Wie erlaubt uns die Architektur unseres Gehirns und unserer Neuronen, individuelle Verhaltensentscheidungen zu treffen? Wissenschaftler haben die Regierungsmetapher schon lange benutzt, um zu erklären, wie sie Nervensysteme für ihre Entscheidungsfindung halten. Sind wir eine Demokratie, wie die britische Bürgerschaft, die für den Brexit stimmt? Eine Diktatur, wie der nordkoreanische Führer einen Raketenstart anordnet? Eine Gruppe von Fraktionen, die um die Kontrolle kämpfen, wie die des türkischen Militärs? Oder etwas anderes?

In 1890, Psychologe William James argumentiert, dass in jedem von uns "... ist eine zentrale oder päpstliche [Nervenzelle], an die unser Bewusstsein angeschlossen ist." Aber in 1941, Physiologe und Nobelpreisträger Sir Charles Sherrington argumentierte gegen die Idee einer einzigen päpstlichen Zelle verantwortlich, was eher darauf hindeutet, dass das Nervensystem "eine millionenfache Demokratie ist, deren jede Einheit eine Zelle ist".

Also, wer hatte Recht?

Aus ethischen Gründen sind wir selten berechtigt, einzelne Zellen im Gehirn von gesunden Menschen zu überwachen. Aber es ist machbar, die zellulären Mechanismen des Gehirns bei vielen nichtmenschlichen Tieren aufzudecken. Wie ich in meinem Buch erzähle "Regierendes Verhalten" Experimente haben eine Reihe von Entscheidungsarchitekturen im Nervensystem aufgezeigt - von der Diktatur über die Oligarchie bis zur Demokratie.

Eine neurale Diktatur

Bei einigen Verhaltensweisen agiert eine einzelne Nervenzelle als Diktator und löst über die elektrischen Signale, die sie zum Senden von Nachrichten verwendet, eine ganze Reihe von Bewegungen aus. (Wir Neurobiologen nennen diese Signale Aktionspotentiale, oder Spikes.) Nehmen Sie das Beispiel, einen Flusskrebs auf seinem Schwanz zu berühren; ein einzelner Spike im lateralen Riesenneuron löst einen schnellen Schwanzumschlag aus, der das Tier nach oben wölbt, ohne Gefahr zu laufen. Diese Bewegungen beginnen innerhalb einer Hundertstelsekunde der Berührung.

In ähnlicher Weise löst ein einzelner Stachel im gigantischen Mauthner-Neuron im Gehirn eines Fisches eine Fluchtbewegung aus, die den Fisch schnell von einer Bedrohung ablenkt, so dass er in Sicherheit schwimmen kann. (Dies ist das einzige bestätigte "Befehlsneuron" in einem Wirbeltier.)

Jedes dieser Diktatorneuronen ist ungewöhnlich groß - vor allem sein Axon, der lange, schmale Teil der Zelle, der Spitzen über große Entfernungen überträgt. Jedes Diktatorneuron sitzt an der Spitze einer Hierarchie, integriert Signale von vielen sensorischen Neuronen und übermittelt seine Befehle an eine große Anzahl von untergeordneten Neuronen, die selbst Muskelkontraktionen verursachen.

Solche zellulären Diktaturen sind für Fluchtbewegungen, insbesondere bei Wirbellosen, üblich. Sie kontrollieren auch andere Arten von Bewegungen, die bei jedem Auftreten grundsätzlich identisch sind, einschließlich Kricket zwitschern.

Kleiner Teamansatz

Aber diese Diktatorzellen sind nicht die ganze Geschichte. Krebse können triggert einen Tail-Flip ein anderer Weg auch - über eine andere kleine Gruppe von Neuronen, die effektiv als Oligarchie handeln.

Diese "nicht-gigantischen" Fluchten sind denen sehr ähnlich, die von riesigen Neuronen ausgelöst werden, beginnen aber etwas später und erlauben mehr Flexibilität in den Details. Wenn sich ein Krebs bewusst ist, dass er in Gefahr ist und mehr Zeit hat zu reagieren, verwendet er typischerweise eine Oligarchie anstelle seines Diktators.

Auch wenn ein Mauthner-Neuron eines Fisches getötet wird, kann das Tier aus gefährlichen Situationen entkommen. Es kann mit a schnell ähnliche Fluchtbewegungen ausführen kleiner Satz anderer Neuronen, obwohl diese Aktionen etwas später beginnen.

Diese Redundanz macht Sinn: Es wäre sehr riskant zu glauben, dass man von einem Raubtier zu einem einzigen Neuron entkommen kann, ohne Backup - Verletzungen oder Fehlfunktionen dieses Neurons wären dann lebensbedrohlich. Die Evolution hat also mehrere Wege zur Flucht eingeleitet.

Neuronale Oligarchien können auch unsere eigenen hochrangigen Wahrnehmungen vermitteln, etwa wenn wir erkenne ein menschliches Gesicht.

Mehrheit gewinnt

Für viele andere Verhaltensweisen treffen Nervensysteme jedoch Entscheidungen durch etwas wie Sherringtons "millionenfache Demokratie".

Zum Beispiel, wenn ein Affe seinen Arm ausstreckt, erzeugen viele Neuronen im motorischen Kortex des Gehirns Spitzen. Jedes Neuron stach für Bewegungen in viele Richtungen; aber jede hat eine bestimmte Richtung, die sie am meisten spitzt.

Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass jedes Neuron bis zu einem gewissen Grad zu allen Bereichen beiträgt, aber die meisten Spitzen für Bereiche, für die es am meisten beiträgt. Um das herauszufinden, überwachten sie viele Neuronen und rechneten etwas.

Forscher haben die Rate von Spitzen in mehreren Neuronen gemessen, wenn ein Affe mehrere Ziele erreicht hat. Dann stellten sie für ein einzelnes Ziel jedes Neuron durch einen Vektor dar - sein Winkel zeigt die bevorzugte Erreichungsrichtung des Neurons an (wenn es am stärksten spitzt), und die Länge gibt seine relative Spike-Rate für dieses spezielle Ziel an. Sie summierten mathematisch ihre Effekte (ein gewichteter Vektorschnitt) und konnten zuverlässig das Bewegungsergebnis vorhersagen von allen Nachrichten, die die Neuronen senden.

Dies ist wie eine neuronale Wahl, bei der einige Neuronen häufiger wählen als andere. Ein Beispiel ist in der Abbildung gezeigt. Die blass violetten Linien repräsentieren die Bewegungsstimmen einzelner Neuronen. Die orange Linie (der "Populationsvektor") zeigt ihre summierte Richtung an. Die gelbe Linie zeigt die tatsächliche Bewegungsrichtung an, die der Vorhersage des Populationsvektors ziemlich ähnlich ist. Die Forscher nannten diese Bevölkerungscodierung.

Für einige Tiere und Verhaltensweisen ist es möglich, die Version der Demokratie des Nervensystems zu testen, indem man die Wahl stört. Zum Beispiel machen Affen (und Menschen) Bewegungen, die "Sakkaden" genannt werden, um die Augen schnell von einem Befestigungspunkt zu einem anderen zu verschieben. Sakkaden werden von Neuronen in einem Teil des Gehirns, dem so genannten Colliculus superior, ausgelöst. Wie im obigen Beispiel der Affen erreichen diese Neuronen jeweils eine große Vielfalt von Sakkaden, aber Spike am meisten für eine Richtung und Entfernung. Wenn ein Teil des Colliculus superior anästhesiert wird - eine bestimmte Gruppe von Wählern entmündigt - alles Sakkaden sind verschoben aus der Richtung und Entfernung, die die stillen Wähler bevorzugt hatten. Die Wahl wurde jetzt manipuliert.

Eine Ein-Zellen-Manipulation zeigte, dass Blutegel auch Wahlen durchführen. Blutegel beugen ihre Körper von einer Berührung ihrer Haut weg. Die Bewegung ist auf die kollektiven Auswirkungen einer kleinen Anzahl von Neuronen zurückzuführen, von denen einige für das resultierende Ergebnis stimmten und andere stimmten dagegen (aber wurden überstimmt).

Wenn der Blutegel oben berührt wird, neigt er dazu, sich von dieser Berührung weg zu biegen. Wenn ein Neuron, das normalerweise auf Berührungen auf dem Boden reagiert, stattdessen elektrisch stimuliert wird, tendiert der Blutegel dazu, sich ungefähr in die entgegengesetzte Richtung zu biegen (das mittlere Feld der Figur). Wenn diese Berührung und dieser elektrische Reiz gleichzeitig auftreten, biegt sich der Blutegel tatsächlich in eine Zwischenrichtung (das rechte Feld der Figur).

Dieses Ergebnis ist nicht optimal für jeden einzelnen Stimulus, aber dennoch das Wahlergebnis, eine Art Kompromiss zwischen zwei Extremen. Es ist wie wenn eine politische Partei auf einer Convention zusammenkommt, um eine Plattform zusammenzustellen. Wenn man bedenkt, was die verschiedenen Flügel der Partei wollen, kann das zu einem Kompromiss irgendwo in der Mitte führen.

Zahlreiche andere Beispiele neuronaler Demokratien wurden gezeigt. Demokratien bestimmen, was wir sehen, hören, fühlen und riechen, von Grillen und Fruchtfliegen bis hin zu Menschen. Zum Beispiel nehmen wir Farben durch die proportionale Abstimmung von drei Arten von Photorezeptoren wahr, die jeweils am besten auf eine andere Wellenlänge des Lichts reagieren, als Physiker und Arzt Thomas Young schlug in 1802 vor. Einer der Vorteile neuronaler Demokratien besteht darin, dass die Variabilität der Spikes eines einzelnen Neurons im Voting ausgemittelt wird, so dass Wahrnehmungen und Bewegungen tatsächlich genauer sind, als wenn sie von einem oder wenigen Neuronen abhängen. Auch wenn einige Neuronen beschädigt sind, bleiben viele andere, um den Durchhang aufzunehmen.

Im Gegensatz zu Ländern können Nervensysteme jedoch mehrere Regierungsformen gleichzeitig implementieren. Eine neuronale Diktatur kann mit einer Oligarchie oder Demokratie koexistieren. Der Diktator, der am schnellsten agiert, kann den Beginn eines Verhaltens auslösen, während andere Neuronen die folgenden Bewegungen genau abstimmen. Es muss keine einzige Regierungsform geben, solange die Verhaltensfolgen die Überlebens- und Reproduktionswahrscheinlichkeit erhöhen.

Über den Autor

Ari Berkowitz, Präsidentschaftsprofessor für Biologie; Direktor des Graduiertenprogramms für Zelluläre und Verhaltensneurobiologie, University of Oklahoma

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

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