In che modo l'architettura del nostro cervello e dei nostri neuroni consente a ciascuno di noi di compiere scelte comportamentali individuali? Gli scienziati hanno a lungo usato la metafora del governo per spiegare come pensano che i sistemi nervosi siano organizzati per il processo decisionale. Siamo alla radice di 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?

In 1890, lo psicologo William James sostenne che in ognuno di noi "[t] qui è ... una cellula nervosa centrale o pontificia a cui è collegata la nostra coscienza." Ma in 1941, fisiologo e premio Nobel Sir Charles Sherrington argomentò contro l'idea di un'unica cellula pontificio in carica, suggerendo piuttosto che il sistema nervoso è "una democrazia da un milione di volte ogni cui unità è una cellula".

Allora, chi aveva ragione?

Per ragioni etiche, raramente siamo giustificati nel monitorare singole cellule nel cervello di persone sane. Ma è fattibile rivelare i meccanismi cellulari del cervello in molti animali non umani. Come racconto nel mio libro "Comportamento governativo" gli esperimenti hanno rivelato una serie di architetture decisionali nei sistemi nervosi - dalla dittatura, all'oligarchia, alla democrazia.

Una dittatura neurale

Per alcuni comportamenti, una singola cellula nervosa agisce come un dittatore, innescando un intero insieme di movimenti tramite i segnali elettrici che utilizza per inviare messaggi. (Noi neurobiologi chiamiamo questi segnali potenziali d'azioneo spighe). Prendi l'esempio di toccare un gambero sulla coda; un singolo picco nel neurone gigante laterale provoca un rapido capovolgimento della coda che volteggia l'animale verso l'alto, fuori dal pericolo potenziale. Questi movimenti iniziano entro circa un centesimo di secondo del tocco.

Allo stesso modo, un singolo picco nel gigantesco Mauthner nel cervello di un pesce suscita un movimento di fuga che allontana rapidamente il pesce da una minaccia in modo che possa nuotare fino alla salvezza. (Questo è l'unico "neurone di comando" confermato in un vertebrato).

Ognuno di questi dittatori neuroni è insolitamente grande - specialmente il suo assone, la parte lunga e stretta della cellula che trasmette picchi su lunghe distanze. Ogni dittatore neurone si trova in cima a una gerarchia, integrando i segnali di molti neuroni sensoriali e trasmettendo i suoi ordini a un ampio gruppo 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 fondamentalmente identici ogni volta che si verificano, tra cui cinguettio del cricket.

Piccolo approccio di squadra

Ma queste cellule del dittatore non sono l'intera storia. Latta di gamberi innescare un colpo di coda anche in un altro modo - tramite un altro piccolo gruppo di neuroni che agisce efficacemente come un'oligarchia.

Queste fughe "non giganti" sono molto simili a quelle scatenate da neuroni giganti, ma iniziano poco dopo e consentono una maggiore flessibilità nei dettagli. Quindi, quando un gambero sa che è in pericolo e ha più tempo per rispondere, di solito usa un'oligarchia invece del suo dittatore.

Allo stesso modo, anche se il neurone Mauthner di un pesce viene ucciso, l'animale può comunque fuggire da situazioni pericolose. Può rapidamente fare simili movimenti di fuga usando a piccola serie di altri neuroni, anche se queste azioni iniziano poco dopo.

Questa ridondanza ha un senso: sarebbe molto rischioso affidarsi alla fuga da un predatore a un singolo neurone, senza alcun intervento di backup: lesioni o malfunzionamenti di quel neurone potrebbero quindi mettere a rischio la vita. Quindi l'evoluzione ha fornito molteplici modi per iniziare la fuga.

Le oligarchie neuronali possono anche mediare le nostre percezioni di alto livello, come quando noi riconoscere un volto umano.

La maggioranza vince

Per molti altri comportamenti, tuttavia, i sistemi nervosi prendono decisioni attraverso qualcosa come la "democrazia da milioni di volte" di Sherrington.

Ad esempio, quando una scimmia allunga il braccio, molti neuroni nella corteccia motoria del suo cervello generano picchi. Ogni neurone picchia per i movimenti in molte direzioni; ma ognuno ha una particolare direzione che lo rende il massimo.

I ricercatori hanno ipotizzato che ogni neurone contribuisca a raggiungere tutti in una certa misura, ma picchi di più per il suo contributo alla maggior parte. Per capirlo, hanno monitorato molti neuroni e fatto alcuni calcoli matematici.

I ricercatori hanno misurato il tasso di picchi in diversi neuroni quando una scimmia ha raggiunto diversi bersagli. Quindi, per un singolo bersaglio, rappresentavano ciascun neurone con un vettore - il suo angolo indica la direzione di raggiungimento preferita del neurone (quando picchia di più) e la lunghezza indica il suo tasso relativo di spiking per questo particolare bersaglio. Hanno matematicamente riassunto i loro effetti (una media ponderata del vettore) e potrebbero prevedere in modo affidabile l'esito del movimento di tutti i messaggi che i neuroni stavano mandando.

È come un'elezione neuronale in cui alcuni neuroni votano più spesso di altri. Un esempio è mostrato nella figura. Le linee viola pallido rappresentano i voti del movimento dei singoli neuroni. La linea arancione (il "vettore di 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 questa codifica della popolazione.

Per alcuni animali e comportamenti, è possibile testare la versione della democrazia del sistema nervoso perturbando le elezioni. Ad esempio, le scimmie (e le persone) fanno movimenti chiamati "saccade" per spostare rapidamente gli occhi da un punto di fissazione a un altro. Le saccadi sono innescate da neuroni in una parte del cervello chiamata collicolo superiore. Come nell'esempio precedente di scimmia sopra, questi neuroni ogni spike per un'ampia varietà di saccade ma picco più per una direzione e distanza. Se una parte del collicolo superiore è anestetizzata - privando di diritti un particolare gruppo di elettori - tutti le saccade sono spostate dalla direzione e dalla distanza che gli elettori ora silenziosi avevano preferito. Le elezioni sono state ora truccate.

Una manipolazione a cellula singola ha dimostrato che anche le sanguisughe tengono elezioni. Le sanguisughe piegano i loro corpi via da un tocco alla loro pelle. Il movimento è dovuto agli effetti collettivi di un piccolo numero di neuroni, alcuni dei quali hanno votato per il risultato finale e alcuni hanno votato diversamente (ma sono stati messi in minoranza).

Se la sanguisuga viene toccata in alto, tende a piegarsi lontano da questo tocco. Se un neurone che normalmente risponde ai toccamenti sul fondo viene invece stimolato elettricamente, 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 uno stimolo individuale, ma è comunque il risultato delle elezioni, una sorta di compromesso tra due estremi. È come quando un partito politico si riunisce in una convention per mettere insieme una piattaforma. Prendendo in considerazione ciò che le varie ali del partito vogliono può portare a un compromesso da qualche parte nel mezzo.

Sono stati dimostrati numerosi altri esempi di democrazie neuronali. Le democrazie determinano ciò che vediamo, ascoltiamo, sentiamo e odiamo, dai grilli e dai moscerini 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 fisico e medico Thomas Young ha proposto in 1802. Uno dei vantaggi delle democrazie neuronali è che la variabilità nello spike di un singolo neurone è mediata nel voto, quindi le percezioni e i movimenti sono in realtà più precisi che se dipendessero da uno o pochi neuroni. Inoltre, se alcuni neuroni sono danneggiati, molti altri rimangono per recuperare 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, che agisce più velocemente, può innescare l'insorgenza di un comportamento mentre altri neuroni perfezionano i movimenti che ne derivano. Non c'è bisogno di essere una singola forma di governo fintanto che le conseguenze comportamentali aumentano la probabilità di sopravvivenza e riproduzione.

Circa l'autore

Ari Berkowitz, professore alla presidenza di biologia; Direttore, Programma di laurea in neurobiologia cellulare e comportamentale, University of Oklahoma

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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