¿De qué manera la arquitectura de nuestro cerebro y neuronas nos permite a cada uno de nosotros hacer elecciones individuales de comportamiento? Los científicos han utilizado durante mucho tiempo la metáfora del gobierno para explicar cómo piensan que los sistemas nerviosos están organizados para la toma de decisiones. ¿Estamos en la raíz de una democracia, como la ciudadanía británica que vota por el Brexit? ¿Una dictadura, como el líder norcoreano ordenando un lanzamiento de misiles? ¿Un conjunto de facciones que compiten por el control, como las del ejército turco? ¿O algo mas?

In 1890, psicólogo William James argumentó que en cada uno de nosotros "[t] aquí hay ... una célula nerviosa central o pontifical a la que está unida nuestra conciencia". Pero en 1941, fisiólogo y premio Nobel Sir Charles Sherrington argumentó en contra de la idea de una sola célula pontificia a cargo, lo que sugiere más bien que el sistema nervioso es "una democracia de un millón, cuya unidad es una célula".

Entonces, ¿quién tenía razón?

Por razones éticas, raramente estamos justificados para monitorear células individuales en cerebros de personas sanas. Pero es factible revelar los mecanismos celulares del cerebro en muchos animales no humanos. Como relato en mi libro "Gobernar comportamiento" los experimentos han revelado una gama de arquitecturas de toma de decisiones en los sistemas nerviosos, desde la dictadura hasta la oligarquía y la democracia.

Una dictadura neural

Para algunos comportamientos, una sola célula nerviosa actúa como un dictador, desencadenando un conjunto completo de movimientos a través de las señales eléctricas que utiliza para enviar mensajes. (Los neurobiólogos llamamos esas señales los potenciales de accióno picos). Tome el ejemplo de tocar un cangrejo en su cola; un solo pico en la neurona gigante lateral provoca un rápido giro de la cola que levanta al animal hacia arriba, fuera de peligro potencial. Estos movimientos comienzan aproximadamente a una centésima de segundo del toque.

Del mismo modo, un solo pico en la neurona gigante Mauthner en el cerebro de un pez provoca un movimiento de escape que aleja rápidamente al pez de una amenaza para que pueda nadar hacia la seguridad. (Esta es la única "neurona de comando" confirmada en un vertebrado).

Cada una de estas neuronas dictadoras es inusualmente grande, especialmente su axón, la parte larga y estrecha de la célula que transmite picos en largas distancias. Cada neurona dictadora se encuentra en la parte superior de una jerarquía, integrando señales de muchas neuronas sensoriales y transmitiendo sus órdenes a un gran conjunto de neuronas subordinadas que a su vez causan contracciones musculares.

Dichas dictaduras celulares son comunes para los movimientos de escape, especialmente en invertebrados. También controlan otros tipos de movimientos que son básicamente idénticos cada vez que ocurren, incluidos canto de cricket.

Enfoque de equipo pequeño

Pero estas células dictatoriales no son toda la historia. Cangrejo puede desencadenar un giro de cola de otra manera, a través de otro pequeño conjunto de neuronas que efectivamente actuar como una oligarquía.

Estos escapes "no gigantes" son muy similares a los provocados por las neuronas gigantes, pero comienzan un poco más tarde y permiten una mayor flexibilidad en los detalles. Por lo tanto, cuando un cangrejo es consciente de que está en peligro y tiene más tiempo para responder, normalmente usa una oligarquía en lugar de su dictador.

De manera similar, incluso si la neurona Mauthner de un pez muere, el animal todavía puede escapar de situaciones peligrosas. Puede hacer rápidamente movimientos de escape similares usando un pequeño conjunto de otras neuronas, aunque estas acciones comienzan un poco más tarde.

Esta redundancia tiene sentido: sería muy arriesgado confiar en el escape de un depredador a una sola neurona, sin respaldo; las lesiones o el mal funcionamiento de esa neurona pondrían en peligro la vida. Entonces la evolución ha proporcionado múltiples formas de iniciar el escape.

Las oligarquías neuronales también pueden mediar en nuestras propias percepciones de alto nivel, como cuando reconocer un rostro humano.

La mayoría gana

Para muchos otros comportamientos, sin embargo, los sistemas nerviosos toman decisiones a través de algo así como la "democracia de un millón" de Sherrington.

Por ejemplo, cuando un mono extiende su brazo, muchas neuronas en la corteza motora de su cerebro generan picos. Cada neurona hace un pico para los movimientos en muchas direcciones; pero cada uno tiene una dirección particular que hace que se destaque más.

Los investigadores plantearon la hipótesis de que cada neurona contribuye a todos los alcances hasta cierto punto, pero los picos más a los alcances son los que más contribuyen. Para averiguarlo, monitorearon muchas neuronas e hicieron algunos cálculos.

Los investigadores midieron la tasa de picos en varias neuronas cuando un mono alcanzaba varios objetivos. Luego, para un solo objetivo, representaban a cada neurona por un vector: su ángulo indica la dirección de alcance preferida de la neurona (cuando hace más picos) y la longitud indica su velocidad relativa de ataque para este objetivo en particular. Matemáticamente sumaron sus efectos (un promedio ponderado del vector) y pudieron predecir confiablemente el resultado del movimiento de todos los mensajes que las neuronas estaban enviando.

Esto es como una elección neuronal en la que algunas neuronas votan más que otras. Un ejemplo se muestra en la figura. Las líneas de violeta pálido representan los votos del movimiento de las neuronas individuales. La línea naranja (el "vector de población") indica su dirección sumada. La línea amarilla indica la dirección de movimiento real, que es bastante similar a la predicción del vector de población. Los investigadores llamaron a esta población de codificación.

Para algunos animales y comportamientos, es posible poner a prueba la versión de la democracia del sistema nervioso al perturbar las elecciones. Por ejemplo, los monos (y las personas) hacen movimientos llamados "movimientos sacádicos" para desplazar rápidamente los ojos de un punto de fijación a otro. Saccades son desencadenados por neuronas en una parte del cerebro llamada colículo superior. Al igual que en el ejemplo del alcance del mono anterior, estas neuronas cada pico para una gran variedad de movimientos sacádicos, pero pico más para una dirección y distancia. Si se anestesia una parte del colículo superior - privando de derechos a un grupo particular de votantes - todos los movimientos sacádicos se desplazan desde la dirección y distancia que los votantes ahora silenciosos habían preferido. La elección ahora ha sido amañada.

Una manipulación de una sola célula demostró que las sanguijuelas también celebran elecciones. Las sanguijuelas doblan sus cuerpos lejos de un toque en su piel. El movimiento se debe a los efectos colectivos de un pequeño número de neuronas, algunas de las cuales votaron por el resultado resultante y algunas de las cuales votaron de otra manera (pero se votaron en contra).

Si se toca la baluma en la parte superior, tiende a desviarse de este toque. Si una neurona que normalmente responde a toques en el fondo es estimulada eléctricamente en su lugar, la sanguijuela tiende a doblarse en dirección aproximadamente opuesta (el panel central de la figura). Si este toque y este estímulo eléctrico ocurren simultáneamente, la baluma realmente se dobla en una dirección intermedia (el panel derecho de la figura).

Este resultado no es óptimo para cualquiera de los estímulos individuales, pero es, no obstante, el resultado de la elección, una especie de compromiso entre dos extremos. Es como cuando un partido político se reúne en una convención para armar una plataforma. Teniendo en cuenta lo que las distintas alas del partido quieren puede llevar a un compromiso en algún lugar en el medio.

Se han demostrado otros numerosos ejemplos de democracias neuronales. Las democracias determinan lo que vemos, oímos, sentimos y olemos, desde los grillos y las moscas de la fruta hasta los humanos. Por ejemplo, percibimos colores a través de la votación proporcional de tres tipos de fotorreceptores que responden mejor a una longitud de onda de luz diferente, como físicos y médicos. Thomas Young propuesto en 1802. Una de las ventajas de las democracias neuronales es que la variabilidad en el aumento de una sola neurona se promedia en la votación, por lo que las percepciones y los movimientos son en realidad más precisos que si dependieran de una o unas pocas neuronas. Además, si algunas neuronas están dañadas, muchas otras permanecen para tomar el relevo.

A diferencia de los países, sin embargo, los sistemas nerviosos pueden implementar múltiples formas de gobierno simultáneamente. Una dictadura neuronal puede coexistir con una oligarquía o democracia. El dictador, actuando más rápido, puede desencadenar el inicio de un comportamiento mientras que otras neuronas ajustan los movimientos subsiguientes. No es necesario que haya una sola forma de gobierno siempre que las consecuencias en el comportamiento aumenten la probabilidad de supervivencia y reproducción.

Sobre el Autor

Ari Berkowitz, profesor presidencial de biología; Director, Programa de Posgrado en Neurobiología Celular y del Comportamiento, Universidad de Oklahoma

Este artículo se publicó originalmente el La conversación. Leer el articulo original.

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