Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation. Pročitajte izvorni članak.
Kako arhitektura našeg mozga i neurona omogućuje svakome od nas donošenje individualnih izbora ponašanja? Znanstvenici su metaforu vlasti dugo koristili da objasne kako misle da su živčani sustavi organizirani za donošenje odluka. Jesmo li u korijenu demokratije, poput građanina Velike Britanije koji glasa za Brexit? Diktatura, poput sjevernokorejskog lidera koji naređuje lansiranje rakete? Skup frakcija koje se natječu za kontrolu, poput onih unutar turske vojske? Ili nešto drugo?
1890. psiholog William James tvrdio je da je u svakome od nas "[t] ovdje ... jedna središnja ili pontifikalna [živčana stanica] na koju je vezana naša svijest." Ali 1941., fiziolog i nobelovac Sir Charles Sherrington argumentirao je protiv te ideje o jednoj glavnoj ćelijskoj ćeliji, sugerirajući više da je živčani sustav "milionska demokracija čija je svaka jedinica ćelija." Pa, tko je bio u pravu?
Iz etičkih razloga rijetko smo opravdani za praćenje pojedinih stanica u mozgu zdravih ljudi. Ali izvedivo je otkriti moždane stanične mehanizme kod mnogih nehumanih životinja. Kao što se prepričavam u svojoj knjizi "Upravljanje ponašanjem", eksperimenti su otkrili raspon arhitektura odlučivanja u živčanim sustavima - od diktature, oligarhije, demokracije.
Za neka ponašanja, jedna živčana stanica djeluje kao diktator, pokrećući čitav niz pokreta pomoću električnih signala koje koristi za slanje poruka. (Mi neurobiolozi nazivamo tim signalima akcijske potencijale ili šiljke.) Uzmimo primjer dodirivanja raka na njegov rep; jedan jedini šiljak u bočnom divovskom neuronu izaziva brzi okret repa koji vadi životinju prema gore, od potencijalne opasnosti. Ti pokreti započinju unutar otprilike jedne stotine sekunde dodira.
Rakovi bježe zahvaljujući "diktatorskom neuronu". Svaka je fotografija snimljena u razmaku od 10 stotinki sekunde. (Jens Herberholz i Abigail Schadegg, University of Maryland, College Park) Slično tome, jedan šiljak divovskog neurona Mauthnera u mozgu ribe izaziva pokret za bijeg koji brzo skreće ribu od prijetnje kako bi mogla plivati na sigurno. (Ovo je jedini potvrđeni "zapovjedni neuron" u kralježnjaka.)
Svaki od tih "diktatorskih neurona" neobično je velik - pogotovo njegov akson, dugi, uski dio stanice koji prenosi ubode na velike udaljenosti. Svaki diktatorski neuron sjedi na vrhu hijerarhije, integrirajući signale mnogih senzornih neurona i prenoseći svoje naredbe velikom nizu podređenih neurona koji sami uzrokuju kontrakcije mišića.
Takve stanične diktature uobičajene su za pokrete bijega, osobito kod beskralježnjaka. Oni također kontroliraju druge vrste pokreta koji su u osnovi identični svaki put kad se pojave, uključujući cvrčanje cvrčaka.
Ali ove stanice diktatora nisu cijela priča. Rakovi mogu pokrenuti i drugi način - putem malog niza neurona koji učinkovito djeluju kao oligarhija.
Ti "ne-gigantski" bijezi vrlo su slični onima koje pokreću gigantski neuroni, ali započinju nešto kasnije i omogućuju veću fleksibilnost u detaljima. Stoga, kad je jedan rak svjestan da mu je u opasnosti i ima više vremena za odgovor, obično koristi oligarhiju umjesto svog diktatora.
Slično tome, čak i ako se ubije Mautnerov neuron ribe, životinja i dalje može pobjeći iz opasnih situacija. Brzo se mogu napraviti slični pokreti bijega pomoću malog niza drugih neurona, iako ove akcije započinju nešto kasnije.
Ova redundantnost ima smisla: bilo bi vrlo rizično vjerovati bijegu od grabežljivca do jednog neurona, a bez sigurnosnih kopija - ozljeda ili kvara tog neurona tada ne bi bilo opasno po život. Dakle, evolucija je pružila više načina za pokretanje bijega.
Pijavice održavaju izbore neurona prije nego što se povuku iz vašeg dodira. (Vitalii Hulai / iStock) Neuronske oligarhije mogu također posredovati u vlastitoj percepciji na visokoj razini, poput one kad prepoznamo ljudsko lice. Međutim, za mnoga druga ponašanja, živčani sustavi donose odluke kroz nešto poput Sherrington-ove "milijunske demokracije".
Na primjer, kada majmun pruži ruku, mnogi neuroni u motoričkom korteksu njegovog mozga stvaraju šiljke. Svaki se neuron vrti u pokretima u više smjerova, ali svaki ima jedan određeni smjer koji ga čini najviše.
Istraživači su pretpostavili da svaki neuron u određenom stupnju doprinosi svim dosezima, ali najviše daje za dosege kojima najviše doprinosi. Da bi to shvatili, nadzirali su mnoge neurone i bavili se nekim matematikom.
Istraživači su izmjerili brzinu uboda u nekoliko neurona kada je majmun došao do nekoliko meta. Zatim su, za jednu metu, svaki neuron predstavljali vektorom - njegov kut označava željeni smjer dosega neurona (kada najviše iskače), a duljina označava njegovu relativnu brzinu klijanja za tu određenu metu. Matematički su zbrojili svoje učinke (ponderirani vektorski prosjek) i mogli pouzdano predvidjeti ishod kretanja svih poruka koje su neuroni slali.
Ovo je poput izbora neurona u kojima neki neuroni glasaju češće od drugih. Primjer je prikazan na slici. Blijede ljubičaste linije predstavljaju glasovne pokrete pojedinih neurona. Narančasta linija ("vektor populacije") označava njihov sažeti smjer. Žuta linija označava stvarni smjer kretanja, što je prilično slično predviđanju vektora populacije. Istraživači su ovu populaciju nazvali kodiranjem.
Kod nekih životinja i ponašanja moguće je testirati verziju demokracije živčanog sustava ometanjem izbora. Na primjer, majmuni (i ljudi) prave pokrete zvane "sakade" kako bi brzo prebacili pogled s jedne točke fiksacije na drugu. Sakade pokreću neuroni u dijelu mozga koji se zove superiorni kolikulus. Kao u gornjem primjeru dosega majmuna, i ovi neuroni šiljkaju za najrazličitije sakade, ali najviše za jedan smjer i udaljenost. Ako je jedan dio superiornog kolikulusa anesteziran - što onemogućuje određeni skup birača - sve se sakade pomaknu iz smjera i udaljenosti kakve su sada šutjeli glasači preferirali. Izbori su sada lažni.
Manipulacija u jednoj ćeliji pokazala je da pijavice također održavaju izbore. Pijavice savijaju tijelo od dodira kože. To kretanje je zbog kolektivnih učinaka malog broja neurona, od kojih su neki glasali za rezultirajući ishod, a neki su glasali na drugi način (ali su bili zabranjeni).
Uznemirujući pokret pijavica "izbori". Lijevo: istraživači su dodirnuli životinjsku kožu na mjestu naznačeno strelicom. Svaka čvrsta linija predstavlja smjer pijavice koja se u jednom pokusu odvojila od ovog dodira. Sredina: električna stimulacija različitom senzornom neuronu natjerala je da se pijavica savije u drugom smjeru. Desno: Istraživači su dodirivali kožu i istovremeno stimulirali neuron, a pijavica se savijala u međuprostorima. (Ponovno tiskano uz dopuštenje Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis i WB Kristan, Nature 391: 76-79, autorsko pravo 1998.) Ako se pijavica dotakne vrha, ima tendenciju savijanja dalje od ovog dodira. Ako se umjesto toga električno stimulira neuron koji obično reagira na dno, pijavica se savija u približno suprotnom smjeru (srednja ploča slike). Ako se ovaj dodir i ovaj električni podražaj istovremeno pojave, pijavica se zapravo savija u međupredmetnom smjeru (desna ploča slike).
Taj ishod nije optimalan ni za pojedinačni poticaj, ali je ipak izborni rezultat, svojevrsni kompromis dviju krajnosti. To je kao kad se politička stranka okupi na konvenciji da sastavi platformu. Uzimajući u obzir ono što različita krila stranke žele može dovesti do kompromisa negdje u sredini.
Dokazani su brojni drugi primjeri neuronskih demokracija. Demokratije određuju ono što vidimo, čujemo, osjećamo i mirišemo, od cvrčaka i voćnih muha do ljudi. Na primjer, boje opažamo proporcionalnim glasovanjem tri vrste fotoreceptora koji svaki najbolje reagiraju na različitu valnu duljinu svjetlosti, kao što je fizičar i liječnik Thomas Young predložio 1802. Jedna od prednosti neuronskih demokracija je ta varijabilnost u jednom neuronu šiljak je prosječan u glasovanju, pa su percepcije i pokreti zapravo precizniji nego ako ovise o jednom ili nekoliko neurona. Također, ako su neki neuroni oštećeni, mnogi drugi ostaju zauzeti.
Za razliku od zemalja, živčani sustavi mogu istovremeno provoditi više oblika vlasti. Neuronska diktatura može koegzistirati s oligarhijom ili demokracijom. Diktator, djelujući najbrže, može potaknuti napad ponašanja, dok ostali neuroni fino podešavaju nastale pokrete. Ne treba postojati jedinstveni oblik vlasti sve dok posljedice ponašanja povećavaju vjerojatnost preživljavanja i reprodukcije.
