我們的大腦和神經元的結構如何讓我們每個人做出個人的行為選擇？ 科學家們長期以來一直用政府的比喻來解釋他們認為神經系統是如何組織起來進行決策的。 我們是不是民主國家，就像英國公民投票支持英國退歐？ 一個獨裁政權，就像朝鮮領導人下令發射導彈一樣？ 一組競爭控制的派別，就像土耳其軍隊中的那些派系一樣？ 或者是其他東西？
In 1890，心理學家威廉詹姆斯 他們認為，在我們每個人中，“這裡是......我們意識所依附的一個中心或神經細胞[神經細胞]。”但是 1941，生理學家和諾貝爾獎獲得者查爾斯謝林頓爵士 反對一個掌管單個神經細胞的想法，反而暗示神經系統是“一個百萬倍的民主國家，每個單位都是一個細胞”。
那麼誰是對的？
出於道德原因，我們很少有理由監測健康人腦中的單細胞。 但是，在許多非人類動物中揭示大腦的細胞機制是可行的。 正如我在書中重述的那樣 “管理行為” 實驗揭示了神經系統中的一系列決策架構 - 從獨裁，寡頭統治到民主。
神經獨裁
對於某些行為，單個神經細胞確實充當獨裁者，通過其用於發送消息的電信號觸發整組運動。 （我們神經生物學家稱之為信號 動作電位或者是尖刺。）以尾巴上的小龍蝦為例; 外側巨大神經元中的一個尖峰引發一個快速的尾部翻轉，使動物向上穹頂，擺脫潛在的危險。 這些動作在觸摸的大約百分之一秒內開始。
同樣地，魚類大腦中巨大的Mauthner神經元中的一個尖峰引發了一種逃脫運動，迅速使魚遠離威脅，因此它可以游到安全的地方。 （這是脊椎動物中唯一確認的“命令神經元”。）
這些獨裁神經元中的每一個都非常大 - 尤其是它的軸突，這是細胞的長而窄的部分，可以長距離傳播尖峰。 每個獨裁者神經元位於層次結構的頂部，整合來自許多感覺神經元的信號，並將其命令傳遞給大量的從屬神經元導致肌肉收縮的神經元。
這種細胞獨裁統治對逃脫運動很常見，特別是在無脊椎動物中。 它們還控制每次發生時基本相同的其他類型的運動，包括 蟋蟀唧唧喳喳.
小團隊的方法
但這些獨裁者細胞並不是全部。 小龍蝦可以 觸髮尾部翻轉 另一種方式 - 通過另一小組神經元 有效地充當寡頭政治.
這些“非巨型”逃逸與巨大神經元觸發的逃逸非常相似，但稍後開始並允許細節更靈活。 因此，當小龍蝦意識到它處於危險之中並且有更多的時間來應對時，它通常使用寡頭政治而不是其獨裁者。
同樣，即使魚的Mauthner神經元被殺死，動物仍然可以擺脫危險的情況。 它可以使用a快速進行類似的逃脫運動 一小組其他神經元雖然這些行動稍晚開始。
這種冗餘是有道理的：信任從捕食者逃到單個神經元是非常危險的，沒有備用 - 傷害或神經元故障會危及生命。 因此，進化提供了多種方式來啟動逃避。
神經元寡頭也可能調解我們自己的高層認知，例如我們何時 認識一個人臉.
多數人獲勝
然而，對於許多其他行為，神經系統通過Sherrington的“百萬民主”等方式做出決定。
例如，當一隻猴子伸出手臂時，大腦運動皮層中的許多神經元會產生尖峰。 每個神經元都會向多個方向移動; 但是每一個都有一個特定的方向，使其最大化。
研究人員假設每個神經元在一定程度上對所有達到的範圍都有貢獻，但是對於大多數神經元的影響最大。 為了解決這個問題，他們監測了許多神經元並做了一些數學計算
當一隻猴子到達幾個目標時，研究人員測量了幾個神經元的尖峰率。 然後，對於單個目標，它們用矢量表示每個神經元 - 它的角度表示神經元的首選到達方向（當它最多時），長度表示該特定目標的相對尖峰速率。 他們在數學上總結了它們的影響（加權矢量平均值）並且可以 可靠地預測運動結果 神經元發送的所有消息。
這就像一次神經元選舉，其中一些神經元投票的頻率高於其他神經元。 圖中顯示了一個例子。 淡紫色線代表個體神經元的運動投票。 橙色線（“人口矢量”）表示它們的總和方向。 黃線表示實際的運動方向，這與人口矢量的預測非常相似。 研究人員稱這種人口編碼。
對於一些動物和行為，可以通過擾亂選舉來測試神經系統的民主版本。 例如，猴子（和人）進行稱為“掃視”的運動，以使眼睛從一個固定點快速移動到另一個固定點。 眼眶由大腦中稱為上丘的神經元觸發。 就像上面的猴子伸手可及的例子一樣，這些神經元每個都會出現各種各樣的眼跳 對於一個方向和距離最多。 如果上丘的一部分被麻醉 - 剝奪一組特定選民的權利 - 全部 眼跳被移開了 從現在沉默的選民所偏愛的方向和距離。 選舉現在已被操縱。
單細胞操縱證明水蛭也舉行選舉。 水蛭彎曲身體遠離觸摸皮膚。 這一運動是由於少數神經元的集體效應造成的，其中一些神經元投票支持由此產生的結果，其中一些投票否則（但被投票）。
如果在頂部觸摸水蛭，則傾向於遠離這種觸感。 如果通常響應底部觸摸的神經元被電刺激，則水蛭傾向於在大致相反的方向上彎曲（圖的中間面板）。 如果這種觸摸和這種電刺激同時發生，水蛭實際上在中間方向彎曲（圖的右側面板）。
這種結果對於任何一項刺激都不是最佳的，但仍然是選舉結果，兩種極端之間的妥協。 這就像一個政黨聚集在一個會議上組建一個平台。 考慮到黨的各種翅膀想要什麼可以在中間的某個地方導致妥協。
已經證明了神經元民主國家的許多其他例子。 民主國家決定我們從蟋蟀和果蠅到人類的視覺，聽覺，感覺和嗅覺。 例如，我們通過三種光感受器的比例投票來感知顏色，每種感光器對不同波長的光有最佳反應，如物理學家和醫生 Thomas Young在1802中提出。 神經元民主國家的一個優點是，單個神經元的尖峰的變異性在投票中被平均，因此感知和運動實際上比它們依賴於一個或幾個神經元更精確。 此外，如果一些神經元受損，許多其他神經元仍然可以消除疲勞。
然而，與國家不同，神經系統可以同時實施多種形式的政府。 神秘的獨裁統治可以與寡頭統治或民主共存。 行動最快的獨裁者可以觸發行為的開始，而其他神經元則微調隨後的動作。 只要行為後果增加了生存和繁殖的可能性，就不需要單一形式的政府。
關於作者
生物學主席阿里·伯科維茨（Ari Berkowitz）； 細胞與行為神經生物學研究生課程主任 俄克拉荷馬大學
相關書籍
at InnerSelf 市場和亞馬遜
