Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation. Baca artikel aslinya.
Bagaimana arsitektur otak dan neuron kita memungkinkan kita masing-masing untuk membuat pilihan perilaku individu? Para ilmuwan telah lama menggunakan metafora pemerintah untuk menjelaskan bagaimana mereka berpikir sistem saraf diatur untuk pengambilan keputusan. Apakah kita pada dasarnya demokrasi, seperti warga negara Inggris memilih Brexit? Kediktatoran, seperti pemimpin Korea Utara yang memerintahkan peluncuran rudal? Serangkaian faksi bersaing untuk mendapatkan kontrol, seperti yang ada dalam militer Turki? Atau sesuatu yang lain?
Pada tahun 1890, psikolog William James berargumen bahwa di dalam diri kita masing-masing “[t] di sini adalah… satu [sel saraf] pusat atau kepausan yang melekatkan kesadaran kita.” Tetapi pada tahun 1941, ahli fisiologi dan pemenang hadiah Nobel Sir Charles Sherrington membantah gagasan itu. dari satu sel kepausan yang bertanggung jawab, lebih menunjukkan bahwa sistem saraf adalah "demokrasi jutaan kali lipat yang masing-masing unit adalah sel." Jadi siapa yang benar?
Untuk alasan etis, kami jarang dibenarkan dalam memantau sel tunggal di otak orang sehat. Tetapi layak untuk mengungkapkan mekanisme seluler otak pada banyak hewan bukan manusia. Ketika saya menceritakan dalam buku saya “Governing Behavior, ” eksperimen telah mengungkapkan sejumlah arsitektur pengambilan keputusan dalam sistem saraf - dari kediktatoran, ke oligarki, ke demokrasi.
Untuk beberapa perilaku, sel saraf tunggal bertindak sebagai diktator, memicu seluruh rangkaian gerakan melalui sinyal listrik yang digunakannya untuk mengirim pesan. (Kami para ahli neurobiologi menyebut sinyal itu potensial aksi, atau paku.) Ambil contoh menyentuh seekor udang karang di ekornya; lonjakan tunggal di neuron raksasa lateral memunculkan flip-flip cepat yang melompat hewan ke atas, dari potensi bahaya. Gerakan-gerakan ini dimulai dalam sekitar seperseratus detik dari sentuhan.
Crayfish lolos berkat "neuron diktatornya." Setiap foto diambil 10/10 detik terpisah. (Jens Herberholz dan Abigail Schadegg, Universitas Maryland, College Park) Demikian pula, lonjakan tunggal pada neuron Mauthner raksasa di otak seekor ikan menimbulkan gerakan pelarian yang dengan cepat mengubah ikan menjauh dari ancaman sehingga bisa berenang ke tempat yang aman. (Ini adalah satu-satunya "perintah neuron" di vertebrata.)
Masing-masing "neuron diktator" ini luar biasa besar — terutama aksonnya, bagian sel yang panjang dan sempit yang mentransmisikan lonjakan jarak jauh. Setiap neuron diktator duduk di puncak hierarki, mengintegrasikan sinyal dari banyak neuron sensorik, dan menyampaikan perintahnya ke sejumlah besar neuron yang patuh yang dengan sendirinya menyebabkan kontraksi otot.
Kediktatoran seluler seperti itu biasa terjadi pada gerakan pelarian, terutama pada invertebrata. Mereka juga mengontrol jenis gerakan lain yang pada dasarnya identik setiap kali terjadi, termasuk kicau kriket.
Tetapi sel-sel diktator ini bukan keseluruhan cerita. Crayfish dapat memicu ekor-membalik dengan cara lain juga - melalui set kecil neuron yang secara efektif bertindak sebagai oligarki.
Ini "non-raksasa" lolos sangat mirip dengan yang dipicu oleh neuron raksasa, tetapi mulai sedikit kemudian dan memungkinkan lebih banyak fleksibilitas dalam detail. Jadi, ketika seekor udang karang menyadari bahwa ia dalam bahaya dan memiliki lebih banyak waktu untuk merespons, ia biasanya menggunakan oligarki alih-alih diktatornya.
Demikian pula, bahkan jika neuron Mauthner ikan terbunuh, hewan itu masih dapat melarikan diri dari situasi berbahaya. Ini dapat dengan cepat membuat gerakan melarikan diri yang serupa menggunakan satu set kecil neuron lain, meskipun tindakan ini dimulai sedikit kemudian.
Redundansi ini masuk akal: akan sangat berisiko untuk percaya melarikan diri dari predator ke neuron tunggal, tanpa cadangan-cedera atau kerusakan neuron yang kemudian akan mengancam jiwa. Jadi evolusi telah menyediakan banyak cara untuk memulai pelarian.
Lintah mengadakan pemilihan neuron sebelum mundur dari sentuhan Anda. (Vitalii Hulai / iStock) Oligarki neuron juga dapat memediasi persepsi tingkat tinggi kita sendiri, seperti ketika kita mengenali wajah manusia. Namun, untuk banyak perilaku lain, sistem saraf membuat keputusan melalui sesuatu seperti “jutaan demokrasi kali” Sherrington.
Misalnya, ketika seekor monyet menjangkau lengannya, banyak neuron di korteks motorik otaknya menghasilkan paku. Setiap neuron melonjak untuk bergerak ke berbagai arah, tetapi masing-masing memiliki satu arah tertentu yang membuatnya paling lonjakan.
Para peneliti berhipotesis bahwa setiap neuron berkontribusi untuk semua mencapai beberapa derajat, tetapi paku yang paling untuk mencapai itu berkontribusi paling banyak. Untuk mengetahuinya, mereka memantau banyak neuron dan melakukan perhitungan.
Para peneliti mengukur tingkat paku di beberapa neuron ketika seekor monyet mencapai beberapa sasaran. Kemudian, untuk satu target, mereka mewakili masing-masing neuron dengan vektor — sudutnya menunjukkan arah jangkauan yang diinginkan neuron (ketika itu paling banyak) dan panjangnya menunjukkan tingkat relatif dari spiking untuk target khusus ini. Mereka secara matematis merangkum efeknya (rata-rata vektor tertimbang) dan andal dapat memprediksi hasil pergerakan semua pesan yang dikirim neuron.
Ini seperti pemilihan neuronal di mana beberapa neuron memilih lebih sering daripada yang lain. Contoh ditunjukkan pada gambar. Garis ungu pucat mewakili suara gerakan neuron individu. Garis oranye ("vektor populasi") menunjukkan arah penjumlahannya. Garis kuning menunjukkan arah gerakan aktual, yang sangat mirip dengan prediksi vektor populasi. Para peneliti menyebut pengkodean populasi ini.
Untuk beberapa hewan dan perilaku, dimungkinkan untuk menguji versi demokrasi sistem saraf dengan mengganggu pemilihan. Misalnya, monyet (dan manusia) membuat gerakan yang disebut “saklet” untuk dengan cepat mengalihkan mata dari satu titik fiksasi ke titik fiksasi lainnya. Sakar dipicu oleh neuron di bagian otak yang disebut colliculus superior. Seperti pada contoh jangkauan monyet di atas, neuron-neuron ini masing-masing lonjakan untuk berbagai macam sakar, tetapi paling lonjakan untuk satu arah dan jarak. Jika salah satu bagian dari colliculus superior dibius - menghilangkan hak memilih satu set pemilih tertentu - semua saccades bergeser jauh dari arah dan jarak yang disukai pemilih yang diam. Pemilihan sekarang telah dicurangi.
Manipulasi sel tunggal menunjukkan bahwa lintah juga mengadakan pemilihan. Lintah menekuk tubuh mereka dari sentuhan ke kulit mereka. Pergerakan ini disebabkan oleh efek kolektif sejumlah kecil neuron, beberapa di antaranya memberikan suara untuk hasil yang dihasilkan dan beberapa di antaranya memberikan suara sebaliknya (tetapi kalah suara).
Mengganggu gerakan lintah "pemilihan." Kiri: peneliti menyentuh kulit binatang di lokasi yang ditunjukkan oleh panah. Setiap garis solid adalah arah lintah yang ditekuk dari sentuhan ini pada satu percobaan. Tengah: stimulasi listrik ke neuron sensorik yang berbeda membuat lintah menekuk ke arah yang berbeda. Kanan: Para peneliti menyentuh kulit dan menstimulasi neuron secara bersamaan dan lintah membungkuk ke arah tengah. (Dicetak ulang dengan izin dari Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis dan WB Kristan, Nature 391: 76-79, hak cipta 1998) Jika lintah disentuh di bagian atas, ia cenderung menekuk dari sentuhan ini. Jika neuron yang biasanya merespons sentuhan di bagian bawah dirangsang secara elektrik, lintah cenderung membungkuk kira-kira ke arah yang berlawanan (panel tengah gambar). Jika sentuhan ini dan rangsangan listrik ini terjadi secara bersamaan, lintah sebenarnya membengkok ke arah tengah (panel kanan gambar).
Hasil ini tidak optimal untuk stimulus individu tetapi tetap hasil pemilihan, semacam kompromi antara dua ekstrem. Ini seperti ketika sebuah partai politik berkumpul di sebuah konvensi untuk menyusun sebuah platform. Mempertimbangkan apa yang diinginkan berbagai sayap partai dapat menyebabkan kompromi di suatu tempat di tengah.
Banyak contoh lain dari demokrasi neuronal telah dibuktikan. Demokrasi menentukan apa yang kita lihat, dengar, rasakan, dan cium, mulai dari jangkrik dan lalat buah hingga manusia. Sebagai contoh, kami merasakan warna melalui pemungutan suara proporsional dari tiga jenis fotoreseptor yang masing-masing merespon terbaik terhadap panjang gelombang cahaya yang berbeda, seperti yang diusulkan oleh fisikawan dan dokter Thomas Young pada 1802. Salah satu keunggulan demokrasi neuronal adalah variabilitas dalam neuron tunggal. spiking rata-rata dalam pemungutan suara, sehingga persepsi dan gerakan sebenarnya lebih tepat daripada jika mereka bergantung pada satu atau beberapa neuron. Juga, jika beberapa neuron rusak, banyak neuron yang tersisa untuk mengendur.
Tidak seperti negara, sistem saraf dapat mengimplementasikan berbagai bentuk pemerintahan secara bersamaan. Kediktatoran saraf dapat hidup berdampingan dengan oligarki atau demokrasi. Diktator, yang bertindak paling cepat, dapat memicu timbulnya suatu perilaku sementara neuron lain memperbaiki gerakan selanjutnya. Tidak perlu ada satu bentuk pemerintahan selama konsekuensi perilaku meningkatkan kemungkinan bertahan hidup dan reproduksi.
