λειτουργούν αποτελεσματικά ως ολιγαρχία.
Αυτές οι "μη γιγαντιαίες" αποδράσεις είναι πολύ παρόμοιες με εκείνες που προκλήθηκαν από τους γιγαντιαίους νευρώνες, αλλά αρχίζουν λίγο αργότερα και επιτρέπουν μεγαλύτερη ευελιξία στις λεπτομέρειες. Έτσι, όταν ένας αστακός γνωρίζει ότι βρίσκεται σε κίνδυνο και έχει περισσότερο χρόνο για να ανταποκριθεί, χρησιμοποιεί συνήθως μια ολιγαρχία αντί του δικτάτορα.
Ομοίως, ακόμη και αν ο νευρώνας Mauthner ενός ψαριού θανατωθεί, το ζώο μπορεί ακόμη να ξεφύγει από επικίνδυνες καταστάσεις. Μπορεί γρήγορα να κάνει παρόμοιες κινήσεις διαφυγής χρησιμοποιώντας ένα μικρό σύνολο άλλων νευρώνων, αν και αυτές οι ενέργειες αρχίζουν λίγο αργότερα.
Αυτός ο πλεονασμός έχει νόημα: θα ήταν πολύ επικίνδυνο να εμπιστευόμαστε τη διαφυγή από ένα αρπακτικό σε έναν μόνο νευρώνα, χωρίς να προκαλεί εφεδρεία ή δυσλειτουργία αυτού του νευρώνα να είναι απειλητική για τη ζωή. Έτσι, η εξέλιξη έχει δώσει πολλούς τρόπους για να ξεκινήσει η διαφυγή.
Οι βέβαιοι κρατούν μια εκλογή νευρώνων πριν από την ανάσχεση από την αφή σας. (Vitalii Hulai / iStock) Οι νευρωνικές ολιγαρχίες μπορούν επίσης να μεσολαβούν στις δικές μας υψηλού επιπέδου αντιλήψεις, όπως όταν αναγνωρίζουμε ένα ανθρώπινο πρόσωπο. Για πολλές άλλες συμπεριφορές, όμως, τα νευρικά συστήματα παίρνουν αποφάσεις μέσω μιας "εκατομμυριοπλάσιας δημοκρατίας" του Sherrington.
Για παράδειγμα, όταν ένας πίθηκος φτάνει στο χέρι του, πολλοί νευρώνες στον κινητικό φλοιό του εγκεφάλου δημιουργούν αιχμές. Κάθε νευρώνας αιχμές για κινήσεις προς πολλές κατευθύνσεις, αλλά κάθε μία έχει μια συγκεκριμένη κατεύθυνση που το κάνει να ακίδα το πιο.
Οι ερευνητές υποθέτουν ότι κάθε νευρώνας συμβάλλει σε όλα τα επίπεδα φτάνει σε κάποιο βαθμό, αλλά αυξάνει τα μέγιστα για τα επίπεδα που συμβάλλει στα περισσότερα. Για να το καταλάβω, παρακολούθησαν πολλούς νευρώνες και έκαναν κάποια μαθηματικά.
Οι ερευνητές μέτρησαν τον ρυθμό των αιχμών σε αρκετούς νευρώνες όταν ένας πίθηκος έφθασε σε διάφορους στόχους. Στη συνέχεια, για έναν μόνο στόχο, αντιπροσώπευαν κάθε νευρώνα από ένα διάνυσμα - η γωνία του δείχνει την προτιμώμενη κατεύθυνση προσέγγισης του νευρώνα (όταν το πηδάει περισσότερο) και το μήκος υποδεικνύει το σχετικό ρυθμό ανάπτυξης του συγκεκριμένου στόχου. Μαθηματικά άθροισαν τα αποτελέσματά τους (ένα σταθμισμένο μέσο όρο διανύσματος) και θα μπορούσαν να προβλέψουν αξιόπιστα την έκβαση των κινήσεων όλων των μηνυμάτων που στέλνουν οι νευρώνες.
Αυτό είναι σαν μια νευρωνική εκλογή στην οποία κάποιοι νευρώνες ψηφίζουν πιο συχνά από άλλους. Ένα παράδειγμα φαίνεται στο σχήμα. Οι ανοιχτοί ιώδες γραμμές αντιπροσωπεύουν τις ψήφους κινήσεων των επιμέρους νευρώνων. Η πορτοκαλί γραμμή (ο "πληθυσμός πληθυσμού") υποδεικνύει την αθροιστική κατεύθυνσή τους. Η κίτρινη γραμμή δείχνει την πραγματική κατεύθυνση κίνησης, η οποία είναι αρκετά παρόμοια με την πρόβλεψη του φορέα του πληθυσμού. Οι ερευνητές κάλεσαν αυτήν την κωδικοποίηση του πληθυσμού.
Για μερικά ζώα και συμπεριφορές είναι δυνατόν να δοκιμαστεί η εκδοχή της δημοκρατίας του νευρικού συστήματος διαταράσσοντας τις εκλογές. Για παράδειγμα, οι πίθηκοι (και οι άνθρωποι) κάνουν κινήσεις που ονομάζονται "σακκάδες" για να μετατοπίζουν γρήγορα τα μάτια από το ένα σημείο στερέωσης στο άλλο. Τα σακκάδα ενεργοποιούνται από νευρώνες σε ένα τμήμα του εγκεφάλου που ονομάζεται ανώτερος κολπικός. Όπως και στο παράδειγμα προσέγγισης πιθήκων παραπάνω, αυτοί οι νευρώνες κάθε ένα ακίδα για μια μεγάλη ποικιλία σακκάδων, αλλά ακίδα πιο για μια κατεύθυνση και την απόσταση. Εάν ένα μέρος του ανώτερου κολικίου αναισθητοποιηθεί - απαλλαγεί από τη δικαιοσύνη μια συγκεκριμένη ομάδα ψηφοφόρων - όλα τα σακκάδες μετατοπίζονται μακριά από την κατεύθυνση και την απόσταση που οι πιο σιωπηλοί ψηφοφόροι προτιμούσαν. Οι εκλογές έχουν πλέον ξεπεραστεί.
Μια χειραγώγηση ενός κυττάρου έδειξε ότι οι βδέλλες διεξάγουν επίσης εκλογές. Τα βελάκια λυγίζουν τα σώματά τους μακριά από την αφή τους στο δέρμα τους. Το κίνημα οφείλεται στις συλλογικές επιδράσεις ενός μικρού αριθμού νευρώνων, μερικοί από τους οποίους ψήφισαν για το αποτέλεσμα που προέκυψε και μερικοί από τους οποίους ψήφισαν αλλιώς (αλλά υπεγράφησαν).
Διαταράσσοντας μια μετακίνηση βδέλλας "εκλογή". Αριστερά: οι ερευνητές άγγιξαν το δέρμα του ζώου σε μια θέση που υποδεικνύεται από το βέλος. Κάθε συμπαγής γραμμή είναι η κατεύθυνση που η βδέλλα έσκυψε από αυτό το άγγιγμα σε μια δοκιμή. Μέση: η ηλεκτρική διέγερση σε ένα διαφορετικό αισθητήριο νευρώνα έκανε την κάθοδο της βδέλλας σε μια διαφορετική κατεύθυνση. Δεξιά: Οι ερευνητές άγγιξαν το δέρμα και τόνωσαν ταυτόχρονα τον νευρώνα και την ακμή που κάμπτεται στις ενδιάμεσες κατευθύνσεις. (Επανεκτύπωση με άδεια από τους Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis και WB Kristan, Nature 391: 76-79, copyright 1998) Εάν η βδέλλα αγγίξει στην κορυφή, τείνει να λυγίσει μακριά από αυτή την αφή. Αν ένας νευρώνας που απαντά κανονικά στις πινελιές στο κάτω μέρος αντλείται ηλεκτρικά, η βδέλλα τείνει να κάμπτεται περίπου στην αντίθετη κατεύθυνση (το μεσαίο πλαίσιο του σχήματος). Αν αυτή η αφή και αυτό το ηλεκτρικό ερέθισμα συμβαίνει ταυτόχρονα, η βδέλλα πραγματικά λυγίζει σε μια ενδιάμεση κατεύθυνση (το δεξί πλαίσιο του σχήματος).
Αυτό το αποτέλεσμα δεν είναι βέλτιστο ούτε για μεμονωμένα ερεθίσματα, αλλά είναι και το αποτέλεσμα των εκλογών, ένα είδος συμβιβασμού μεταξύ δύο άκρων. Είναι σαν όταν ένα πολιτικό κόμμα συναντιέται σε μια σύμβαση για να δημιουργήσει μια πλατφόρμα. Λαμβάνοντας υπόψη τι θέλουν τα διάφορα φτερά του κόμματος μπορεί να οδηγήσει σε συμβιβασμό κάπου στη μέση.
Πολλά άλλα παραδείγματα νευρωνικών δημοκρατιών έχουν αποδειχθεί. Οι δημοκρατίες καθορίζουν αυτό που βλέπουμε, ακούμε, αισθανόμαστε και μυρίζουμε, από τους γρύλους και τα φρούτα πετάμε στους ανθρώπους. Παραδείγματος χάριν, αντιλαμβανόμαστε τα χρώματα μέσω της αναλογικής ψηφοφορίας τριών ειδών φωτοϋποδοχέων που ανταποκρίνονται καλύτερα σε διαφορετικό μήκος κύματος φωτός, όπως πρότεινε ο φυσικός και ο γιατρός Thomas Young το 1802. Ένα από τα πλεονεκτήματα των νευρωνικών δημοκρατιών είναι ότι η μεταβλητότητα σε ένα μονό νευρώνα το spiking υπολογίζεται κατά μέσο όρο στην ψηφοφορία, έτσι οι αντιλήψεις και οι κινήσεις είναι στην πραγματικότητα ακριβέστερες από αυτές που εξαρτώνται από έναν ή μερικούς νευρώνες. Επίσης, εάν κάποιοι νευρώνες υποστούν βλάβη, πολλοί άλλοι παραμένουν για να πάρουν το χαλαρό.
Σε αντίθεση με τις χώρες, ωστόσο, τα νευρικά συστήματα μπορούν να εφαρμόσουν ταυτόχρονα πολλαπλές μορφές διακυβέρνησης. Μια νευρωνική δικτατορία μπορεί να συνυπάρχει με μια ολιγαρχία ή δημοκρατία. Ο δικτάτορας, ενεργώντας ταχύτερα, μπορεί να προκαλέσει την εμφάνιση μιας συμπεριφοράς, ενώ άλλοι νευρώνες ρυθμίζουν εκ των προτέρων τις κινήσεις που ακολουθούν. Δεν χρειάζεται να υπάρχει μια ενιαία μορφή κυβέρνησης, εφόσον οι συνέπειες της συμπεριφοράς αυξάνουν την πιθανότητα επιβίωσης και αναπαραγωγής.
