あなたの神経系は民主主義か独裁か?

私たちの脳とニューロンのアーキテクチャによって、私たち一人ひとりが個別の行動選択をすることができますか? 科学者は、神経系が意思決定のために組織されているとどのように考えているかを説明するために、政府のメタファーを長い間使用してきました。 Brexitに投票した英国市民のように、私たちは民主主義を根絶していますか? 北朝鮮の指導者がミサイル発射を命じたような独裁政権? トルコ軍のような制御のために競合する派閥のセット? または、他の何か?

In 1890、心理学者ウィリアム・ジェイムス 私たち一人一人には、「ここには意識が付いている中枢神経系または中枢神経系細胞」があると主張しています。しかし、 1941、生理学者、ノーベル賞受賞者Charles Sherrington 担当する単一の教皇細胞という考えに反して、神経系が「各ユニットが細胞である百万倍の民主主義」であることを示唆している。

だから誰が正しいの?

倫理的な理由から、私たちは健康な人の脳の単一細胞をモニターすることはまれである。 しかし、多くの非ヒト動物において脳の細胞機構を明らかにすることは可能である。 私の本で詳しく述べるように 「統治行動」 実験は、独裁から寡占、民主主義まで、神経システムにおける一連の意思決定アーキテクチャを明らかにしました。

神経独裁

いくつかの行動では、単一の神経細胞が独裁者の役割を果たし、メッセージを送信するために使用する電気信号を介して一連の動きを誘発する。 (我々は神経生物学者がそれらのシグナル 活動電位、またはスパイク)。その尾の上にザリガニを触れる例を挙げてください。 外側の巨大なニューロンの単一のスパイクが潜在的な危険から動物を上方へと跳ね返す高速テイルフリップを誘発する。 これらの動きは、接触の約1/100秒以内に始まります。

同様に、魚の脳にある巨大なマウナー・ニューロンの単一のスパイクが逃げる動きを誘発し、魚を脅威から逃げさせ、安全に泳ぐことができます。 (これは脊椎動物において唯一確認された「コマンドニューロン」である)。


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これらの独裁者ニューロンの各々は、長距離にわたってスパイクを伝達する細胞の細長い部分である、特にその軸索であることは珍しくありません。 各独裁者のニューロンは、階層の最上位に位置し、多くの感覚ニューロンからの信号を統合し、その命令を筋肉収縮を引き起こす大きな一連の卑劣なニューロンに伝える。

このような細胞独裁は、特に無脊椎動物での脱出運動に共通している。 彼らはまた、発生するたびに基本的に同じ他の種類の動きを制御します。 クリケットチャーピング.

小チームアプローチ

しかし、これらの独裁者の細胞はすべての話ではありません。 ザリガニ缶 テールフリップを引き起こす もう1つの方法 - 他の小さなニューロンセット 効果的に寡婦として行動する.

これらの「非巨大な」エスケープは、巨大なニューロンによって引き起こされるエスケープに非常に似ていますが、少し後で始まり、詳細の柔軟性を可能にします。 したがって、ザリガニは危機に瀕しており、対応する時間が長くなっていると認識している場合、通常、独裁者の代わりに寡頭制を使用します。

同様に、魚のマウナー(Mauthner)ニューロンが殺されたとしても、動物は依然として危険な状況から逃れることができる。 それはすぐに同様のエスケープ動作を行うことができます 他のニューロンの小さなセットこれらのアクションは少し遅れて開始されます。

この冗長性は理にかなっています。捕食者から単一のニューロンへの逃避を信頼することは非常に危険です。バックアップ - 傷害や誤動作が生命を脅かすことはありません。 だから進化はエスケープを開始するための複数の方法を提供しています。

ニューロンの寡頭君主はまた、我々自身の高レベルの認識を仲介するかもしれない。 人間の顔を認識する.

多数決

しかし、他の多くの行動については、神経系はSherringtonの「百万倍の民主主義」のようなものを通して意思決定を行っています。

例えば、猿が腕に到達すると、脳の運動皮質の多くのニューロンがスパイクを発生させます。 すべてのニューロンは、多くの方向への動きのために急増する。 それぞれが特定の方向性を持っているため、スパイクが最大になります。

研究者らは、各ニューロンがすべての到達範囲にある程度寄与していると仮定しましたが、それが最も多く寄与しているために最も多くスパイクしています。 それを理解するために、彼らは多くのニューロンを監視し、数学を行った。

研究者は、サルがいくつかの標的に到達したときにいくつかのニューロンのスパイクの割合を測定した。 次に、単一のターゲットについて、それらは各ニューロンをベクトルで表しました。その角度はニューロンの好ましい到達方向(最もスパイクしたとき)を示し、長さはこの特定のターゲットのスパイクの相対速度を示します。 彼らは数学的にそれらの効果(加重ベクトル平均)を合計し、 動きの結果を確実に予測する ニューロンが送信していたすべてのメッセージのうち、

これは、いくつかのニューロンが他のニューロンよりも頻繁に投票するニューロンの選挙のようなものです。 図に例を示します。 淡い紫色の線は、個々のニューロンの運動票を表す。 オレンジ色の線(「人口ベクトル」)は、その合計方向を示します。 黄色の線は、実際の移動方向を示します。これは、人口ベクトルの予測と非常によく似ています。 研究者はこの集団コーディングを呼んだ。

いくつかの動物や行動については、選挙を混乱させて神経系の民主主義のバージョンをテストすることは可能です。 例えば、サル(および人)は、視点をある視点から別の視点に素早く移すために、「サッカード」と呼ばれる動きを行います。 サッカードは、上丘と呼ばれる脳の一部のニューロンによって誘発される。 上記の猿の到達例のように、これらのニューロンはそれぞれ多種多様なサッケードのために急増するが、 一方向と距離のためのほとんどのスパイク。 上丘の一部が麻酔されている場合 - 特定の一組の有権者を排除する - すべて サッカードがシフトされる 現在の無声の有権者が望んでいた方向と距離から。 選挙は現在調整されている。

一細胞操作では、大統領も選挙を行うことが示された。 リーチは身体を触って肌に曲げます。 この動きは、少数のニューロンの集団効果によるものであり、そのうちのいくつかは、結果として得られた結果に投票し、そのうちいくつかは他の点で投票した(しかし、外に出された)。

リーチが上部に触れた場合、このリーチはこの接触から逃げる傾向があります。 通常、底部のタッチに反応するニューロンが電気的に刺激されると、リーチはほぼ反対方向に曲がる傾向があります(図の中央のパネル)。 この接触とこの電気刺激が同時に起こると、リーチは実際には中間の方向(図の右のパネル)で曲がる。

この結果は、いずれの個別の刺激に対しても最適ではありませんが、それでも2つの極端な間の一種の妥協である選挙結果です。 コンベンションで政党が集まってプラットフォームをまとめるようなものです。 パーティーのさまざまな翼が何を求めているのかを考えれば、真ん中のどこかで妥協につながる可能性があります。

ニューロンの民主化の数多くの例が実証されている。 民主主義は、クリケットやフルーツハエから人間へ、私たちが見る、聞く、感じる、そしてにおいするものを決定します。 例えば、私たちは、物理学者と医師のように、それぞれが異なる波長の光に最もよく反応する3種類の光受容体の比例的な投票によって色を知覚します 1802で提案されたThomas Young。 ニューロンのデモクラシーの利点の1つは、単一のニューロンのスパイクの変動が投票で平均化されるため、1つまたはいくつかのニューロンに依存する場合よりも、実際にはより正確であるということです。 また、いくつかのニューロンが損傷している場合、多くの他のニューロンは余裕をもって取り残されます。

しかし、国とは異なり、神経系は複数の形態の政府を同時に実装することができます。 ニューロンの独裁政権は、寡頭制あるいは民主主義と共存することができる。 最も速く行動する独裁者は行動の開始を引き起こし、他のニューロンはその後の動きを微調整する。 行動の結果が生存と再生の可能性を高める限り、単一の政府形態である必要はありません。

著者について

生物学の大統領教授、アリ・ベルコビッツ。 細胞および行動神経生物学大学院プログラムディレクター、 オクラホマ大学

この記事は、最初に公開された 会話。 読む 原著.

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