Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation. Baca artikel asal.
Bagaimanakah senibina otak dan neuron membenarkan setiap kita untuk membuat pilihan perilaku individu? Para saintis telah lama menggunakan metafora kerajaan untuk menjelaskan bagaimana mereka berfikir sistem saraf diatur untuk membuat keputusan. Adakah kita menjadi akar demokrasi, seperti pengundian rakyat Britain untuk Brexit? Seorang diktator, seperti pemimpin Korea Utara yang melancarkan peluru berpandu? Satu kumpulan yang bersaing untuk mengawal, seperti yang ada dalam tentera Turki? Atau sesuatu yang lain?
Pada tahun 1890, ahli psikologi William James berhujah bahawa di dalam kita masing-masing "[t] di sini adalah ... satu pusat atau pontifical [sel saraf] yang kesedaran kita dilampirkan." Tetapi pada tahun 1941, ahli fisiologi dan pemenang Hadiah Nobel Sir Charles Sherrington menentang idea daripada satu sel pontifikal yang bertanggungjawab, menunjukkan bahawa sistem saraf adalah "demokrasi berjuta-juta kali yang setiap unit adalah sel." Jadi siapa yang betul?
Atas sebab etika, kita jarang dibenarkan memantau sel tunggal dalam otak orang yang sihat. Tetapi ia adalah mungkin untuk mendedahkan mekanisme selular otak di banyak haiwan non-manusia. Seperti yang saya katakan di dalam buku saya "Kelakuan Berpandu, " eksperimen telah mendedahkan pelbagai arsitektur membuat keputusan dalam sistem saraf-dari diktator, kepada oligarki, kepada demokrasi.
Untuk beberapa tingkah laku, sel saraf tunggal bertindak sebagai diktator, mencetuskan seluruh pergerakan melalui isyarat elektrik yang digunakan untuk menghantar mesej. (Kami pakar neurobiologi memanggil isyarat tindakan potensial, atau pancang.) Ambil contoh menyentuh udang karang pada ekornya; satu lonjakan pada neuron gergasi sisi memunculkan ekor ekor yang cepat yang membongkar haiwan ke atas, daripada potensi bahaya. Gerakan ini bermula dalam kira-kira seratus sentuhan kedua.
Ikan udang terlepas kerana "neuron diktator". Setiap gambar diambil sepuluh kali ganda. (Jens Herberholz dan Abigail Schadegg, University of Maryland, College Park) Begitu juga, satu lonjakan dalam neuron raksasa Mauthner di otak ikan menimbulkan pergerakan melarikan diri yang dengan cepat memusingkan ikan dari ancaman sehingga dapat berenang ke keselamatan. (Ini adalah satu-satunya "neuron arahan" yang disahkan dalam vertebrata.)
Setiap "neuron diktator" ini luar biasa besar-terutamanya aksonnya, sel panjang, sempit sel yang menghantar pancang ke jarak jauh. Setiap neuron diktator duduk di bahagian atas hierarki, mengintegrasikan isyarat dari banyak neuron deria, dan menyampaikan pesanannya kepada satu set besar neuron tegang yang sendiri yang menyebabkan kontraksi otot.
Pemerintahan diktator selalunya adalah biasa untuk pergerakan melarikan diri, terutamanya dalam invertebrata. Mereka juga mengawal pergerakan lain yang pada dasarnya sama setiap kali ia berlaku, termasuk kicauan kriket.
Tetapi sel diktator ini bukan seluruh cerita. Ikan udang boleh mencetuskan ekor ekor lain-melalui satu lagi neuron kecil yang berkesan bertindak sebagai oligarki.
Ini "bukan gergasi" melarikan diri adalah sangat serupa dengan yang dicetuskan oleh neuron gergasi, tetapi bermula sedikit kemudian dan membolehkan lebih banyak fleksibiliti dalam butiran. Oleh itu, apabila udang karam menyedari bahaya dan mempunyai lebih banyak masa untuk bertindak balas, ia biasanya menggunakan oligarki dan bukan diktatornya.
Begitu juga, walaupun neuron Mauthner ikan terbunuh, haiwan itu masih boleh melarikan diri dari keadaan berbahaya. Ia dapat dengan cepat membuat pergerakan melarikan diri yang serupa menggunakan set kecil neuron lain, walaupun tindakan ini bermula sedikit kemudian.
Keterlambatan ini masuk akal: ia akan menjadi sangat berisiko untuk melarikan diri daripada pemangsa ke satu neuron tunggal, tanpa sebarang kecederaan sandaran atau kerosakan pada neuron itu akan mengancam nyawa. Jadi evolusi telah menyediakan beberapa cara untuk memulakan melarikan diri.
Lintah memegang pilihan raya neuron sebelum kembali dari sentuhan anda. (Vitalii Hulai / iStock) Oligarki Neuronal juga boleh menengahi persepsi tahap tinggi kita sendiri, seperti ketika kita mengenali wajah manusia. Namun, untuk banyak tingkah laku lain, sistem saraf membuat keputusan melalui sesuatu seperti "demokrasi berjuta-juta" Sherrington.
Sebagai contoh, apabila monyet menjangkau lengannya, banyak neuron di korteks motor otaknya menghasilkan pancang. Setiap lekapan neuron untuk pergerakan dalam banyak arah, tetapi masing-masing mempunyai satu arah tertentu yang menjadikannya paling banyak.
Penyelidik menegaskan bahawa setiap neuron menyumbang kepada semua mencapai tahap ijazah, tetapi spikes paling banyak untuk mencapai ia menyumbang kepada kebanyakan. Untuk memikirkannya, mereka memantau banyak neuron dan melakukan beberapa matematik.
Para penyelidik mengukur kadar pancang di beberapa neuron apabila seekor monyet mencapai beberapa sasaran. Kemudian, untuk satu sasaran, mereka mewakili setiap neuron oleh vektor-sudutnya menunjukkan arah ke arah neuron yang dipilih (apabila ia pancang paling) dan panjang menunjukkan kadar relatif untuk spiking untuk sasaran tertentu ini. Mereka secara matematik menyimpulkan kesannya (purata vektor tertimbang) dan boleh meramalkan hasil pergerakan semua mesej neuron yang dihantar.
Ini seperti pilihan raya neuronal di mana beberapa neuron mengundi lebih kerap berbanding yang lain. Contohnya ditunjukkan dalam angka tersebut. Garis violet pucat mewakili undi gerakan neuron individu. Garis oren ("vektor populasi") menunjukkan arahnya yang diringkaskan. Garis kuning menunjukkan arah pergerakan sebenar, yang agak sama dengan ramalan vektor populasi. Para penyelidik menyerupai pengekodan penduduk ini.
Bagi sesetengah haiwan dan tingkah laku, adalah mungkin untuk menguji versi demokrasi sistem saraf dengan menentang pilihan raya. Sebagai contoh, monyet (dan orang) membuat pergerakan yang dipanggil "sacced" untuk mengalihkan mata dengan cepat dari satu titik penetapan ke yang lain. Saccades dicetuskan oleh neuron di bahagian otak yang disebut colliculus unggul. Seperti contoh monyet di atas, neuron-neuron ini masing-masing melonjak untuk pelbagai jenis saccedan tetapi spike paling untuk satu arah dan jarak. Sekiranya salah satu bahagian dari colliculus unggul adalah dibiayai-menyangkal satu set pengundi tertentu-semua ahli sacca beralih dari arah dan jarak yang dikehendaki oleh pengundi terdiam sekarang. Pilihan raya sekarang telah dicurangi.
Manipulasi sel tunggal menunjukkan bahawa lintah juga mengadakan pemilihan. Lintah membengkokkan badan mereka dari sentuhan ke kulit mereka. Pergerakan ini disebabkan oleh kesan kolektif sejumlah kecil neuron, beberapa di antaranya mengundi hasil yang dihasilkan dan sebahagiannya mengundi sebaliknya (tetapi telah dikeluarkan).
Pertandingan pergerakan lintah "pilihan raya." Kiri: penyelidik menyentuh kulit haiwan di lokasi yang ditunjukkan oleh anak panah. Setiap garis pepejal adalah arah lintah yang bengkok dari sentuhan ini pada satu percubaan. Tengah: rangsangan elektrik ke neuron deria yang berbeza membuat lekuk lekuk dalam arah yang berbeza. Kanan: Para penyelidik menyentuh kulit dan merangsang neuron secara serentak dan bengkok lintah dalam arah perantaraan. (Dicetak semula dengan kebenaran daripada Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis dan WB Kristan, Alam 391: 76-79, hak cipta 1998) Jika lintah disentuh di bahagian atas, ia cenderung membengkokkan dari sentuhan ini. Sekiranya neuron yang biasanya menyentuh untuk menyentuh bahagian bawah adalah dirangsang secara elektrik, lintah cenderung membengkok ke arah arah yang bertentangan (panel pertengahan angka). Sekiranya sentuhan ini dan rangsangan elektrik ini berlaku pada masa yang sama, lintah sebenarnya membungkuk ke arah perantaraan (panel hak angka itu).
Hasilnya tidak optimum untuk rangsangan masing-masing tetapi tetap merupakan keputusan pilihan raya, semacam kompromi antara dua ekstrem. Ia seperti ketika sebuah parti politik datang bersama di konvensyen untuk menyatukan platform. Memandangkan pelbagai sayap parti mahu dapat membawa kepada kompromi di suatu tempat di tengah-tengah.
Banyak contoh demokrasi neuron lain telah ditunjukkan. Demokrasi menentukan apa yang kita lihat, dengar, rasa dan bau, dari jangkrik dan lalat buah kepada manusia. Sebagai contoh, kita melihat warna melalui pengundian berkadar tiga jenis photoreceptor yang masing-masing bertindak balas dengan panjang gelombang cahaya yang berbeza, sebagai pakar fizik dan doktor Thomas Young yang dicadangkan pada 1802. Salah satu kelebihan demokrasi neuron ialah kebolehubahan dalam neuron tunggal spiking adalah purata dalam pengundian, jadi persepsi dan gerakan sebenarnya lebih tepat daripada jika mereka bergantung pada satu atau beberapa neuron. Selain itu, jika beberapa neuron rosak, masih banyak yang lain yang masih mengalami kekurangan.
Tidak seperti negara-negara, sistem saraf boleh melaksanakan pelbagai bentuk pemerintahan serentak. Pemerintahan diktator neuron boleh wujud bersama oligarki atau demokrasi. Diktator, yang bertindak paling cepat, boleh mencetuskan permulaan tingkah laku manakala neuron lain menyempurnakan pergerakan berikutnya. Tidak perlu menjadi satu bentuk kerajaan selagi kesan-kesan tingkah laku meningkatkan kebarangkalian survival dan pembiakan.
