Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation. Прочетете оригиналната статия.
Как архитектурата на нашия мозък и неврони позволява на всеки от нас да направи индивидуален поведенчески избор? Учените отдавна използват метафората на правителството, за да обяснят как смятат, че нервната система е организирана за вземане на решения. Коренна демокрация ли сме, като гражданин на Обединеното кралство, гласуващ за Brexit? Диктатура, като лидерът на Северна Корея, който поръчва изстрелване на ракета? Набор от фракции, конкуриращи се за контрол, като тези в турската армия? Или нещо друго?
През 1890 г. психологът Уилям Джеймс твърди, че във всеки от нас „[t] тук е ... една централна или понтифическа [нервна клетка], към която е прикрепено нашето съзнание.“ Но през 1941 г. физиологът и Нобелов лауреат сър Чарлз Шерингтън спори срещу идеята на една отделна папска клетка, която предполага, че нервната система е „демокрация с милион пъти, чиято единица е клетка.“ И кой беше прав?
По етични причини рядко сме оправдани да наблюдаваме единични клетки в мозъка на здрави хора. Но е възможно да се разкрият мозъчните клетъчни механизми при много нечовешки животни. Както разказвам в книгата си „Управляващо поведение”, експериментите разкриха редица архитектури за вземане на решения в нервната система - от диктатура, олигархия, демокрация.
При някои поведения една нервна клетка действа като диктатор, задействайки цял набор от движения чрез електрическите сигнали, които използва за изпращане на съобщения. (Ние невробиолозите наричаме тези сигнали потенциални действия или шипове.) Вземете пример за докосване на раци по опашката; един-единствен шип в страничния гигантски неврон предизвиква бърз завой на опашката, който своди животното нагоре, извън потенциална опасност. Тези движения започват в рамките на около една стотна от секундата от докосването.
Раците избягват благодарение на своя "диктатор неврон". Всяка снимка, направена на 10 стотни от секундата. (Jens Herberholz и Abigail Schadegg, University of Maryland, College Park) По същия начин, един-единствен шип в гигантския неврон Маутнър в мозъка на риба предизвиква бягство, което бързо обръща рибата от заплаха, за да може да плува в безопасност. (Това е единственият потвърден „команден неврон“ в гръбначен мозък.)
Всеки от тези "диктаторски неврони" е необичайно голям - особено неговият аксон, дългата, тясна част на клетката, която предава шипове на дълги разстояния. Всеки диктаторски неврон седи на върха на йерархията, интегрирайки сигнали от много сензорни неврони и предава своите заповеди на голям набор от подчинени неврони, които сами причиняват мускулни контракции.
Такива клетъчни диктатури са обичайни за бягствените движения, особено при безгръбначните. Те също така контролират други видове движения, които по принцип са идентични всеки път, когато се появят, включително цвиркане на крикет.
Но тези диктаторски клетки не са цялата история. Раковите риби могат да предизвикат обръщане на опашката и по друг начин - чрез друг малък набор от неврони, които ефективно действат като олигархия.
Тези „не-гигантски“ избягания са много подобни на тези, предизвикани от гигантските неврони, но започват малко по-късно и позволяват по-голяма гъвкавост в детайлите. По този начин, когато ракът е наясно, че е в опасност и има повече време да отговори, обикновено използва олигархия вместо своя диктатор.
По същия начин, дори ако е убит невронът на Маутнер на риба, животното все още може да избяга от опасни ситуации. Той може бързо да направи подобни движения за бягство, използвайки малък набор от други неврони, въпреки че тези действия започват малко по-късно.
Това съкращение има смисъл: би било много рисковано да се доверите на бягство от хищник в един неврон, без резервно увреждане или неизправност на този неврон би било опасно за живота. Така еволюцията е предоставила множество начини за започване на бягство.
Пиявиците провеждат избори за неврони, преди да се отдръпнат от докосването си. (Vitalii Hulai / iStock) Невроналните олигархии също могат да посредничат в собствените ни възприятия на високо ниво, например когато разпознаваме човешко лице. За много други поведения обаче нервната система взема решения чрез нещо като „демокрацията на Шерингтън“ в милиони пъти.
Например, когато маймуна протегне ръка, много неврони в моторната кора на мозъка й генерират шипове. Всеки неврон се върти за движения в много посоки, но всеки има една конкретна посока, която го кара да скочи най-много.
Изследователите предположиха, че всеки неврон допринася за всички достижения до известна степен, но най-много достига за достиженията, които допринася за повечето. За да го разберат, те наблюдаваха много неврони и правеха някаква математика.
Изследователите измерват скоростта на шиповете в няколко неврона, когато маймуна достига до няколко цели. Тогава за една мишена те представлявали всеки неврон чрез вектор - ъгълът му показва предпочитаната посока на достигане на неврона (когато той шиповете най-много), а дължината показва относителната му скорост на притискане за тази конкретна цел. Те математически обобщават ефектите си (средно претеглена векторна средна стойност) и могат надеждно да предскажат резултата от движението на всички съобщения, които невроните изпращат.
Това е като невронални избори, при които някои неврони гласуват по-често от други. Пример е показан на фигурата. Бледите виолетови линии представляват движенията на гласовете на отделни неврони. Оранжевата линия („вектор на популацията“) показва сумираната им посока. Жълтата линия показва действителната посока на движение, което е доста подобно на прогнозата на популационния вектор. Изследователите нарекли това кодиране на популацията.
За някои животни и поведение е възможно да се изпробва версията на демокрацията на нервната система чрез обезпокояване на изборите. Например маймуните (и хората) правят движения, наречени „сакаде“, за да пренасочат бързо очите от една фиксираща точка към друга. Сакадите се задействат от неврони в част от мозъка, наречена висш коликулус. Подобно на примера за достигане на маймуни по-горе, тези неврони се разпръскват за голямо разнообразие от сакади, но най-много за една посока и разстояние. Ако една част от превъзходния коликулус е обезболена - обезпаразитявайки определен набор от избиратели - всички сакади се изместват от посоката и разстоянието, които сега мълчаливите избиратели предпочитаха. Изборите вече са фалшифицирани.
Едноклетъчната манипулация показа, че пиявиците също провеждат избори. Пиявиците огъват телата си от допир до кожата си. Движението се дължи на колективните ефекти на малък брой неврони, някои от които гласуваха за получения резултат, а някои гласуваха по друг начин (но бяха надхвърлени).
Обезпокояващо пиявично движение „избори“. Отляво: изследователите докоснаха кожата на животното на място, посочено със стрелката. Всяка плътна линия е посоката, която пиявицата се огъва от това докосване при едно изпитание. В средата: електрическата стимулация към различен сетивен неврон накара пиявицата да се огъне в различна посока. Вдясно: Изследователите докоснаха кожата и стимулираха неврона едновременно, а пиявицата се огъваше в междинни посоки. (Препечатано с разрешение от Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis и WB Kristan, Nature 391: 76-79, авторско право 1998) Ако пиявицата бъде докосната отгоре, тя има тенденция да се огъва от това докосване. Ако вместо това неврон, който обикновено реагира на допир по дъното, се стимулира електрически, пиявицата има тенденция да се огъва в приблизително обратна посока (средния панел на фигурата). Ако това докосване и този електрически стимул се появят едновременно, пиявицата всъщност се огъва в междинна посока (десния панел на фигурата).
Този резултат не е оптимален нито за отделни стимули, но въпреки това е изборният резултат, един вид компромис между две крайности. Това е все едно, когато политическа партия се събере на конвенция, за да събере платформа. Като се вземат предвид какво искат различните крила на партията, може да се стигне до компромис някъде по средата.
Бяха демонстрирани множество други примери за невронални демокрации. Демокрациите определят какво виждаме, чуваме, усещаме и ухаем, от щурци и плодови мухи до хора. Например, ние възприемаме цветовете чрез пропорционалното гласуване на три вида фоторецептори, всеки от които реагира най-добре на различна дължина на вълната на светлината, както физикът и лекарят Томас Йънг предложи през 1802 г. Едно от предимствата на невронните демокрации е, че променливостта на един неврон шиповете се осредняват при гласуването, така че възприятията и движенията всъщност са по-прецизни, отколкото ако зависят от един или няколко неврона. Освен това, ако някои неврони са повредени, много други остават да поемат слабата.
За разлика от държавите обаче, нервните системи могат да прилагат няколко форми на управление едновременно. Невроналната диктатура може да съществува едновременно с олигархия или демокрация. Диктаторът, действащ най-бързо, може да предизвика началото на поведение, докато други неврони фино настройват последващите движения. Не е необходимо да има единна форма на управление, стига последствията от поведението да увеличат вероятността за оцеляване и възпроизводство.
