Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.
Hoe kunnen we door de architectuur van onze hersenen en neuronen individuele gedragskeuzes maken? Wetenschappers gebruiken de metafoor van de overheid al lang om uit te leggen hoe zij denken dat zenuwstelsels zijn georganiseerd voor de besluitvorming. Zijn we in de kern een democratie, zoals het VK dat voor Brexit stemt? Een dictatuur, zoals de Noord-Koreaanse leider die een raketlancering bestelt? Een groep facties die strijden om controle, zoals die binnen het Turkse leger? Of iets anders?
In 1890 beweerde psycholoog William James dat in ieder van ons "[t] er ... één centrale of pontificale [zenuwcel] is waaraan ons bewustzijn is gehecht." Maar in 1941 argumenteerden fysioloog en Nobelprijswinnaar Sir Charles Sherrington tegen het idee van een enkele pontificale cel die de leiding heeft, wat eerder suggereert dat het zenuwstelsel 'een miljoenvoudige democratie is waarvan elke eenheid een cel is'. Dus wie had gelijk?
Om ethische redenen zijn we zelden gerechtvaardigd om afzonderlijke cellen in de hersenen van gezonde mensen te controleren. Maar het is mogelijk om de cellulaire mechanismen van de hersenen bij veel niet-menselijke dieren te onthullen. Zoals ik in mijn boek 'Regerend gedrag' vertel, hebben experimenten een reeks besluitvormingsarchitecturen in zenuwstelsels onthuld - van dictatuur tot oligarchie en democratie.
Voor sommige gedragingen fungeert een enkele zenuwcel als een dictator en activeert een hele reeks bewegingen via de elektrische signalen die het gebruikt om berichten te verzenden. (Wij neurobiologen noemen die signalen actiepotentialen of spikes.) Neem het voorbeeld van het aanraken van een rivierkreeft op zijn staart; een enkele piek in het laterale gigantische neuron lokt een snelle staart-flip uit die het dier opwaarts wappert, uit potentieel gevaar. Deze bewegingen beginnen binnen ongeveer een honderdste van een seconde van aanraking.
Rivierkreeft ontsnapt dankzij zijn 'dictator neuron'. Elke foto nam 10 honderdsten van een seconde uit elkaar. (Jens Herberholz en Abigail Schadegg, Universiteit van Maryland, College Park) Op dezelfde manier lokt een enkele piek in het gigantische Mauthner-neuron in de hersenen van een vis een ontsnappingsbeweging uit die de vis snel van een bedreiging wegdraait zodat hij naar veiligheid kan zwemmen. (Dit is het enige bevestigde "command neuron" in een gewerveld dier.)
Elk van deze 'dictatorneuronen' is ongewoon groot - vooral zijn axon, het lange, smalle deel van de cel dat pieken over lange afstanden overbrengt. Elk dictator-neuron bevindt zich aan de top van een hiërarchie, integreert signalen van vele sensorische neuronen en geeft zijn orders door aan een grote reeks ondergeschikte neuronen die zelf spiercontracties veroorzaken.
Dergelijke cellulaire dictaturen zijn gebruikelijk voor ontsnappingsbewegingen, vooral bij ongewervelde dieren. Ze besturen ook andere soorten bewegingen die in principe identiek zijn elke keer dat ze zich voordoen, waaronder cricket.
Maar deze dictatorcellen zijn niet het hele verhaal. Rivierkreeften kunnen ook op een andere manier een staartslag veroorzaken - via een andere kleine reeks neuronen die effectief als een oligarchie fungeren.
Deze 'niet-gigantische' ontsnappingen lijken erg op die welke worden veroorzaakt door gigantische neuronen, maar beginnen iets later en bieden meer flexibiliteit in de details. Dus wanneer een rivierkreeft weet dat hij in gevaar is en meer tijd heeft om te reageren, gebruikt hij meestal een oligarchie in plaats van zijn dictator.
Evenzo kan het dier, zelfs als het Mauthner-neuron van een vis wordt gedood, nog steeds ontsnappen aan gevaarlijke situaties. Het kan snel vergelijkbare ontsnappingsbewegingen maken met behulp van een klein aantal andere neuronen, hoewel deze acties iets later beginnen.
Deze redundantie is logisch: het zou zeer riskant zijn om te vertrouwen op de ontsnapping van een roofdier naar een enkel neuron, zonder back-upletsel of storing van dat neuron zou dan levensbedreigend zijn. Evolutie heeft dus meerdere manieren geboden om te ontsnappen.
Bloedzuigers houden een neuronale verkiezing voordat ze terugdeinzen door uw aanraking. (Vitalii Hulai / iStock) Neuronale oligarchieën kunnen ook onze eigen waarnemingen op hoog niveau bemiddelen, zoals wanneer we een menselijk gezicht herkennen. Voor veel andere gedragingen nemen zenuwstelsels echter beslissingen via zoiets als Sherrington's 'miljoenvoudige democratie'.
Wanneer een aap bijvoorbeeld zijn arm uitstrekt, genereren veel neuronen in de motorische cortex van zijn hersenen pieken. Elk neuron spoort bewegingen in vele richtingen op, maar elk heeft een bepaalde richting waardoor het het meest spijkert.
Onderzoekers veronderstelden dat elk neuron tot op zekere hoogte bijdraagt aan alle reeksen, maar het meest piekt voor het bereiken dat het het meest bijdraagt. Om het uit te zoeken, volgden ze veel neuronen en deden ze wat wiskunde.
Onderzoekers maten de snelheid van pieken in verschillende neuronen wanneer een aap naar meerdere doelen reikte. Vervolgens, voor een enkel doel, vertegenwoordigden ze elk neuron door een vector - zijn hoek geeft de voorkeur reikende richting van het neuron aan (wanneer het het meest pieken) en de lengte geeft zijn relatieve snelheid van pieken aan voor dit specifieke doel. Ze somden hun effecten wiskundig op (een gewogen vectorgemiddelde) en konden op betrouwbare wijze de bewegingsuitkomst voorspellen van alle berichten die de neuronen verzenden.
Dit is als een neuronale verkiezing waarin sommige neuronen vaker stemmen dan anderen. Een voorbeeld wordt getoond in de figuur. De lichtviolette lijnen vertegenwoordigen de bewegingsstemmen van individuele neuronen. De oranje lijn (de "populatievector") geeft hun gesommeerde richting aan. De gele lijn geeft de werkelijke bewegingsrichting aan, wat vrij veel lijkt op de voorspelling van de populatievector. De onderzoekers noemden deze populatiecodering.
Voor sommige dieren en gedragingen is het mogelijk om de versie van democratie van het zenuwstelsel te testen door de verkiezingen te verstoren. Apen (en mensen) maken bijvoorbeeld bewegingen die 'saccades' worden genoemd om de ogen snel van het ene fixatiepunt naar het andere te verplaatsen. Saccades worden veroorzaakt door neuronen in een deel van de hersenen dat de superieure colliculus wordt genoemd. Zoals in het voorbeeld van het apenbereik hierboven, pikken deze neuronen elk voor een grote verscheidenheid aan saccades, maar het meest voor één richting en afstand. Als een deel van de superieure colliculus wordt verdoofd - een bepaalde reeks kiezers ontfutselen - worden alle saccades weggeschoven van de richting en afstand die de nu zwijgende kiezers hadden verkozen. De verkiezingen zijn nu opgetuigd.
Een eencellige manipulatie toonde aan dat bloedzuigers ook verkiezingen houden. Bloedzuigers buigen hun lichaam weg van een aanraking van hun huid. De beweging is te wijten aan de collectieve effecten van een klein aantal neuronen, waarvan sommige op de resulterende uitkomst hebben gestemd en andere op een andere manier hebben gestemd (maar overstemd).
Verstoring van een bloedzuigerbeweging "verkiezing". Links: onderzoekers raakten de huid van het dier op een locatie aangegeven door de pijl. Elke ononderbroken lijn is de richting waarin de bloedzuiger in één keer van deze aanraking is weggebogen. Midden: elektrische stimulatie naar een ander sensorisch neuron deed de bloedzuiger in een andere richting buigen. Rechts: Onderzoekers raakten de huid aan en stimuleerden tegelijkertijd het neuron en de bloedzuiger in tussenliggende richtingen gebogen. (Overgenomen met toestemming van Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis en WB Kristan, Nature 391: 76-79, copyright 1998) Als het bloedzuiger aan de bovenkant wordt aangeraakt, buigt het meestal weg van deze aanraking. Als een neuron dat normaal reageert op aanrakingen op de bodem in plaats daarvan elektrisch wordt gestimuleerd, heeft het bloedzuiger de neiging om in ongeveer de tegenovergestelde richting te buigen (het middelste paneel van de figuur). Als deze aanraking en deze elektrische stimulus tegelijkertijd plaatsvinden, buigt het bloedzuiger eigenlijk in een tussenliggende richting (het rechterpaneel van de figuur).
Deze uitkomst is niet optimaal voor beide individuele prikkels, maar is niettemin het verkiezingsresultaat, een soort compromis tussen twee uitersten. Het is alsof een politieke partij op een conventie bijeenkomt om een platform samen te stellen. Rekening houden met wat verschillende partijen van de partij willen, kan ergens in het midden tot een compromis leiden.
Talloze andere voorbeelden van neuronale democratieën zijn aangetoond. Democratieën bepalen wat we zien, horen, voelen en ruiken, van krekels en fruitvliegen tot mensen. We nemen bijvoorbeeld kleuren waar door proportioneel stemmen van drie soorten fotoreceptoren die elk het beste reageren op een verschillende golflengte van licht, zoals fysicus en arts Thomas Young in 1802 voorstelde. Een van de voordelen van neuronale democratieën is die variabiliteit in een enkel neuron spiking wordt gemiddeld in de stemming, dus percepties en bewegingen zijn eigenlijk preciezer dan wanneer ze afhankelijk waren van een of enkele neuronen. En als sommige neuronen beschadigd zijn, blijven er nog anderen over om de speling op te vangen.
In tegenstelling tot landen kunnen zenuwstelsels echter meerdere vormen van overheid tegelijkertijd implementeren. Een neuronale dictatuur kan naast een oligarchie of democratie bestaan. De dictator, die het snelst handelt, kan het begin van een gedrag veroorzaken, terwijl andere neuronen de daaropvolgende bewegingen verfijnen. Er hoeft geen enkele vorm van overheid te zijn, zolang de gedragsgevolgen de kans op overleven en voortplanting vergroten.
