สถาปัตยกรรมของสมองและเซลล์ประสาทของเราช่วยให้เราแต่ละคนสามารถเลือกพฤติกรรมของตนเองได้อย่างไร? นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้คำอุปมาของรัฐบาลมาเป็นเวลานานเพื่ออธิบายว่าพวกเขาคิดว่าระบบประสาทถูกจัดระเบียบอย่างไรเพื่อการตัดสินใจ เราเป็นรากฐานของระบอบประชาธิปไตย เช่นเดียวกับที่พลเมืองสหราชอาณาจักรลงคะแนนเสียงให้ Brexit หรือไม่ เผด็จการอย่างผู้นำเกาหลีเหนือสั่งปล่อยขีปนาวุธ? กลุ่มที่แข่งขันกันเพื่อควบคุม เช่นเดียวกับในกองทัพตุรกี? หรืออย่างอื่น?

In พ.ศ. 1890 นักจิตวิทยา วิลเลียม เจมส์ แย้งว่าในพวกเราแต่ละคน “[t] นี่คือ… หนึ่งส่วนกลางหรือ pontifical [เซลล์ประสาท] ที่จิตสำนึกของเราติดอยู่” แต่ใน พ.ศ. 1941 นักสรีรวิทยาและผู้ได้รับรางวัลโนเบล เซอร์ชาร์ลส์ เชอร์ริงตัน โต้แย้งกับแนวคิดเรื่องเซลล์สันตะปาปาเพียงเซลล์เดียว โดยบอกว่าระบบประสาทเป็น “ประชาธิปไตยล้านเท่าซึ่งแต่ละหน่วยเป็นเซลล์”

แล้วใครถูก?

ด้วยเหตุผลทางจริยธรรม เราจึงไม่ค่อยได้รับการพิสูจน์ว่าควรตรวจสอบเซลล์เดียวในสมองของคนที่มีสุขภาพดี แต่มีความเป็นไปได้ที่จะเปิดเผยกลไกเซลล์ของสมองในสัตว์ที่ไม่ใช่มนุษย์หลายชนิด ขณะที่ฉันเล่าในหนังสือของฉัน “พฤติกรรมการกำกับดูแล” การทดลองได้เปิดเผยสถาปัตยกรรมการตัดสินใจที่หลากหลายในระบบประสาท ตั้งแต่เผด็จการ คณาธิปไตย ไปจนถึงประชาธิปไตย

เผด็จการประสาท

สำหรับพฤติกรรมบางอย่าง เซลล์ประสาทเดียวทำหน้าที่เป็นเผด็จการ กระตุ้นการเคลื่อนไหวทั้งชุดผ่านสัญญาณไฟฟ้าที่ใช้ในการส่งข้อความ (เรานักประสาทวิทยาเรียกสัญญาณเหล่านั้น ศักยภาพการกระทำหรือหนามแหลม) ยกตัวอย่างการจับกั้งที่หาง เข็มเดียวในเซลล์ประสาทยักษ์ด้านข้างทำให้เกิดการพลิกหางอย่างรวดเร็วที่กระโดดขึ้นสัตว์ขึ้นไปจากอันตรายที่อาจเกิดขึ้น การเคลื่อนไหวเหล่านี้เริ่มต้นภายในเวลาประมาณหนึ่งร้อยวินาทีของการสัมผัส

ในทำนองเดียวกัน เข็มเดียวในเซลล์ประสาท Mauthner ขนาดยักษ์ในสมองของปลาทำให้เกิดการเคลื่อนไหวเพื่อหลบหนีซึ่งเปลี่ยนปลาให้พ้นจากภัยคุกคามอย่างรวดเร็ว เพื่อให้สามารถว่ายน้ำได้อย่างปลอดภัย (นี่เป็น "เซลล์ประสาทสั่งการ" เดียวที่ได้รับการยืนยันในสัตว์มีกระดูกสันหลัง)

เซลล์ประสาทเผด็จการเหล่านี้แต่ละเซลล์มีขนาดใหญ่ผิดปกติ โดยเฉพาะแอกซอน ซึ่งเป็นส่วนที่แคบและยาวของเซลล์ที่ส่งสัญญาณแหลมในระยะทางไกล เซลล์ประสาทเผด็จการแต่ละเซลล์ตั้งอยู่ที่ด้านบนสุดของลำดับชั้น ผสานสัญญาณจากเซลล์ประสาทรับความรู้สึกจำนวนมาก และถ่ายทอดคำสั่งไปยังเซลล์ประสาทย่อยจำนวนมากที่ทำให้กล้ามเนื้อหดตัว

การปกครองแบบเผด็จการแบบเซลลูลาร์นั้นเป็นเรื่องปกติสำหรับการเคลื่อนไหวหลบหนี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง พวกเขายังควบคุมการเคลื่อนไหวประเภทอื่น ๆ ที่เหมือนกันทุกครั้งที่เกิดขึ้นรวมถึง จิ้งหรีดร้องเจี๊ยก ๆ.

แนวทางทีมเล็ก

แต่เซลล์เผด็จการเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องราวทั้งหมด กั้งสามารถ เรียกหางพลิก อีกทางหนึ่งด้วย – ผ่านเซลล์ประสาทชุดเล็กอีกชุดหนึ่งซึ่ง ทำหน้าที่เป็นคณาธิปไตยอย่างมีประสิทธิภาพ.

การหลบหนีที่ "ไม่ใช่ยักษ์" เหล่านี้คล้ายกับการถูกกระตุ้นโดยเซลล์ประสาทขนาดยักษ์ แต่จะเริ่มในภายหลังเล็กน้อยและให้รายละเอียดที่ยืดหยุ่นมากขึ้น ดังนั้น เมื่อกั้งรู้ว่ากำลังตกอยู่ในอันตรายและมีเวลาตอบสนองมากขึ้น โดยทั่วไปจะใช้คณาธิปไตยแทนเผด็จการ

ในทำนองเดียวกัน แม้ว่าเซลล์ประสาท Mauthner ของปลาจะถูกฆ่า แต่สัตว์ก็ยังสามารถหลบหนีจากสถานการณ์อันตรายได้ มันสามารถทำการเคลื่อนไหวหลบหนีที่คล้ายกันได้อย่างรวดเร็วโดยใช้a เซลล์ประสาทอื่นๆ ชุดเล็กแม้ว่าการกระทำเหล่านี้จะเริ่มในภายหลังเล็กน้อย

ความซ้ำซ้อนนี้สมเหตุสมผล: มีความเสี่ยงสูงที่จะเชื่อการหลบหนีจากนักล่าไปยังเซลล์ประสาทเพียงเซลล์เดียว โดยไม่มีการสำรองข้อมูล – การบาดเจ็บหรือความผิดปกติของเซลล์ประสาทนั้นจะเป็นอันตรายถึงชีวิต ดังนั้นวิวัฒนาการได้จัดเตรียมวิธีการหลบหนีหลายวิธี

คณาธิปไตยของเส้นประสาทอาจเป็นสื่อกลางในการรับรู้ระดับสูงของเรา เช่น เมื่อเรา จำหน้าคนได้.

ส่วนใหญ่ชนะ

อย่างไรก็ตาม สำหรับพฤติกรรมอื่นๆ มากมาย ระบบประสาทตัดสินใจผ่านบางสิ่งเช่น “ประชาธิปไตยนับล้าน” ของเชอร์ริงตัน

ตัวอย่างเช่น เมื่อลิงเอื้อมมือออกไป เซลล์ประสาทจำนวนมากในเยื่อหุ้มสมองสั่งการของสมองจะสร้างหนามแหลมขึ้น เซลล์ประสาททุกอันพุ่งขึ้นเพื่อการเคลื่อนไหวในหลายทิศทาง แต่แต่ละอันมีทิศทางเฉพาะที่ทำให้แหลมได้มากที่สุด

นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์มีส่วนทำให้เกิดการเอื้อมถึงทั้งหมดในระดับหนึ่ง แต่จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วที่สุดสำหรับการเอื้อมถึงส่วนใหญ่ ในการคิดออก พวกเขาตรวจสอบเซลล์ประสาทจำนวนมากและทำคณิตศาสตร์

นักวิจัยวัดอัตราการแหลมในเซลล์ประสาทหลายเซลล์เมื่อลิงไปถึงหลายเป้าหมาย จากนั้นสำหรับเป้าหมายเดียว พวกมันเป็นตัวแทนของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ด้วยเวกเตอร์ มุมของมันบ่งบอกถึงทิศทางการเข้าถึงที่ต้องการของเซลล์ประสาท (เมื่อมันแหลมมากที่สุด) และความยาวบ่งชี้ว่าอัตราการเพิ่มขึ้นสัมพัทธ์ของมันสำหรับเป้าหมายเฉพาะนี้ พวกเขาสรุปผลทางคณิตศาสตร์ (ค่าเฉลี่ยเวกเตอร์ถ่วงน้ำหนัก) และสามารถ ทำนายผลการเคลื่อนไหวได้อย่างน่าเชื่อถือ ของข้อความทั้งหมดที่เซลล์ประสาทส่งมา

นี่เป็นเหมือนการเลือกตั้งเซลล์ประสาทที่เซลล์ประสาทบางเซลล์โหวตบ่อยกว่าเซลล์อื่น ตัวอย่างจะแสดงในรูป เส้นสีม่วงอ่อนแสดงถึงคะแนนการเคลื่อนไหวของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ เส้นสีส้ม (“เวกเตอร์ประชากร”) ระบุทิศทางสรุป เส้นสีเหลืองระบุทิศทางการเคลื่อนที่ที่แท้จริง ซึ่งค่อนข้างคล้ายกับการคาดการณ์ของเวกเตอร์ประชากร นักวิจัยเรียกรหัสประชากรนี้ว่า

สำหรับสัตว์และพฤติกรรมบางอย่าง เป็นไปได้ที่จะทดสอบระบอบประชาธิปไตยของระบบประสาทโดยการรบกวนการเลือกตั้ง ตัวอย่างเช่น ลิง (และผู้คน) ทำการเคลื่อนไหวที่เรียกว่า "saccades" เพื่อเปลี่ยนสายตาจากจุดตรึงหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งอย่างรวดเร็ว Saccades ถูกกระตุ้นโดยเซลล์ประสาทในส่วนหนึ่งของสมองที่เรียกว่า superior colliculus เช่นเดียวกับในตัวอย่างที่ลิงเอื้อมถึงข้างต้น เซลล์ประสาทเหล่านี้แต่ละเซลล์จะแหลมสำหรับ saccades ที่หลากหลายแต่ แทงมากที่สุดสำหรับทิศทางเดียวและระยะทาง. หากส่วนใดส่วนหนึ่งของหัวร่วมระดับสูงถูกวางยาสลบ – ตัดสิทธิ์ผู้มีสิทธิเลือกตั้งกลุ่มใดกลุ่มหนึ่ง – ทั้งหมด สังคายนาถูกเลื่อนออกไป จากทิศทางและระยะทางที่ผู้มีสิทธิเลือกตั้งแบบเงียบ ๆ ในตอนนี้ต้องการ การเลือกตั้งถูกหลอกลวงแล้ว

การจัดการเซลล์เดียวแสดงให้เห็นว่าปลิงยังมีการเลือกตั้งอีกด้วย ปลิงงอร่างกายออกจากการสัมผัสผิวหนัง การเคลื่อนไหวนี้เกิดจากผลกระทบโดยรวมของเซลล์ประสาทจำนวนน้อย ซึ่งบางส่วนได้รับการโหวตสำหรับผลลัพธ์ที่ได้ และบางส่วนได้รับการโหวตเป็นอย่างอื่น (แต่ถูกโหวตออก)

หากปลิงถูกสัมผัสที่ด้านบน มันก็จะโน้มตัวออกจากการสัมผัสนี้ หากเซลล์ประสาทที่ปกติตอบสนองต่อการสัมผัสด้านล่างถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้าแทน ปลิงมีแนวโน้มที่จะงอไปในทิศทางตรงกันข้ามโดยประมาณ (แผงตรงกลางของรูป) หากการสัมผัสนี้และการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าเกิดขึ้นพร้อมกัน ปลิงจะโค้งไปในทิศทางตรงกลาง (แผงด้านขวาของรูป)

ผลลัพธ์นี้ไม่เหมาะสมสำหรับการกระตุ้นส่วนบุคคลอย่างใดอย่างหนึ่ง แต่ถึงกระนั้น ผลการเลือกตั้งเป็นการประนีประนอมระหว่างสองขั้วสุดโต่ง มันเหมือนกับว่าเมื่อพรรคการเมืองมารวมตัวกันที่การประชุมเพื่อสร้างเวที การพิจารณาว่าฝ่ายต่างๆ ของพรรคต้องการอะไร อาจนำไปสู่การประนีประนอมที่ใดที่หนึ่งที่อยู่ตรงกลาง

มีการแสดงตัวอย่างอื่น ๆ มากมายของประชาธิปไตยแบบเซลล์ประสาท ประชาธิปไตยกำหนดสิ่งที่เราเห็น ได้ยิน รู้สึก และได้กลิ่น ตั้งแต่จิ้งหรีดและแมลงวันผลไม้ไปจนถึงมนุษย์ ตัวอย่างเช่น เรารับรู้สีผ่านการลงคะแนนตามสัดส่วนของตัวรับแสงสามชนิดที่แต่ละชนิดตอบสนองได้ดีที่สุดต่อความยาวคลื่นของแสงที่แตกต่างกัน ในฐานะนักฟิสิกส์และแพทย์ Thomas Young เสนอในปี 1802. ข้อดีอย่างหนึ่งของระบอบประชาธิปไตยของเส้นประสาทคือความแปรปรวนในการเพิ่มขึ้นของเซลล์ประสาทเดียวนั้นถูกหาค่าเฉลี่ยในการลงคะแนน ดังนั้นการรับรู้และการเคลื่อนไหวจึงแม่นยำกว่าการพึ่งพาเซลล์ประสาทหนึ่งหรือสองสามเซลล์ นอกจากนี้ หากเซลล์ประสาทบางส่วนได้รับความเสียหาย เซลล์ประสาทอื่นๆ จำนวนมากยังคงต้องทำหน้าที่หย่อน

อย่างไรก็ตาม ระบบประสาทต่างจากประเทศต่างๆ ที่สามารถดำเนินการได้หลายรูปแบบพร้อมกัน เผด็จการเซลล์ประสาทสามารถอยู่ร่วมกับคณาธิปไตยหรือประชาธิปไตยได้ เผด็จการที่กระทำการเร็วที่สุด อาจกระตุ้นให้เกิดพฤติกรรมในขณะที่เซลล์ประสาทอื่นๆ ปรับการเคลื่อนไหวที่ตามมา ไม่จำเป็นต้องมีรัฐบาลรูปแบบเดียว ตราบใดที่ผลทางพฤติกรรมเพิ่มความน่าจะเป็นของการอยู่รอดและการสืบพันธุ์

เกี่ยวกับผู้เขียน

Ari Berkowitz ศาสตราจารย์วิชาชีววิทยาประธานาธิบดี; ผู้อำนวยการหลักสูตรบัณฑิตศึกษาเซลล์ประสาทและพฤติกรรม มหาวิทยาลัยโอคลาโฮมา

บทความนี้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ สนทนา. อ่าน บทความต้นฉบับ.

หนังสือที่เกี่ยวข้อง

at ตลาดภายในและอเมซอน