Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation. Lire l'article original.
Comment l'architecture de notre cerveau et de nos neurones permet-elle à chacun de faire des choix comportementaux? Les scientifiques utilisent depuis longtemps la métaphore du gouvernement pour expliquer comment ils pensent que les systèmes nerveux sont organisés pour la prise de décision. Sommes-nous à la base d'une démocratie, comme les citoyens britanniques qui votent pour le Brexit? Une dictature, comme le chef nord-coréen ordonnant un lancement de missile? Un ensemble de factions en concurrence pour le contrôle, comme celles de l'armée turque? Ou autre chose?
En 1890, le psychologue William James expliqua en chacun de nous qu '«il y a… une [cellule nerveuse] centrale ou pontificale à laquelle notre conscience est attachée». d'une seule cellule pontificale en charge, suggérant plutôt que le système nerveux est «une démocratie à un million de fois dont chaque unité est une cellule». Alors qui avait raison?
Pour des raisons éthiques, il est rarement justifié de surveiller des cellules uniques 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 «Governing Behavior», des expériences ont révélé toute une gamme d'architectures décisionnelles dans les systèmes nerveux, de la dictature à l'oligarchie, en passant par la démocratie.
Pour certains comportements, une seule cellule nerveuse agit en tant que dictateur, déclenchant un ensemble complet de mouvements via les signaux électriques qu’elle utilise pour envoyer des messages. (Nous, les neurobiologistes, appelons ces signaux des potentiels d'action ou des pointes.) Prenons l'exemple du fait de toucher une écrevisse à la queue; une seule pointe dans le neurone géant latéral provoque un retournement de queue rapide qui permet à l'animal de se soulever vers le haut, hors de tout danger potentiel. Ces mouvements commencent à environ un centième de seconde du toucher.
Écrevisses s'échappe grâce à son "neurone dictateur". Chaque photo prise à 10 centièmes de seconde d'intervalle. (Jens Herberholz et Abigail Schadegg, Université du Maryland, College Park) De même, une seule pointe dans le neurone géant de Mauthner dans le cerveau d'un poisson provoque un mouvement d'évasion qui détourne rapidement le poisson d'une menace afin qu'il puisse nager jusqu'à la sécurité. (C’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 fondamentalement identiques chaque fois qu'ils se produisent, y compris le chant du cricket.
Mais ces cellules de dictateur ne sont pas toute l'histoire. Les écrevisses peuvent également déclencher un retournement de queue, via un autre petit groupe de neurones qui agissent efficacement comme une oligarchie.
Ces fuites «non géantes» ressemblent beaucoup à celles déclenchées par des neurones géants, mais commencent un peu plus tard et permettent plus de souplesse dans les détails. Ainsi, lorsqu'une écrevisse est consciente qu'elle est en danger et qu'elle a plus de temps pour réagir, 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'échappement similaires en utilisant un petit ensemble d'autres neurones, bien que ces actions commencent un peu plus tard.
Cette redondance a du sens: il serait très risqué de croire que l’évasion d’un prédateur vers un seul neurone, sans sauvegarde - une blessure ou un dysfonctionnement de ce neurone mettrait alors la vie en danger. Ainsi, l'évolution a fourni de multiples façons d'initier une évasion.
Les sangsues tiennent une élection de neurone avant de reculer de votre contact. (Vitalii Hulai / iStock) Les oligarchies neuronales peuvent également véhiculer nos propres perceptions de haut niveau, comme lorsque nous reconnaissons un visage humain. Cependant, pour de nombreux autres comportements, les systèmes nerveux prennent des décisions au moyen de quelque chose comme la «démocratie à un million de dollars» de Sherrington.
Par exemple, lorsqu'un singe tend la main, de nombreux neurones du cortex moteur de son cerveau génèrent des pics. Chaque neurone génère des mouvements dans plusieurs directions, mais chacune d’elles a une direction particulière qui la rend le plus efficace.
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 pics dans plusieurs neurones lorsqu'un singe atteignait plusieurs cibles. Ensuite, pour une cible unique, ils représentaient chaque neurone par un vecteur - son angle indique la direction d’atteinte privilégiée du neurone (quand il atteint son point le plus marqué) et sa longueur indique son taux relatif de pic pour cette cible. Ils ont fait la somme mathématique de leurs effets (moyenne vectorielle pondérée) et ont pu prédire de manière fiable l’issue des mouvements de tous les messages envoyés par les neurones.
C'est comme une élection neuronale dans laquelle certains neurones votent plus souvent que d'autres. Un exemple est montré dans la figure. Les lignes violet pâle représentent les votes de mouvement de neurones individuels. La ligne orange (le «vecteur de population») indique leur direction sommée. La ligne jaune indique la direction de déplacement réelle, ce qui est assez similaire à la prédiction du vecteur de population. Les chercheurs ont appelé ce codage de population.
Pour certains animaux et certains comportements, il est possible de tester la version de la démocratie du système nerveux en perturbant les élections. Par exemple, les singes (et les personnes) effectuent des mouvements appelés «saccades» pour déplacer rapidement les yeux d'un point de fixation à un autre. Les saccades sont déclenchées par des neurones situés dans une partie du cerveau appelée colliculus supérieur. Comme dans l'exemple ci-dessus pour le singe, chacun de ces neurones se creuse pour une grande variété de saccades, mais le plus pour une direction et une distance. Si une partie du collicule supérieur est anesthésiée - en déréglant un groupe particulier d'électeurs - toutes les saccades s'éloignent de la direction et de la distance que les électeurs maintenant silencieux avaient préférées. L'élection a maintenant été truquée.
Une manipulation monocellulaire a démontré que les sangsues organisent également des élections. Les sangsues plient leurs corps loin du contact avec leur peau. Le mouvement est dû aux effets collectifs d’un petit nombre de neurones, dont certains ont voté pour le résultat final et d’autres ont voté contre (mais ont été mis aux voix).
Perturbant un mouvement de sangsue "élection". À gauche: les chercheurs ont touché la peau de l'animal à un endroit indiqué par la flèche. Chaque ligne continue représente la direction que la sangsue a écartée de ce contact pour un essai. Au milieu: une stimulation électrique vers un neurone sensoriel différent faisait plier la sangsue dans une direction différente. Droite: les chercheurs ont touché la peau et stimulé le neurone simultanément et la sangsue s'est courbée dans des directions intermédiaires. (Reproduit avec l'autorisation de Macmillan Publishers Ltd: JE Lewis et WB Kristan, Nature 391: 76-79, copyright 1998) Si la sangsue est touchée sur le dessus, elle a tendance à s'éloigner de ce contact. Si un neurone qui répond normalement aux contacts du fond est stimulé électriquement, la chute a tendance à se plier dans la direction approximativement opposée (le panneau central de la figure). Si ce contact et ce stimulus électrique se produisent simultanément, la sangsue se plie dans une direction intermédiaire (le panneau de droite de la figure).
Ce résultat n’est optimal ni pour un stimulus individuel, mais reste néanmoins le résultat de l’élection, une sorte de compromis entre deux extrêmes. C'est comme lorsqu'un parti politique se réunit lors d'un congrès pour constituer une plate-forme. Prendre en compte ce que veulent les différentes ailes du parti 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, ressentons et sentons, des grillons aux mouches des fruits, en passant par les mouches des fruits. Par exemple, nous percevons les couleurs par le vote proportionnel de trois types de photorécepteurs qui répondent le mieux à une longueur d'onde de lumière différente, comme l'avait proposé le physicien et médecin Thomas Young en 1802. L'un des avantages des démocraties neuronales est la variabilité d'un neurone unique. les pointages sont calculés en moyenne dans le vote, de sorte que les perceptions et les mouvements sont en réalité plus précis que s'ils dépendaient d'un ou de plusieurs neurones. De plus, si certains neurones sont endommagés, de nombreux autres restent pour prendre le relais.
Contrairement aux pays, toutefois, les systèmes nerveux peuvent mettre en œuvre plusieurs formes de gouvernement simultanément. Une dictature neuronale peut coexister avec une oligarchie ou une démocratie. Le dictateur, agissant rapidement, peut déclencher l’apparition d’un comportement alors que d’autres neurones adaptent les mouvements qui s’ensuivent. Il n’est pas nécessaire qu’il existe une seule forme de gouvernement tant que les conséquences comportementales augmentent les chances de survie et de reproduction.
