Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale
In che modo l'architettura del nostro cervello e dei nostri neuroni consente a ciascuno di noi di fare scelte comportamentali individuali? Gli scienziati hanno usato a lungo la metafora del governo per spiegare come pensano che i sistemi nervosi siano organizzati per il processo decisionale. Siamo alla radice una democrazia, come i cittadini britannici che votano per la Brexit? Una dittatura, come il leader nordcoreano che ordina un lancio di missili? Una serie di fazioni in competizione per il controllo, come quelle all'interno dell'esercito turco? O qualcos'altro?
Nel 1890, lo psicologo William James sostenne che in ognuno di noi "[t] qui è ... una [cellula nervosa] centrale o pontificale a cui è collegata la nostra coscienza". Ma nel 1941, il fisiologo e il premio Nobel Sir Charles Sherrington discusse contro l'idea di una singola cellula pontificia responsabile, suggerendo piuttosto che il sistema nervoso è "una democrazia quadruplicata la cui unità è una cellula". Allora, chi aveva ragione?
Per motivi etici, raramente siamo giustificati nel monitoraggio di singole cellule nel cervello di persone sane. Ma è possibile rivelare i meccanismi cellulari del cervello in molti animali non umani. Mentre racconto nel mio libro "Governing Behaviour", gli esperimenti hanno rivelato una serie di architetture decisionali nei sistemi nervosi - dalla dittatura, all'oligarchia, alla democrazia.
Per alcuni comportamenti, una singola cellula nervosa funge da dittatore, innescando un intero insieme di movimenti attraverso i segnali elettrici che utilizza per inviare messaggi. (Noi neurobiologi chiamiamo quei segnali potenziali d'azione, o punte.) Prendiamo l'esempio di toccare un gambero sulla coda; un singolo picco nel neurone gigante laterale provoca un rapido ribaltamento della coda che volteggia l'animale verso l'alto, dal potenziale pericolo. Questi movimenti iniziano entro circa un centesimo di secondo dal tocco.
Il gambero fugge grazie al suo "neurone dittatore". Ogni foto è divisa a 10 centesimi di secondo. (Jens Herberholz e Abigail Schadegg, Università del Maryland, College Park) Allo stesso modo, un singolo picco nel neurone Mauthner gigante nel cervello di un pesce suscita un movimento di fuga che allontana rapidamente il pesce da una minaccia in modo che possa nuotare in salvo. (Questo è l'unico "neurone di comando" confermato in un vertebrato.)
Ognuno di questi "neuroni dittatori" è insolitamente grande, specialmente il suo assone, la parte lunga e stretta della cellula che trasmette punte su lunghe distanze. Ogni neurone dittatore si trova nella parte superiore di una gerarchia, integrando i segnali di molti neuroni sensoriali e trasmettendo i suoi ordini a una vasta gamma di neuroni sottomessi che a loro volta causano contrazioni muscolari.
Tali dittature cellulari sono comuni per i movimenti di fuga, specialmente negli invertebrati. Controllano anche altri tipi di movimenti che sono sostanzialmente identici ogni volta che si verificano, incluso il cinguettio del cricket.
Ma queste cellule dittatrici non sono l'intera storia. Anche i gamberi possono innescare un ribaltamento in un altro modo, tramite un altro piccolo gruppo di neuroni che agiscono efficacemente come un'oligarchia.
Queste fughe "non giganti" sono molto simili a quelle scatenate dai neuroni giganti, ma iniziano leggermente più tardi e consentono una maggiore flessibilità nei dettagli. Pertanto, quando un gambero è consapevole che è in pericolo e ha più tempo per rispondere, in genere usa un'oligarchia invece del suo dittatore.
Allo stesso modo, anche se il neurone di Mauthner di un pesce viene ucciso, l'animale può comunque sfuggire a situazioni pericolose. Può rapidamente compiere simili movimenti di fuga usando una piccola serie di altri neuroni, anche se queste azioni iniziano leggermente più tardi.
Questa ridondanza ha senso: sarebbe molto rischioso fidarsi della fuga da un predatore a un singolo neurone, senza lesioni di backup o malfunzionamento di quel neurone sarebbe quindi pericoloso per la vita. Quindi l'evoluzione ha fornito diversi modi per iniziare la fuga.
Le sanguisughe tengono un'elezione neuronale prima di indietreggiare dal tuo tocco. (Vitalii Hulai / iStock) Le oligarchie neuronali possono anche mediare le nostre percezioni di alto livello, come quando riconosciamo un volto umano. Per molti altri comportamenti, tuttavia, i sistemi nervosi prendono decisioni attraverso qualcosa come la "democrazia milionaria di Sherrington".
Ad esempio, quando una scimmia allunga il braccio, molti neuroni nella corteccia motoria del cervello generano picchi. Ogni neurone picchia per movimenti in molte direzioni, ma ognuna ha una direzione particolare che la rende più intensa.
I ricercatori hanno ipotizzato che ciascun neurone contribuisca in qualche modo a tutti i livelli, ma i picchi di più per i risultati a cui sta contribuendo maggiormente. Per capirlo, hanno monitorato molti neuroni e fatto un po 'di matematica.
I ricercatori hanno misurato il tasso di picchi in diversi neuroni quando una scimmia ha raggiunto diversi obiettivi. Quindi, per un singolo bersaglio, rappresentavano ciascun neurone con un vettore: il suo angolo indica la direzione di raggiungimento preferita del neurone (quando colpisce di più) e la lunghezza indica la sua velocità relativa di spiking per questo particolare bersaglio. Riassumevano matematicamente i loro effetti (una media vettoriale ponderata) e potevano prevedere in modo affidabile l'esito del movimento di tutti i messaggi che i neuroni stavano inviando.
È come un'elezione neuronale in cui alcuni neuroni votano più spesso di altri. Un esempio è mostrato in figura. Le linee viola pallido rappresentano i voti di movimento dei singoli neuroni. La linea arancione (il "vettore della popolazione") indica la loro direzione sommata. La linea gialla indica l'effettiva direzione del movimento, che è abbastanza simile alla previsione del vettore della popolazione. I ricercatori hanno chiamato questo codice di popolazione.
Per alcuni animali e comportamenti, è possibile testare la versione democratica del sistema nervoso perturbando le elezioni. Ad esempio, le scimmie (e le persone) fanno movimenti chiamati "saccadi" per spostare rapidamente gli occhi da un punto di fissazione a un altro. Le saccadi sono attivate dai neuroni in una parte del cervello chiamata collicolo superiore. Come nella scimmia, raggiungi l'esempio sopra, ciascuno di questi neuroni picchia per una grande varietà di saccadi, ma al massimo per una direzione e distanza. Se una parte del collicolo superiore viene anestetizzata - privando di un certo numero di elettori - tutte le saccadi vengono spostate dalla direzione e dalla distanza che gli elettori ora silenziosi avevano preferito. Le elezioni sono state truccate.
Una manipolazione a singola cellula ha dimostrato che anche le sanguisughe tengono elezioni. Le sanguisughe piegano i loro corpi lontano da un tocco sulla loro pelle. Il movimento è dovuto agli effetti collettivi di un piccolo numero di neuroni, alcuni dei quali hanno votato per il risultato risultante e altri hanno votato diversamente (ma sono stati votati al di fuori).
Perturbare un movimento di sanguisuga "elezione". A sinistra: i ricercatori hanno toccato la pelle dell'animale in un punto indicato dalla freccia. Ogni linea continua è la direzione in cui la sanguisuga si è piegata da questo tocco in una prova. Al centro: la stimolazione elettrica verso un diverso neurone sensoriale ha fatto piegare la sanguisuga in una direzione diversa. A destra: i ricercatori hanno toccato la pelle e hanno stimolato il neurone contemporaneamente e la sanguisuga piegata in direzioni intermedie. (Ristampato su autorizzazione di Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis e WB Kristan, Nature 391: 76-79, copyright 1998) Se la sanguisuga viene toccata in alto, tende a piegarsi lontano da questo tocco. Se invece un neurone che normalmente risponde ai tocchi sul fondo viene elettricamente stimolato, la sanguisuga tende a piegarsi approssimativamente nella direzione opposta (il pannello centrale della figura). Se questo tocco e questo stimolo elettrico si verificano simultaneamente, la sanguisuga si piega effettivamente in una direzione intermedia (il pannello destro della figura).
Questo risultato non è ottimale per nessuno stimolo individuale, ma è comunque il risultato elettorale, una sorta di compromesso tra due estremi. È come quando un partito politico si riunisce a una convention per mettere insieme una piattaforma. Tenendo conto di ciò che vogliono le varie ali del partito può portare a un compromesso da qualche parte nel mezzo.
Numerosi altri esempi di democrazie neuronali sono stati dimostrati. Le democrazie determinano ciò che vediamo, sentiamo, sentiamo e odoriamo, dai grilli e dalle mosche della frutta agli umani. Ad esempio, percepiamo i colori attraverso il voto proporzionale di tre tipi di fotorecettori che rispondono meglio a una diversa lunghezza d'onda della luce, come proposto dal fisico e medico Thomas Young nel 1802. Uno dei vantaggi delle democrazie neuronali è che la variabilità in un singolo neurone lo spiking è calcolato in media nel voto, quindi percezioni e movimenti sono in realtà più precisi rispetto a se dipendessero da uno o pochi neuroni. Inoltre, se alcuni neuroni sono danneggiati, molti altri rimangono per assorbire il gioco.
A differenza dei paesi, tuttavia, i sistemi nervosi possono implementare più forme di governo contemporaneamente. Una dittatura neuronale può coesistere con un'oligarchia o una democrazia. Il dittatore, agendo più rapidamente, può innescare l'insorgenza di un comportamento mentre altri neuroni mettono a punto i movimenti che ne conseguono. Non è necessario che vi sia un'unica forma di governo purché le conseguenze comportamentali aumentino la probabilità di sopravvivenza e riproduzione.
