Как устройство нашего мозга и нейронов позволяет каждому из нас выбирать индивидуальную манеру поведения? Ученые давно используют метафору правительства, чтобы объяснить, как, с их точки зрения, действует нервная система при принятии решений. Работает ли она по принципу демократии, как в Великобритании на референдуме по Брекситу? Или по законам диктатуры, как в Северной Корее, когда ее лидер приказывает запустить ракету? Или в ней соперничает за контроль несколько фракций, как у турецких военных? Или все устроено как-то иначе?
В 1890 году психолог Уильям Джеймс утверждал, что в каждом из нас «существует… центральная или главная [нервная клетка], с которой связано наше сознание». Однако в 1941 году физиолог и Нобелевский лауреат сэр Чарльз Шеррингтон выразил несогласие с утверждением о существовании одной-единственной главной нервной клетки, полагая, что нервная система представляет собой «в миллионы раз большую демократию, в которой каждая единица — это клетка».
Так кто же был прав?
По этическим причинам мы редко можем наблюдать отдельные клетки мозга здорового человека. Однако допустимо вскрывать клеточный механизм многих нечеловекоподобных животных. Как я рассказываю с своей книге «Определяющее поведение» («Governing behavior»), в ходе экспериментов был выявлен целый ряд механизмов принятия решений в нервных системах: от диктатуры до олигархии и демократии.
Нейронная диктатура
В некоторых типах поведения одна нервная клетка действует как диктатор, запуская целый ряд движений при помощи электрических сигналов, которые она использует как сообщения. (Мы, нейробиологи, называем такие сигналы потенциалами действия, или спайками). Представьте себе, что вы тронули хвост краба: один спайк в латеральном гигантском нейроне провоцирует быстрый удар хвоста, который заставляет животное вскочить вверх, избежав возможной опасности. Эти движения происходят примерно через одну сотую секунды после прикосновения.
Точно так же единственный спайк в гигантской маутнеровской клетке в мозге рыбы заставляет ее сделать резкое движение, позволяющее уйти от опасности и уплыть в надежное укрытие. (Это единственный доказанный «командный нейрон» у позвоночного).
Каждый из этих нейронов-диктаторов необычно большого размера, особенно его аксон, длинная узкая часть клетки, передающая спайки на длинные расстояния. Каждый нейрон-диктатор расположен в самом верху иерархии, он объединяет сигналы от разных сенсорных нейронов и передает команды многочисленным группам подчиненных нейронов, вызывающих в свою очередь сокращения мышц.
Такая клеточная диктатура — обычное явление при реакции на опасность (побегах), особенно у беспозвоночных. Нейроны-диктаторы также контролируют другие виды движений, которые в основе своей всякий раз неизменны, — например, стрекот сверчка.
Командный подход
Однако клетки-диктаторы — это еще не все. Крабы могут ударить хвостом и иначе: при помощи небольшой группы других нейронов, которые действуют по принципу олигархии.
Эти «негигантские» побеги очень похожи на те, что вызваны гигантскими нейронами, но они запускаются немного позже и допускают большую вариативность в деталях. Так, когда краб понимает, что он в опасности, и ему дается больше времени на реакцию, он обычно прибегает к помощи олигархов, а не диктатора.
Точно таким же образом, если маутнеровская клетка рыбы погибла, животное все равно может избегать опасных ситуаций. Рыба может быстро совершать необходимые для побега движения, используя небольшой набор других нейронов, но эти движения запускаются не так быстро.
Эта избыточность вполне осмысленна: было бы слишком рискованно доверять побег от хищника одному нейрону, не обеспечив его поддержкой, ведь любое его повреждение или нарушение в его работе стало бы смертельной угрозой для животного. Поэтому эволюция обеспечила разные способы запуска механизмов побега.
Нейронная олигархия может также использоваться при нашем восприятии высокого уровня, например, при узнавании лица человека.
Большинство побеждает
Во множестве других видов поведения, однако, нервные системы принимают решения, прибегая к чему-то вроде той самой демократии, о которой говорил Шеррингтон.
Например, когда обезьяна тянется к какому-то предмету, многие нейроны в двигательной области коры ее головного мозга генерируют спайки. Каждый нейрон дает импульс движений в разных направлениях, но у каждого есть одно заданное, доминирующее направление.
Ученые предположили, что каждый из нейронов в определенной степени участвует во всех движениях, но наибольший его потенциал выражается в его заданном направлении. Чтобы доказать это, они наблюдали за разными нейронами и произвели ряд вычислений.
Ученые оценили уровень спайков в нескольких нейронах, когда обезьяна тянулась к нескольким целям. Затем для каждой заданной цели они обозначили нейрон при помощи вектора, его стрелка указывает заданное направление нейрона (когда его спайк достигает пика), а длина указывает интенсивность спайка для каждой конкретной цели. Результаты были подсчитаны (среднее значение для каждого вектора), и ученые получили возможность точного прогноза результата движений, исходя из посылаемых нейронами сигналов.
Это напоминает выборы среди нейронов, в которых некоторые нейроны голосуют чаще, чем другие. Пример наглядно представлен на схеме. Бледные фиолетовые линии представляют собой «голоса» в пользу движений отдельных нейронов. Оранжевая линия («вектор населения») указывает их суммированное направление. Желтая линия — реальное направление движения, которое весьма похоже на прогноз вектора населения. Ученые назвали это кодированием населения.
В поведении некоторых животных можно протестировать демократию нервной системы, нарушив ход выборов. Например, обезьяны (и люди) делают движения, которые называются «саккады» — быстрый переход глаз с одного фокуса на другой. Саккады провоцируют нейроны в той части мозга, которая называется верхний холмик. Как в примере с обезьяной, в этих нейронах возникают спайки при разных саккадах, но наиболее интенсивные спайки вызывают заданное направление и расстояние. Если одна часть верхнего холмика находится под наркозом (лишая избирательных прав некоторых избирателей), все саккады уходят с направления и расстояния, которым отдавали предпочтение умолкшие избиратели. Выборы были сфальсифицированы.
Манипуляция с одноклеточными показала, что пиявки тоже проводят свои выборы. Пиявки изгибают тела, избегая контакта с кожей. Это движение определяется коллективными действиями небольшого количества нейронов, некоторые из которых голосовали за этот результат, а другие — за другой (но большинство выиграло).
Если к пиявке прикоснуться сверху, она отклоняется от прикосновения. Если нейрон, обычно реагирующий на прикосновения снизу, стимулируется электричеством, пиявка будет изгибаться приблизительно в противоположном направлении (на схеме посередине). Если прикосновение и электростимуляция происходят одновременно, пиявка выгибается в промежуточном направлении (на схеме справа).
Такой исход не идет ни в пользу одного, ни в пользу другого источника стимула, однако таковы результаты выборов, — достигается своего рода компромисс между двумя крайностями. Как будто члены политической партии собираются, чтобы создать свою программу. Учитывая желания разных сторон в партии, можно будет достичь компромисса где-то на полпути.
Демонстрировались и другие многочисленные примеры нейронных демократий. Демократией определяется то, что мы видим, слышим, чувствуем, обоняем, от сверчков и дрозофил до людей. Например, мы воспринимаем цвет благодаря пропорциональному голосованию трех видов фоторецепторов, соответствующих каждый своей длине световой волны, как предположил в 1802 г. физик и врач Томас Янг. Одно из преимуществ нейронных демократий — в том, что непостоянство в спайках каждого из нейронов уравновешивается в голосовании, поэтому восприятие и движения, на самом деле, гораздо более точны, чем если бы они зависели от одного или нескольких нейронов. К тому же, если некоторые нейроны оказываются повреждены, остается много запасных, готовых их подменить.
Однако, в отличие от государств, нервные системы могут использовать различные формы правления одновременно. Нейронная диктатура может сосуществовать с олигархией и демократией. Диктатор, действуя быстрее всех, может спровоцировать начало действия, пока другие нейроны проведут сопутствующую работу. Здесь не должно быть единой формы правления, так как последствия поведения увеличивают шансы выживания и репродукции.
