Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el artículo original.
¿Cómo la arquitectura de nuestro cerebro y neuronas nos permite a cada uno de nosotros tomar decisiones de comportamiento individuales? Los científicos han usado durante mucho tiempo la metáfora del gobierno para explicar cómo creen 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?
En 1890, el psicólogo William James argumentó que en cada uno de nosotros "[t] aquí hay ... una [célula nerviosa] central o pontificia a la que está unida nuestra conciencia". Pero en 1941, el 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 de veces cuya unidad es una célula". Entonces, ¿quién tenía razón?
Por razones éticas, rara vez se justifica el monitoreo de células individuales en el cerebro de personas sanas. Pero es factible revelar los mecanismos celulares del cerebro en muchos animales no humanos. Como cuento en mi libro "Governing Behavior", los experimentos han revelado una variedad de arquitecturas de toma de decisiones en los sistemas nerviosos, desde la dictadura hasta la oligarquía y la democracia.
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. (Nosotros, los neurobiólogos, llamamos a esas señales potenciales de acción o picos). Tomemos el ejemplo de tocar un cangrejo de río en su cola; Una sola espiga en la neurona gigante lateral provoca un rápido giro de la cola que hace saltar al animal hacia arriba, fuera de peligro potencial. Estos movimientos comienzan dentro de aproximadamente una centésima de segundo del toque.
Cangrejo de río se escapa gracias a su "neurona dictadora". Cada foto tomada 10 centésimas de segundo de diferencia. (Jens Herberholz y Abigail Schadegg, Universidad de Maryland, College Park) Del mismo modo, un solo pico en la neurona gigante de Mauthner en el cerebro de un pez provoca un movimiento de escape que rápidamente aleja al pez de una amenaza para que pueda nadar hacia un lugar seguro. (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 a 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 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, incluido el canto del grillo.
Pero estas células dictatoriales no son toda la historia. El cangrejo de río también puede desencadenar un giro de la cola de otra manera, a través de otro pequeño conjunto de neuronas que efectivamente actúan 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 de río es consciente de que está en peligro y tiene más tiempo para responder, generalmente utiliza una oligarquía en lugar de su dictador.
Del mismo modo, incluso si se mata la neurona Mauthner de un pez, el animal aún puede escapar de situaciones peligrosas. Puede realizar rápidamente movimientos de escape similares utilizando 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 lesiones de respaldo o mal funcionamiento de esa neurona, entonces sería potencialmente mortal. Entonces la evolución ha proporcionado múltiples formas de iniciar el escape.
Las sanguijuelas tienen una elección neuronal antes de retroceder ante tu toque. (Vitalii Hulai / iStock) Las oligarquías neuronales también pueden mediar nuestras propias percepciones de alto nivel, como cuando reconocemos un rostro humano. Sin embargo, para muchos otros comportamientos, los sistemas nerviosos toman decisiones a través de algo como la "democracia millonaria" de Sherrington.
Por ejemplo, cuando un mono extiende su brazo, muchas neuronas en la corteza motora del cerebro generan picos. Cada neurona aumenta su movimiento en muchas direcciones, pero cada una tiene una dirección particular que hace que aumente más.
Los investigadores plantearon la hipótesis de que cada neurona contribuye a todos los alcances hasta cierto punto, pero aumenta al máximo los alcances a los que más contribuye. Para resolverlo, monitorearon muchas neuronas e hicieron algunos cálculos.
Los investigadores midieron la tasa de picos en varias neuronas cuando un mono alcanzó varios objetivos. Luego, para un solo objetivo, representaron a cada neurona por un vector: su ángulo indica la dirección de alcance preferida de la neurona (cuando es más alta) y la longitud indica su tasa relativa de aumento para este objetivo en particular. Sumaron matemáticamente sus efectos (un promedio vectorial ponderado) y pudieron predecir de manera confiable el resultado del movimiento de todos los mensajes que las neuronas enviaban.
Esto es como una elección neuronal en la que algunas neuronas votan con más frecuencia que otras. Un ejemplo se muestra en la figura. Las líneas violetas pálidas representan los votos de movimiento de las neuronas individuales. La línea naranja (el "vector de población") indica su dirección sumada. La línea amarilla indica la dirección real del movimiento, que es bastante similar a la predicción del vector de población. Los investigadores llamaron a esta codificación de población.
Para algunos animales y comportamientos, es posible probar la versión de democracia del sistema nervioso perturbando las elecciones. Por ejemplo, los monos (y las personas) hacen movimientos llamados "sacadas" para cambiar rápidamente los ojos de un punto de fijación a otro. Las neuronas desencadenan las sacádicas en una parte del cerebro llamada colículo superior. Al igual que en el ejemplo del alcance del mono anterior, estas neuronas se disparan para una amplia variedad de sacadas pero se disparan más para una dirección y distancia. Si se anestesia una parte del colículo superior, privando de sus derechos a un conjunto particular de votantes, todas las sacádicas se alejan de la dirección y la distancia que los votantes ahora silenciosos habían preferido. La elección ahora ha sido manipulada.
Una manipulación unicelular 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).
Perturbando un movimiento sanguijuela "elección". Izquierda: los investigadores tocaron la piel del animal en un lugar indicado por la flecha. Cada línea continua es la dirección en que la sanguijuela se alejó de este toque en una prueba. Medio: la estimulación eléctrica a una neurona sensorial diferente hizo que la sanguijuela se doblara en una dirección diferente. Derecha: los investigadores tocaron la piel y estimularon la neurona simultáneamente y la sanguijuela se dobló en direcciones intermedias. (Reimpreso con permiso de Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis y WB Kristan, Nature 391: 76-79, copyright 1998) Si la sanguijuela se toca en la parte superior, tiende a doblarse lejos de este toque. Si una neurona que normalmente responde a toques en la parte inferior es estimulada eléctricamente, la sanguijuela tiende a doblarse aproximadamente en la dirección opuesta (el panel central de la figura). Si este toque y este estímulo eléctrico ocurren simultáneamente, la sanguijuela realmente se dobla en una dirección intermedia (el panel derecho de la figura).
Este resultado no es óptimo para ninguno de los estímulos individuales, pero no obstante es 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. Tener en cuenta lo que quieren las distintas alas del partido puede llevar a un compromiso en algún punto intermedio.
Se han demostrado muchos otros 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 los colores a través del voto proporcional de tres tipos de fotorreceptores que responden mejor a una longitud de onda de luz diferente, como propuso el físico y médico Thomas Young en 1802. Una de las ventajas de las democracias neuronales es esa variabilidad en una sola neurona. los picos se promedian 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, quedan muchas otras para tomar el relevo.
Sin embargo, a diferencia de los países, 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 afinan los movimientos posteriores. No es necesario que exista una sola forma de gobierno siempre que las consecuencias conductuales aumenten la probabilidad de supervivencia y reproducción.
