你的神经系统是民主还是独裁?

我们的大脑和神经元的结构如何让我们每个人做出个人的行为选择? 长期以来,科学家一直用政府的隐喻来解释他们如何组织神经系统进行决策。 我们的根源是民主,就像英国公民投票Brexit一样吗? 像朝鲜领导人命令导弹发射一样的专政? 像土耳其军方内部的一些派别争夺控制权? 或者是其他东西?

In 1890,心理学家威廉·詹姆斯 认为在我们每一个人“这里是......我们的意识所依附的一个中心或崇高的[神经细胞]。”但在 1941,生理学家和诺贝尔奖获得者查尔斯·谢林顿爵士 反对主持一个单一的教唆主义的想法,认为神经系统是“百万倍的民主,其每个单位是一个细胞”。

那么谁是对的?

出于伦理原因,我们很少有理由监测健康人的大脑中的单细胞。 但在许多非人类动物中揭示大脑的细胞机制是可行的。 正如我在我的书中所述 “治理行为” 实验揭示了一系列神经系统决策架构 - 从独裁到寡头,再到民主。

神经专政

对于某些行为,单个神经细胞充当独裁者,通过它发送信息所使用的电信号触发一整套运动。 (我们神经生物学家称这些信号 动作电位,或穗状花序)。以尾巴接触小龙虾为例。 横向巨神经元中的一个尖刺引起快速尾巴翻转,使动物向上拱起,摆脱潜在的危险。 这些动作在约一秒钟内开始。

同样,鱼类大脑中的巨大Mauthner神经元中的一个单峰会引发一个逃生运动,迅速将鱼从威胁中转移出去,从而游到安全的地方。 (这是脊椎动物中唯一确认的“指挥神经元”。)


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这些独裁神经元中的每一个都非常大 - 尤其是它的轴突,这是细胞的长而窄的部分,可以长距离传播尖峰。 每个独裁者神经元位于层次结构的顶部,整合来自许多感觉神经元的信号,并将其命令传递给大量的从属神经元导致肌肉收缩的神经元。

这种细胞独裁是逃生运动的常见现象,特别是在无脊椎动物中。 他们还控制其他类型的运动,每次发生时都基本相同 蟋蟀鸣叫.

小团队的方法

但是这些独裁者小组并不是全部。 小龙虾可以 触发尾巴翻转 另一种方式 - 通过另一个小的神经元集 有效地扮演寡头政治角色.

这些“非巨人”的逃脱与巨神经元触发的非常类似,但稍后开始,并允许更多的细节灵活性。 因此,当小龙虾意识到它处于危险之中并有更多的时间来回应时,它通常使用寡头而不是独裁者。

同样,即使鱼的Mauthner神经元被杀死,动物仍然可以摆脱危险的情况。 它可以使用a快速进行类似的逃脱运动 小集其他神经元,尽管这些行动稍后才开始。

这种冗余是有道理的:相信从一个掠食者逃到一个单一的神经元是非常危险的,没有备份 - 伤害或那个神经元的故障会威胁生命。 所以进化已经提供了多种方式来启动逃生。

神经元寡头也可能会调解我们自己的高层观念,比如我们什么时候 认出一个人的面孔.

多数胜利

然而,对于许多其他行为,神经系统通过Sherrington的“百万民主”等方式做出决定。

例如,当猴子伸出手臂时,大脑运动皮层中的许多神经元会产生尖峰。 每个神经元在许多方向都有峰值运动; 但每个人都有一个特定的方向,使其最高。

研究人员假设每个神经元在某种程度上对所有达到的范围都有贡献,但是对于大多数神经元的影响最大。 为了解决这个问题,他们监控了许多神经元并做了一些数学计算

研究人员测量了一只猴子到达几个目标时,几个神经元的峰值速度。 然后,对于单个目标,他们用矢量表示每个神经元 - 它的角度表示神经元首选的到达方向(当它最尖峰时),长度表示相对于该特定目标的峰值相对速率。 他们在数学上总结了他们的影响(一个加权矢量平均值),可以 可靠地预测运动结果 所有神经元发送的信息。

这就像一个神经元的选举,其中一些神经元比其他人投票更频繁。 图中显示了一个例子。 苍白的紫罗兰色线代表个别神经元的运动投票。 橙线(“人口矢量”)表示他们的总结方向。 黄线表示实际的运动方向,与人口向量的预测非常相似。 研究人员称这种人口编码。

对于一些动物和行为,可以通过扰乱选举来检验神经系统的民主版本。 例如,猴子(和人)进行称为“扫视”的动作,以使眼睛从一个注视点快速转移到另一个注视点。 神经细胞被称为上丘的大脑部分的神经元触发。 就像在上面的猴子到达例子中一样,这些神经元每个刺激了各种各样的扫视 最大的一个方向和距离。 如果上丘的一部分被麻醉 - 剥夺了一组特定的选民的权利 - 全部 扫视被移开 从现在沉默的选民所偏好的方向和距离。 选举现在已经被操纵了。

单细胞操纵表明,水蛭也举行选举。 水蛭弯曲他们的身体远离触摸他们的皮肤。 运动是由于少数神经元的集体效应,其中一些投票结果的结果,其中一些投票否则(但outvoted)。

如果水蛭触摸到顶部,它往往会从这个触摸弯曲。 如果一个通常对触摸底部响应的神经元被电刺激,水蛭趋向于大致相反的方向弯曲(图中间的面板)。 如果这种触摸和这种电刺激同时发生,水蛭实际上会在中间方向弯曲(图的右侧面板)。

这个结果对个人的刺激并不是最佳的,但却是选举的结果,是两种极端之间的妥协。 这就好像一个政党在一个会议上聚在一起组成一个平台。 考虑到党内各方面的要求可以导致中间某个地方的妥协。

已经证明了神经元民主的许多其他例子。 民主国家决定我们从蟋蟀和果蝇到人类所看到,听到,感受和闻到的东西。 例如,我们通过三种感光器的比例投票来感知颜色,每种感光器对不同波长的光都有最好的响应,就像物理学家和医师 托马斯·杨在1802提出。 神经元民主的优点之一是在投票中平均出单个神经元峰值的变化,所以感觉和运动实际上比依靠一个或几个神经元更精确。 另外,如果一些神经元受到损伤,其他许多人仍然不愿意承受这种松弛。

然而,与国家不同的是,神经系统可以同时实施多种形式的政府。 神经专政可以与寡头政治或民主共存。 独裁者,行动最快,可能会触发行为的开始,而其他神经元微调随后的动作。 只要行为后果增加生存和繁殖的可能性,就不需要单一的政府形式。

关于作者

生物学主席阿里·伯科维茨(Ari Berkowitz); 细胞与行为神经生物学研究生课程主任 俄克拉何马大学

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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