Làm thế nào để kiến ​​trúc của bộ não và tế bào thần kinh của chúng ta cho phép mỗi chúng ta đưa ra lựa chọn hành vi cá nhân? Các nhà khoa học từ lâu đã sử dụng phép ẩn dụ của chính phủ để giải thích cách họ nghĩ rằng các hệ thống thần kinh được tổ chức để ra quyết định. Có phải chúng ta là một nền dân chủ, như công dân Anh bỏ phiếu cho Brexit? Một chế độ độc tài, như nhà lãnh đạo Triều Tiên ra lệnh phóng tên lửa? Một nhóm các phe phái cạnh tranh để kiểm soát, giống như những người trong quân đội Thổ Nhĩ Kỳ? Hay cái gì khác?

In 1890, nhà tâm lý học William James lập luận rằng trong mỗi chúng ta, [t] ở đây là một một trung tâm hoặc tế bào thần kinh [tế bào thần kinh] mà ý thức của chúng ta gắn liền. 1941, nhà sinh lý học và người đoạt giải Nobel Sir Charles Sherrington lập luận chống lại ý tưởng về một tế bào giáo hoàng duy nhất phụ trách, cho thấy thay vào đó hệ thống thần kinh là một nền dân chủ hàng triệu lần mà mỗi đơn vị là một tế bào.

Vậy ai đã đúng?

Vì lý do đạo đức, chúng ta hiếm khi biện minh trong việc theo dõi các tế bào đơn lẻ trong não của người khỏe mạnh. Nhưng việc tiết lộ cơ chế tế bào của não ở nhiều loài động vật không phải là khả thi. Như tôi kể lại trong cuốn sách của mình Hành vi cai quản, ăn mặc các thí nghiệm đã tiết lộ một loạt các kiến ​​trúc ra quyết định trong các hệ thống thần kinh - từ chế độ độc tài, đến đầu sỏ, đến dân chủ.

Một chế độ độc tài thần kinh

Đối với một số hành vi, một tế bào thần kinh duy nhất hoạt động như một nhà độc tài, kích hoạt toàn bộ một bộ chuyển động thông qua các tín hiệu điện mà nó sử dụng để gửi tin nhắn. (Chúng tôi các nhà sinh học thần kinh gọi những tín hiệu đó tiềm năng hành độnghoặc gai.) Lấy ví dụ về việc chạm vào một con tôm càng trên đuôi của nó; một mũi nhọn trong tế bào thần kinh khổng lồ bên cạnh gợi ra một cú lật đuôi nhanh chóng đưa con vật lên cao, thoát khỏi nguy hiểm tiềm tàng. Những chuyển động này bắt đầu trong khoảng một phần trăm giây.

Tương tự, một mũi nhọn trong tế bào thần kinh Mauthner khổng lồ trong não của một con cá gợi ra một phong trào trốn thoát nhanh chóng khiến con cá tránh khỏi mối đe dọa để nó có thể bơi đến nơi an toàn. (Đây là lệnh nơ ron thần kinh duy nhất được xác nhận trong một động vật có xương sống.)

Mỗi tế bào thần kinh độc tài này có kích thước lớn bất thường - đặc biệt là sợi trục của nó, phần dài, hẹp của tế bào truyền gai trên khoảng cách xa. Mỗi nơ-ron độc tài nằm ở đầu một hệ thống phân cấp, tích hợp các tín hiệu từ nhiều nơ-ron cảm giác và truyền lệnh của nó đến một tập hợp lớn các nơ-ron thần kinh tự gây ra sự co thắt cơ bắp.

Chế độ độc tài tế bào như vậy là phổ biến cho các phong trào thoát, đặc biệt là ở động vật không xương sống. Họ cũng kiểm soát các loại chuyển động khác về cơ bản giống hệt nhau mỗi lần chúng xảy ra, bao gồm dế kêu.

Cách tiếp cận nhóm nhỏ

Nhưng những tế bào độc tài này không phải là toàn bộ câu chuyện. Tôm càng xanh kích hoạt lật đuôi một cách khác nữa - thông qua một tập hợp tế bào thần kinh nhỏ khác hoạt động hiệu quả như một đầu sỏ.

Những người trốn thoát không phải là người khổng lồ này rất giống với những người được kích hoạt bởi các tế bào thần kinh khổng lồ, nhưng bắt đầu hơi muộn hơn và cho phép linh hoạt hơn trong các chi tiết. Do đó, khi một con tôm càng biết nó đang gặp nguy hiểm và có nhiều thời gian hơn để đáp trả, nó thường sử dụng đầu sỏ thay vì nhà độc tài.

Tương tự, ngay cả khi tế bào thần kinh Mauthner của một con cá bị giết, con vật vẫn có thể thoát khỏi những tình huống nguy hiểm. Nó có thể nhanh chóng thực hiện các chuyển động thoát tương tự bằng cách sử dụng một tập hợp nhỏ các tế bào thần kinh khác, mặc dù những hành động này bắt đầu một chút sau đó.

Sự dư thừa này có ý nghĩa: sẽ rất rủi ro khi tin tưởng thoát khỏi kẻ săn mồi đến một tế bào thần kinh duy nhất, không có dự phòng - chấn thương hoặc trục trặc của tế bào thần kinh đó sau đó sẽ đe dọa đến tính mạng. Vì vậy, sự tiến hóa đã cung cấp nhiều cách để bắt đầu thoát.

Đầu sỏ thần kinh cũng có thể làm trung gian nhận thức cấp cao của chúng ta, chẳng hạn như khi chúng ta nhận ra một khuôn mặt của con người.

Chiến thắng đa số

Tuy nhiên, đối với nhiều hành vi khác, các hệ thống thần kinh đưa ra quyết định thông qua một thứ như nền dân chủ hàng triệu lần của Sherrington.

Ví dụ, khi một con khỉ vươn cánh tay ra, nhiều tế bào thần kinh trong vỏ não vận động của não tạo ra các gai nhọn. Mỗi tế bào thần kinh tăng đột biến cho các phong trào theo nhiều hướng; nhưng mỗi cái có một hướng riêng khiến nó tăng đột biến nhất.

Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng mỗi nơ-ron đóng góp cho tất cả các mức độ ở một mức độ nào đó, nhưng tăng đột biến nhất để đạt được nó đóng góp nhiều nhất. Để tìm ra nó, họ đã theo dõi nhiều tế bào thần kinh và làm một số phép toán.

Các nhà nghiên cứu đã đo tốc độ tăng đột biến ở một số tế bào thần kinh khi một con khỉ vươn tới một số mục tiêu. Sau đó, đối với một mục tiêu, chúng đại diện cho mỗi nơ-ron bằng một vectơ - góc của nó biểu thị hướng tiếp cận ưa thích của nơ-ron (khi nó tăng vọt nhất) và độ dài biểu thị tốc độ di chuyển tương đối của nó cho mục tiêu cụ thể này. Họ đã tính toán một cách toán học các hiệu ứng của chúng (trung bình vectơ có trọng số) và có thể đáng tin cậy dự đoán kết quả phong trào trong tất cả các tin nhắn mà các tế bào thần kinh đã gửi.

Điều này giống như một cuộc bầu cử nơ-ron trong đó một số nơ-ron bỏ phiếu thường xuyên hơn những người khác. Một ví dụ được hiển thị trong hình. Các đường màu tím nhạt đại diện cho phiếu bầu cử của từng nơ-ron. Đường màu cam (vectơ dân số vectơ) cho biết hướng tổng của chúng. Đường màu vàng biểu thị hướng di chuyển thực tế, khá giống với dự đoán của vectơ dân số. Các nhà nghiên cứu gọi đây là mã hóa dân số.

Đối với một số động vật và hành vi, có thể kiểm tra phiên bản dân chủ của hệ thần kinh bằng cách gây nhiễu cuộc bầu cử. Ví dụ, khỉ (và người) thực hiện các chuyển động được gọi là saccades, để nhanh chóng chuyển mắt từ điểm cố định này sang điểm cố định khác. Saccade được kích hoạt bởi các tế bào thần kinh trong một phần của bộ não được gọi là colliculus cao cấp. Giống như trong ví dụ về loài khỉ, các nơ-ron này tăng đột biến cho nhiều loại khác nhau nhưng tăng đột biến nhất cho một hướng và khoảng cách. Nếu một phần của colliculus vượt trội bị gây mê - tước quyền bầu cử một nhóm cử tri cụ thể - tất cả saccade được chuyển đi từ hướng và khoảng cách mà các cử tri im lặng đã ưa thích. Cuộc bầu cử hiện đã được tổ chức.

Một thao tác đơn bào đã chứng minh rằng đỉa cũng tổ chức bầu cử. Đỉa uốn cong cơ thể của họ từ một chạm vào da của họ. Sự chuyển động này là do tác động tập thể của một số lượng nhỏ tế bào thần kinh, một số trong đó đã bỏ phiếu cho kết quả cuối cùng và một số trong đó đã bỏ phiếu khác (nhưng đã được đưa ra ngoài).

Nếu con đỉa được chạm vào đỉnh, nó có xu hướng uốn cong khỏi cảm ứng này. Thay vào đó, nếu một tế bào thần kinh thường phản ứng chạm vào đáy được kích thích bằng điện, thì con đỉa có xu hướng uốn cong theo hướng ngược lại (bảng giữa của hình). Nếu cảm ứng này và kích thích điện này xảy ra đồng thời, con đỉa thực sự uốn cong theo hướng trung gian (bảng bên phải của hình).

Kết quả này không tối ưu cho cả hai kích thích cá nhân nhưng dù sao cũng là kết quả bầu cử, một loại thỏa hiệp giữa hai thái cực. Nó giống như khi một đảng chính trị kết hợp với nhau tại một hội nghị để kết hợp một nền tảng. Có tính đến những gì cánh khác nhau của đảng muốn có thể dẫn đến một sự thỏa hiệp ở đâu đó ở giữa.

Nhiều ví dụ khác về các nền dân chủ thần kinh đã được chứng minh. Các nền dân chủ xác định những gì chúng ta thấy, nghe, cảm nhận và ngửi, từ dế và ruồi giấm cho đến con người. Ví dụ, chúng tôi cảm nhận màu sắc thông qua sự biểu quyết theo tỷ lệ của ba loại tế bào cảm quang mà mỗi loại phản ứng tốt nhất với một bước sóng ánh sáng khác nhau, như nhà vật lý và bác sĩ Thomas Young đề xuất trong 1802. Một trong những lợi thế của các nền dân chủ nơ-ron thần kinh là sự thay đổi trong quá trình di chuyển của một nơ-ron đơn lẻ được tính trung bình trong việc bỏ phiếu, do đó, nhận thức và chuyển động thực sự chính xác hơn so với việc chúng phụ thuộc vào một hoặc một vài nơ-ron. Ngoài ra, nếu một số tế bào thần kinh bị hư hại, nhiều người khác vẫn tiếp tục chùng bước.

Tuy nhiên, không giống như các quốc gia, các hệ thống thần kinh có thể thực hiện đồng thời nhiều hình thức chính phủ. Một chế độ độc tài thần kinh có thể cùng tồn tại với một đầu sỏ hoặc dân chủ. Nhà độc tài, hành động nhanh nhất, có thể kích hoạt sự khởi đầu của một hành vi trong khi các tế bào thần kinh khác điều chỉnh các chuyển động tiếp theo. Không cần phải là một hình thức chính phủ duy nhất miễn là hậu quả hành vi làm tăng xác suất sống sót và sinh sản.

Giới thiệu về Tác giả

Ari Berkowitz, Giáo sư Sinh học của Tổng thống; Giám đốc, Chương trình sau đại học về tế bào thần kinh và tế bào Đại học Oklahoma

Bài viết này ban đầu được xuất bản vào Conversation. Đọc ban đầu bài viết.

Sách liên quan

at Thị trường InnerSelf và Amazon