Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.
Wie ermöglicht es die Architektur unseres Gehirns und unserer Neuronen jedem von uns, individuelle Verhaltensentscheidungen zu treffen? Wissenschaftler haben lange die Metapher der Regierung verwendet, um zu erklären, wie ihrer Meinung nach das Nervensystem für die Entscheidungsfindung organisiert ist. Sind wir an der Wurzel einer Demokratie, wie die britische Bürgerschaft, die für den Brexit stimmt? Eine Diktatur, wie der nordkoreanische Führer einen Raketenstart befiehlt? Eine Gruppe von Fraktionen, die im Wettbewerb um die Kontrolle stehen, wie die des türkischen Militärs? Oder etwas anderes?
1890 argumentierte der Psychologe William James, dass in jedem von uns "[t] hier ... eine zentrale oder päpstliche [Nervenzelle] ist, an die unser Bewusstsein gebunden ist". Doch 1941 wandte sich der Physiologe und Nobelpreisträger Sir Charles Sherrington gegen diese Idee einer einzelnen verantwortlichen päpstlichen Zelle, was eher darauf hindeutet, dass das Nervensystem "eine millionenfache Demokratie ist, deren jede Einheit eine Zelle ist." Wer hatte also Recht?
Aus ethischen Gründen ist es selten gerechtfertigt, einzelne Zellen im Gehirn gesunder Menschen zu überwachen. Es ist jedoch möglich, die zellulären Mechanismen des Gehirns bei vielen nichtmenschlichen Tieren aufzudecken. Wie ich in meinem Buch „Beherrschen des Verhaltens“ wiedergebe, haben Experimente eine Reihe von Entscheidungsstrukturen im Nervensystem aufgedeckt - von Diktatur über Oligarchie bis hin zu Demokratie.
Bei einigen Verhaltensweisen fungiert eine einzelne Nervenzelle als Diktator und löst über die elektrischen Signale, die zum Senden von Nachrichten verwendet werden, eine ganze Reihe von Bewegungen aus. (Wir Neurobiologen nennen diese Signale Aktionspotentiale oder Spikes.) Nehmen wir das Beispiel, einen Flusskrebs am Schwanz zu berühren. Ein einzelner Dorn im lateralen Riesenneuron löst einen schnellen Schwanzschlag aus, der das Tier aus potentieller Gefahr nach oben wirft. Diese Bewegungen beginnen innerhalb einer Hundertstelsekunde nach der Berührung.
Flusskrebse entkommen dank ihres "Diktatorneurons". Jedes Foto wurde im Abstand von 10 Hundertstelsekunden aufgenommen. (Jens Herberholz und Abigail Schadegg, Universität Maryland, College Park) Ebenso löst eine einzelne Spitze im riesigen Mauthner-Neuron im Gehirn eines Fisches eine Fluchtbewegung aus, die den Fisch schnell von einer Bedrohung abwendet, damit er in Sicherheit schwimmen kann. (Dies ist das einzige bestätigte "Befehlsneuron" bei einem Wirbeltier.)
Jedes dieser "Diktatorneuronen" ist ungewöhnlich groß - insbesondere das Axon, der lange, schmale Teil der Zelle, der Spitzen über große Entfernungen überträgt. Jedes Diktatorneuron befindet sich an der Spitze einer Hierarchie, integriert Signale von vielen sensorischen Neuronen und überträgt seine Befehle an eine große Anzahl untergeordneter Neuronen, die selbst Muskelkontraktionen verursachen.
Solche zellulären Diktaturen sind häufig bei Fluchtbewegungen, insbesondere bei Wirbellosen. Sie steuern auch andere Arten von Bewegungen, die grundsätzlich bei jedem Auftreten identisch sind, einschließlich Cricket-Zwitschern.
Aber diese Diktatorzellen sind nicht die ganze Geschichte. Flusskrebse können auch auf andere Weise einen Tail-Flip auslösen - über eine andere kleine Gruppe von Neuronen, die effektiv als Oligarchie fungieren.
Diese „nicht-riesigen“ Fluchten ähneln denen, die von riesigen Neuronen ausgelöst werden, beginnen jedoch etwas später und ermöglichen mehr Flexibilität in den Details. Wenn ein Flusskrebs weiß, dass er in Gefahr ist und mehr Zeit zum Reagieren hat, verwendet er normalerweise eine Oligarchie anstelle seines Diktators.
Auch wenn das Mauthner-Neuron eines Fisches abgetötet wird, kann das Tier dennoch gefährlichen Situationen entkommen. Mit einem kleinen Satz anderer Neuronen kann es schnell ähnliche Fluchtbewegungen ausführen, obwohl diese Aktionen etwas später beginnen.
Diese Redundanz ist sinnvoll: Es wäre sehr riskant, einem einzelnen Neuron die Flucht von einem Raubtier zuzutrauen, ohne dass eine Backup-Verletzung oder eine Fehlfunktion dieses Neurons lebensbedrohlich wäre. Die Evolution hat also mehrere Möglichkeiten geboten, die Flucht einzuleiten.
Blutegel halten eine Neuronenwahl ab, bevor Sie sich von Ihrer Berührung zurückziehen. (Vitalii Hulai / iStock) Neuronale Oligarchien können auch unsere eigenen Wahrnehmungen auf hoher Ebene vermitteln, beispielsweise wenn wir ein menschliches Gesicht erkennen. Bei vielen anderen Verhaltensweisen treffen Nervensysteme ihre Entscheidungen jedoch durch etwas wie Sherringtons "millionenfache Demokratie".
Wenn zum Beispiel ein Affe seinen Arm ausstreckt, erzeugen viele Neuronen in der motorischen Kortikalis seines Gehirns Stacheln. Jedes Neuron spitzt für Bewegungen in viele Richtungen zu, aber jedes hat eine bestimmte Richtung, die es am meisten spitzen lässt.
Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass jedes Neuron zu einem gewissen Grad zu allen Reichweiten beiträgt, jedoch die meisten Spitzen für Reichweiten aufweist, zu denen es am meisten beiträgt. Um es herauszufinden, überwachten sie viele Neuronen und machten etwas Mathe.
Die Forscher maßen die Geschwindigkeit von Spitzen in mehreren Neuronen, wenn ein Affe mehrere Ziele erreichte. Dann stellten sie für ein einzelnes Ziel jedes Neuron durch einen Vektor dar - sein Winkel gibt die bevorzugte Erreichungsrichtung des Neurons an (wenn es am meisten spitzt) und die Länge gibt seine relative Spitzerate für dieses bestimmte Ziel an. Sie summierten ihre Effekte mathematisch (ein gewichteter Vektormittelwert) und konnten das Bewegungsergebnis aller von den Neuronen gesendeten Nachrichten zuverlässig vorhersagen.
Dies ist wie eine neuronale Wahl, bei der einige Neuronen häufiger abstimmen als andere. Ein Beispiel ist in der Abbildung dargestellt. Die hellvioletten Linien repräsentieren die Bewegungsstimmen einzelner Neuronen. Die orange Linie (der „Bevölkerungsvektor“) gibt die summierte Richtung an. Die gelbe Linie zeigt die tatsächliche Bewegungsrichtung an, die der Vorhersage des Bevölkerungsvektors ziemlich ähnlich ist. Die Forscher nannten diese Populationskodierung.
Bei einigen Tieren und Verhaltensweisen ist es möglich, die demokratische Version des Nervensystems zu testen, indem die Wahlen gestört werden. Zum Beispiel machen Affen (und Menschen) Bewegungen, die "Sakkaden" genannt werden, um die Augen schnell von einem Fixierungspunkt zum anderen zu bewegen. Sakkaden werden von Neuronen in einem Teil des Gehirns ausgelöst, der als überlegener Kollikulus bezeichnet wird. Wie im obigen Beispiel der Affenreichweite spitzen diese Neuronen jeweils für eine Vielzahl von Sakkaden, jedoch für eine Richtung und Entfernung am meisten. Wenn ein Teil des Colliculus superior anästhesiert wird - eine bestimmte Gruppe von Wählern entrechtet -, werden alle Sakkaden von der Richtung und Distanz weg verschoben, die die jetzt stillen Wähler bevorzugt hatten. Die Wahl wurde nun manipuliert.
Eine Einzelzellmanipulation zeigte, dass Blutegel auch Wahlen abhalten. Blutegel beugen ihren Körper vor einer Berührung mit ihrer Haut. Die Bewegung ist auf die kollektiven Auswirkungen einer kleinen Anzahl von Neuronen zurückzuführen, von denen einige für das resultierende Ergebnis stimmten und andere dagegen stimmten (aber überstimmt wurden).
Störung einer Blutegelbewegung "Wahl". Links: Forscher berührten die Haut des Tieres an einer durch den Pfeil gekennzeichneten Stelle. Jede durchgezogene Linie ist die Richtung, in die sich der Blutegel bei einem Versuch von dieser Berührung weg gebeugt hat. Mitte: Die elektrische Stimulation eines anderen sensorischen Neurons führte dazu, dass sich der Blutegel in eine andere Richtung bog. Rechts: Die Forscher berührten die Haut und stimulierten gleichzeitig das Neuron, und der Blutegel bog sich in Zwischenrichtungen. (Wiedergabe mit Genehmigung von Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis und WB Kristan, Nature 391: 76-79, Copyright 1998) Wenn der Blutegel oben berührt wird, neigt er dazu, sich von dieser Berührung wegzubiegen. Wenn stattdessen ein Neuron, das normalerweise auf Berührungen auf der Unterseite reagiert, elektrisch stimuliert wird, neigt der Blutegel dazu, sich in ungefähr 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 weder für einzelne Stimuli noch für das Wahlergebnis optimal, eine Art Kompromiss zwischen zwei Extremen. Es ist wie wenn eine politische Partei auf einem Kongress zusammenkommt, um eine Plattform zusammenzustellen. Wenn man bedenkt, was verschiedene Flügel der Partei wollen, kann dies irgendwo in der Mitte zu einem Kompromiss führen.
Zahlreiche andere Beispiele neuronaler Demokratien wurden demonstriert. Demokratien bestimmen, was wir sehen, hören, fühlen und riechen, von Grillen und Fruchtfliegen bis zu Menschen. Zum Beispiel nehmen wir Farben durch die proportionale Abstimmung von drei Arten von Fotorezeptoren wahr, die jeweils am besten auf eine unterschiedliche Lichtwellenlänge ansprechen, wie der Physiker und Arzt Thomas Young 1802 vorschlug. Einer der Vorteile neuronaler Demokratien ist die Variabilität in einem einzelnen Neuron Das Spiking wird bei der Abstimmung gemittelt, sodass Wahrnehmungen und Bewegungen tatsächlich präziser sind, als wenn sie von einem oder wenigen Neuronen abhängen. Auch wenn einige Neuronen beschädigt sind, bleiben viele andere, um den Durchhang auszugleichen.
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 handelt, kann das Einsetzen eines Verhaltens auslösen, während andere Neuronen die folgenden Bewegungen fein abstimmen. Es muss keine einzige Regierungsform geben, solange die Verhaltensfolgen die Überlebens- und Reproduktionswahrscheinlichkeit erhöhen.
