Comment l'architecture de notre cerveau et de nos neurones permet-elle à chacun de faire des choix comportementaux individuels? Les scientifiques ont longtemps utilisé la métaphore du gouvernement pour expliquer comment ils pensent que les systèmes nerveux sont organisés pour la prise de décision. Sommes-nous à la racine d'une démocratie, comme les citoyens britanniques votant pour le Brexit? Une dictature, comme le leader nord-coréen ordonnant un lancement de missiles? Un ensemble de factions en concurrence pour le contrôle, comme ceux de l'armée turque? Ou autre chose?

In 1890, psychologue William James a soutenu qu'en chacun de nous «[il] y a ... une [cellule nerveuse] centrale ou pontificale à laquelle notre conscience est attachée». 1941, physiologiste et lauréat du prix Nobel Sir Charles Sherrington Il a plaidé contre l'idée d'une seule cellule pontificale responsable, suggérant plutôt que le système nerveux est «une démocratie millionnaire dont chaque unité est une cellule».

Alors qui avait raison?

Pour des raisons éthiques, nous sommes rarement justifiés de surveiller des cellules individuelles dans le cerveau de personnes en bonne santé. Mais il est possible de révéler les mécanismes cellulaires du cerveau chez de nombreux animaux non humains. Comme je le raconte dans mon livre "Comportement Gouvernant" Les expériences ont révélé une gamme d'architectures décisionnelles dans les systèmes nerveux - de la dictature à l'oligarchie et à la démocratie.

Une dictature neurale

Pour certains comportements, une seule cellule nerveuse agit comme un dictateur, déclenchant un ensemble de mouvements via les signaux électriques qu'elle utilise pour envoyer des messages. (Nous neurobiologistes appelons ces signaux Potentiels d'actionou des épis.) Prenez l'exemple de toucher une écrevisse sur sa queue; une seule pointe dans le neurone géant latéral déclenche un retournement rapide de la queue qui voûte l'animal vers le haut, hors de danger potentiel. Ces mouvements commencent à environ un centième de seconde du toucher.

De même, un seul pic dans le neurone Mauthner géant dans le cerveau d'un poisson déclenche un mouvement d'échappement qui détourne rapidement le poisson d'une menace pour qu'il puisse nager en toute sécurité. (Ceci est le seul "neurone de commande" confirmé chez un vertébré.)

Chacun de ces neurones du dictateur est exceptionnellement grand, en particulier son axone, la partie longue et étroite de la cellule qui transmet les pointes sur de longues distances. Chaque neurone dictateur se situe au sommet d'une hiérarchie, intégrant les signaux de nombreux neurones sensoriels et transmettant ses ordres à un vaste ensemble de neurones subordonnés qui provoquent eux-mêmes des contractions musculaires.

De telles dictatures cellulaires sont courantes pour les mouvements d'évasion, en particulier chez les invertébrés. Ils contrôlent également d'autres types de mouvements qui sont essentiellement identiques chaque fois qu'ils se produisent, y compris criquet de cricket.

Approche de petite équipe

Mais ces cellules dictatoriales ne sont pas toute l'histoire. Écrevisses peuvent déclencher une queue-flip d'une autre manière - via un autre petit ensemble de neurones agir efficacement comme une oligarchie.

Ces évasions "non-géantes" sont très similaires à celles déclenchées par les neurones géants, mais commencent un peu plus tard et permettent plus de flexibilité dans les détails. Ainsi, quand une écrevisse est consciente qu'elle est en danger et a plus de temps pour répondre, elle utilise généralement une oligarchie au lieu de son dictateur.

De même, même si le neurone Mauthner d'un poisson est tué, l'animal peut toujours échapper à des situations dangereuses. Il peut rapidement effectuer des mouvements d'évacuation similaires à l'aide d'un petit ensemble d'autres neurones, bien que ces actions commencent un peu plus tard.

Cette redondance est logique: il serait très risqué de faire confiance à un prédateur pour échapper à un seul neurone, sans aucune sauvegarde - blessure ou dysfonctionnement de ce neurone serait alors la vie en danger. L'évolution a donc fourni plusieurs façons d'initier l'évasion.

Les oligarchies neuronales peuvent aussi servir de médiateur à nos propres perceptions de haut niveau, comme lorsque nous reconnaître un visage humain.

Victoire majoritaire

Cependant, pour de nombreux autres comportements, les systèmes nerveux prennent des décisions à travers quelque chose comme la «démocratie au million de fois» de Sherrington.

Par exemple, quand un singe atteint son bras, de nombreux neurones dans le cortex moteur de son cerveau génèrent des pics. Chaque neurone pointe pour des mouvements dans plusieurs directions; mais chacun a une direction particulière qui le fait pointer le plus.

Les chercheurs ont émis l’hypothèse que chaque neurone contribue à un certain degré à atteindre tous les neurones, mais que le pic atteint le plus. Pour comprendre, ils ont surveillé de nombreux neurones et ont fait des calculs.

Les chercheurs ont mesuré le taux de pointes dans plusieurs neurones quand un singe a atteint plusieurs cibles. Ensuite, pour une seule cible, ils représentaient chaque neurone par un vecteur - son angle indique la direction d'atteinte préférée du neurone (quand il pointe le plus) et la longueur indique son taux relatif de dopage pour cette cible particulière. Ils ont mathématiquement résumé leurs effets (une moyenne vectorielle pondérée) prédire de manière fiable le résultat du mouvement de tous les messages que les neurones envoyaient.

C'est comme une élection neuronale dans laquelle certains neurones votent plus souvent que d'autres. Un exemple est montré sur la figure. Les lignes violet pâle représentent les votes de mouvement des neurones individuels. La ligne orange (le «vecteur de population») indique leur direction additionnée. La ligne jaune indique la direction réelle du mouvement, ce qui est assez similaire à la prédiction du vecteur de population. Les chercheurs ont appelé ce codage de la population.

Pour certains animaux et comportements, il est possible de tester la version de la démocratie du système nerveux en perturbant l'élection. Par exemple, les singes (et les personnes) font des mouvements appelés «saccades» pour déplacer rapidement les yeux d'un point de fixation à un autre. Les saccades sont déclenchées par des neurones dans une partie du cerveau appelée colliculus supérieur. Comme dans l'exemple du singe atteint ci-dessus, ces neurones piquent chacun pour une grande variété de saccades, mais pic le plus pour une direction et la distance. Si une partie du colliculus supérieur est anesthésiée - priver de ses droits un groupe particulier d'électeurs - tous les saccades sont déplacées de la direction et de la distance que les électeurs maintenant silencieux avaient préféré. L'élection a été truquée.

Une manipulation unicellulaire a démontré que les sangsues tiennent aussi des élections. Les sangsues plient leurs corps d'un contact à leur peau. Le mouvement est dû aux effets collectifs d'un petit nombre de neurones, dont certains ont voté pour le résultat et certains ont voté autrement (mais ont été mis en minorité).

Si la sangsue est touchée sur le dessus, elle tend à s'éloigner de ce contact. Si un neurone qui répond normalement à des touchers sur le fond est stimulé électriquement à la place, la chute a tendance à se pencher dans approximativement la direction opposée (le panneau central de la figure). Si ce contact et ce stimulus électrique se produisent simultanément, la chute se courbe dans une direction intermédiaire (le panneau de droite de la figure).

Ce résultat n'est pas optimal pour un stimulus individuel, mais n'en est pas moins le résultat d'une élection, une sorte de compromis entre deux extrêmes. C'est comme quand un parti politique se réunit à une convention pour mettre en place une plate-forme. Prendre en compte ce que veulent les différentes ailes de la partie peut conduire à un compromis quelque part au milieu.

De nombreux autres exemples de démocraties neuronales ont été démontrés. Les démocraties déterminent ce que nous voyons, entendons, sentons et sentons, depuis les grillons et les mouches des fruits jusqu'aux humains. Par exemple, nous percevons les couleurs à travers le vote proportionnel de trois types de photorécepteurs qui répondent chacun mieux à une longueur d'onde différente de la lumière, en tant que physicien et médecin Thomas Young proposé dans 1802. L'un des avantages des démocraties neuronales est que la variabilité dans le dopage d'un seul neurone est moyennée dans le vote, de sorte que les perceptions et les mouvements sont en fait plus précis que s'ils dépendaient d'un ou de quelques neurones. De plus, si certains neurones sont endommagés, il en reste beaucoup d'autres pour prendre le relais.

Contrairement aux pays, cependant, les systèmes nerveux peuvent mettre en œuvre simultanément plusieurs formes de gouvernement. Une dictature neuronale peut coexister avec une oligarchie ou une démocratie. Le dictateur, agissant le plus rapidement, peut déclencher l'apparition d'un comportement tandis que d'autres neurones affinent les mouvements qui s'ensuivent. Il n'y a pas besoin d'une forme unique de gouvernement tant que les conséquences comportementales augmentent la probabilité de survie et de reproduction.

A propos de l'auteur

Ari Berkowitz, professeur présidentiel de biologie; Directeur, Programme d'études supérieures en neurobiologie cellulaire et comportementale, Université d'Oklahoma

Cet article a été publié initialement le The Conversation. Lis le article original.

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