Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation. Leia o artigo original.
Como a arquitetura do nosso cérebro e dos neurônios permite que cada um de nós faça escolhas comportamentais individuais? Os cientistas usam há muito a metáfora do governo para explicar como eles acham que os sistemas nervosos são organizados para a tomada de decisões. Somos, na raiz, uma democracia, como os cidadãos do Reino Unido que votam no Brexit? Uma ditadura, como o líder norte-coreano ordenando o lançamento de um míssil? Um conjunto de facções que competem pelo controle, como as que estão dentro das forças armadas turcas? Ou alguma outra coisa?
Em 1890, o psicólogo William James argumentou que em cada um de nós “[...] existe uma célula nervosa central ou pontifícia à qual nossa consciência está ligada”. Mas em 1941, o fisiologista e Prêmio Nobel Charles Sherrington argumentou contra a idéia. de uma única célula pontifícia no comando, sugerindo que o sistema nervoso é "um milhão de vezes a democracia, em que cada unidade é uma célula". Então, quem estava certo?
Por razões éticas, raramente nos justificam o monitoramento de células isoladas no cérebro de pessoas saudáveis. Mas é possível revelar os mecanismos celulares do cérebro em muitos animais não humanos. Como relato em meu livro “Governing Behavior”, experimentos revelaram uma gama de arquiteturas de tomada de decisão em sistemas nervosos - da ditadura à oligarquia, à democracia.
Para alguns comportamentos, uma única célula nervosa atua como um ditador, acionando todo um conjunto de movimentos através dos sinais elétricos que usa para enviar mensagens. (Nós, neurobiólogos, chamamos esses sinais de potenciais de ação, ou picos). Tomemos o exemplo de tocar um lagostim em sua cauda; um único pico no neurônio gigante lateral provoca um rápido salto de cauda que eleva o animal para cima, fora do perigo potencial. Esses movimentos começam em cerca de um centésimo de segundo do toque.
O lagostim escapa graças ao seu "neurônio ditador". Cada foto tirada com 10 centésimos de segundo. (Jens Herberholz e Abigail Schadegg, Universidade de Maryland, College Park) Da mesma forma, um único pico no neurônio gigante Mauthner, no cérebro de um peixe, provoca um movimento de fuga que rapidamente afasta os peixes de uma ameaça para que possa nadar em segurança. (Este é o único "neurônio de comando" confirmado em um vertebrado.)
Cada um desses "neurônios ditadores" é incomumente grande - especialmente seu axônio, a parte longa e estreita da célula que transmite picos em longas distâncias. Cada neurônio ditador está no topo de uma hierarquia, integrando sinais de muitos neurônios sensoriais e transmitindo suas ordens a um grande conjunto de neurônios subservientes que, eles mesmos, causam contrações musculares.
Tais ditaduras celulares são comuns para movimentos de fuga, especialmente em invertebrados. Eles também controlam outros tipos de movimentos que são basicamente idênticos sempre que ocorrem, incluindo o chilrear dos grilos.
Mas essas células ditatoriais não são a história toda. O lagostim também pode desencadear uma mudança de cauda - por meio de outro pequeno conjunto de neurônios que efetivamente atuam como uma oligarquia.
Essas fugas “não-gigantes” são muito semelhantes àquelas desencadeadas por neurônios gigantes, mas começam um pouco mais tarde e permitem mais flexibilidade nos detalhes. Assim, quando um lagostim está ciente de que está em perigo e tem mais tempo para responder, ele tipicamente usa uma oligarquia em vez de seu ditador.
Da mesma forma, mesmo que o neurônio Mauthner de um peixe seja morto, o animal ainda pode escapar de situações perigosas. Ele pode rapidamente fazer movimentos de fuga semelhantes usando um pequeno conjunto de outros neurônios, embora essas ações comecem um pouco mais tarde.
Essa redundância faz sentido: seria muito arriscado confiar na fuga de um predador para um único neurônio, sem nenhum dano - a lesão ou o mau funcionamento desse neurônio seriam, então, ameaçadores à vida. Então a evolução forneceu várias maneiras de iniciar a fuga.
As sanguessugas seguram uma eleição de neurônio antes de recuarem de seu toque. (Vitalii Hulai / iStock) As oligarquias neuronais também podem mediar nossas próprias percepções de alto nível, como quando reconhecemos um rosto humano. Para muitos outros comportamentos, no entanto, os sistemas nervosos tomam decisões por meio de algo como a "democracia milionária" de Sherrington.
Por exemplo, quando um macaco estende o braço, muitos neurônios no córtex motor do cérebro geram picos. Todos os neurônios disparam para movimentos em várias direções, mas cada um deles tem uma direção específica que faz com que seja mais espetacular.
Os pesquisadores levantaram a hipótese de que cada neurônio contribui para todos os níveis, mas é o que mais contribui para a maioria dos casos. Para descobrir isso, eles monitoraram muitos neurônios e fizeram algumas contas.
Pesquisadores mediram a taxa de picos em vários neurônios quando um macaco alcançou vários alvos. Então, para um único alvo, eles representavam cada neurônio por um vetor - seu ângulo indica a direção de alcance preferida do neurônio (quando ele atinge a maior parte) e o comprimento indica sua taxa relativa de spiking para esse alvo em particular. Eles somavam matematicamente seus efeitos (uma média vetorial ponderada) e podiam prever com segurança o resultado do movimento de todas as mensagens que os neurônios estavam enviando.
Isso é como uma eleição neuronal em que alguns neurônios votam com mais frequência que outros. Um exemplo é mostrado na figura. As linhas violeta-pálidas representam os votos de movimento dos neurônios individuais. A linha laranja (o “vetor da população”) indica sua direção resumida. A linha amarela indica a direção do movimento real, que é bastante semelhante à previsão do vetor da população. Os pesquisadores chamaram essa codificação populacional.
Para alguns animais e comportamentos, é possível testar a versão democrática do sistema nervoso perturbando a eleição. Por exemplo, macacos (e pessoas) fazem movimentos chamados “sacadas” para mudar rapidamente os olhos de um ponto de fixação para outro. Sacadas são desencadeadas por neurônios em uma parte do cérebro chamada colículo superior. Como no exemplo do alcance dos macacos acima, esses neurônios disparam para uma ampla variedade de sacadas, mas têm um pico maior em uma direção e distância. Se uma parte do colículo superior é anestesiada - privando um determinado grupo de eleitores - todas as sacadas são deslocadas da direção e distância que os eleitores agora silenciosos preferiam. A eleição já foi fraudada.
Uma manipulação unicelular demonstrou que as sanguessugas também realizam eleições. As sanguessugas dobram seus corpos longe de um toque na pele. O movimento é devido aos efeitos coletivos de um pequeno número de neurônios, alguns dos quais votaram pelo resultado resultante e alguns votaram de outra forma (mas foram vencidos).
Perturbando um movimento sanguessuga "eleição". À esquerda: pesquisadores tocaram a pele do animal em um local indicado pela seta. Cada linha sólida é a direção que a sanguessuga se inclinou para longe desse toque em uma tentativa. Meio: a estimulação elétrica para um neurônio sensorial diferente fez a sanguessuga dobrar em uma direção diferente. Direita: Pesquisadores tocaram a pele e estimularam o neurônio simultaneamente e a sanguessuga inclinou-se em direções intermediárias. (Reimpresso com permissão da Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis e WB Kristan, Nature 391: 76-79, copyright 1998) Se a sanguessuga for tocada no topo, ela tenderá a se afastar desse toque. Se um neurônio que normalmente responde ao toque na parte inferior é estimulado eletricamente, a sanguessuga tende a se curvar aproximadamente na direção oposta (o painel do meio da figura). Se esse toque e esse estímulo elétrico ocorrerem simultaneamente, a sanguessuga realmente se inclina em uma direção intermediária (o painel direito da figura).
Este resultado não é ideal para qualquer estímulo individual, mas é, no entanto, o resultado da eleição, um tipo de compromisso entre dois extremos. É como quando um partido político se reúne em uma convenção para montar uma plataforma. Levando em conta que várias alas da festa querem pode levar a um compromisso em algum lugar no meio.
Numerosos outros exemplos de democracias neuronais foram demonstrados. As democracias determinam o que vemos, ouvimos, sentimos e cheiramos, desde grilos e moscas da fruta até seres humanos. Por exemplo, nós percebemos as cores através do voto proporcional de três tipos de fotorreceptores que respondem melhor a um comprimento de onda diferente, como o físico e médico Thomas Young propôs em 1802. Uma das vantagens das democracias neuronais é que a variabilidade em um único neurônio A média é calculada na votação, de modo que as percepções e os movimentos são realmente mais precisos do que se dependessem de um ou de alguns neurônios. Além disso, se alguns neurônios são danificados, muitos outros permanecem para compensar a folga.
Diferentemente dos países, entretanto, os sistemas nervosos podem implementar múltiplas formas de governo simultaneamente. Uma ditadura neuronal pode coexistir com uma oligarquia ou democracia. O ditador, agindo mais rápido, pode desencadear o início de um comportamento, enquanto outros neurônios ajustam os movimentos subsequentes. Não precisa haver uma única forma de governo, desde que as conseqüências comportamentais aumentem a probabilidade de sobrevivência e reprodução.
