Dla każdego pojedyncza kończyna u przeciętnego zwierzęcia, ile neuronów i jaki procent mózgu potrzeba, aby kontrolować tę kończynę?

Myślę, że tam „jest fałszywym założeniem w tym pytaniu, podobnie jak „ ludzie używają tylko 10% swojego mózgu ”. Pozwala to spojrzeć na mózg jak komputer z ogólnym centralna jednostka przetwarzająca, która może przetwarzać określoną ilość danych i mieć stałą ilość pamięci. Mózg nie działa w ten sposób.

Uwaga: biorąc pod uwagę, że pytanie jest oparte na fałszywym założeniu, nie myśl, że jest możliwe spełnienie normalnych standardów tagu hard-science. Zrobię co w mojej mocy.

Zamiast tego mózg składa się z bardzo wyspecjalizowanych obszarów, które kontrolują pewne rzeczy .Powiedzenie „zużywasz tylko X% swojego mózgu” jest jak stwierdzenie „używasz tylko X% swojego domu”. Oglądanie telewizji w salonie nie pomaga w przygotowywaniu obiadu w kuchni.

Nie liczy się rozmiar mózgu ani jego całkowita moc. Ale czy część mózgu odpowiedzialna za kontrolę kończyn jest przystosowana do koordynowania sześciu kończyn. Aby ponownie użyć analogii do domu, nie ma znaczenia, jak duża jest, jeśli jest tylko jedna toaleta, wtedy może z niej korzystać tylko jedna osoba na raz.

Odpowiedź brzmi: jeśli potrzebujesz Aby kontrolować sześć kończyn, ewolucja upewniła się, że część mózgu kontrolująca sześć kończyn jest dobrze rozwinięta. To może zaszkodzić innym częściom mózgu … lub możesz mieć po prostu gęstszy mózg.

Dlatego rozmiar mózgu nie ma znaczenia, ponieważ jak gęstość i specjalizacja mózgu. Mózgi zużywają dużo energii. Ludzki mózg stanowi zaledwie 2% masy ciała, ale zużywa 20% energii. Bardziej złożony mózg oznacza więcej energii. Człowiek ewolucja sprawiła, że to działało przez jakiś czas, ale zwykle nie jest to dobry ewolucyjny kompromis. Na przykład koala ma jedną z najniższych mas między mózgiem a ciałem stosunek dowolnego ssaka i jest bardzo gładki, co zmniejsza jego powierzchnię, co dodatkowo zmniejsza gęstość neuronów. Dzieje się tak częściowo dlatego, że jego dieta złożona z liści eukaliptusa ma bardzo niską kaloryczność i wartości odżywcze. Koala nie potrzebuje dużo mocy mózgowej, więc nie marnuje na nią energii.

Krótko mówiąc, nie ma odpowiedzi na pytanie „procent mózgu na kończynę”, ponieważ tak nie jest. t jak działa mózg. Zamiast tego obszary kontrolowania kończyn byłyby … niekoniecznie więcej , ale inaczej rozwinięte: pierwotna kora ruchowa , kora przedruchowa , dodatkowy obszar motoryczny i inne.

Prawdziwym powodem, dla którego ludzie nie mają sześciu kończyn, jest to, że „wywodzimy się z planu budowy ciała wprowadzonego co najmniej 500 milionów lat temu, wspólnego dla wszystkich kręgowce . Kręgosłup, głowa i cztery kończyny. Nawet węże, które najwyraźniej nie mają kończyn, mają cztery szczątkowe kończyny. Ten podstawowy plan ciała się nie zmienia, ewolucja musi budować stopniowo z tego, co ma . Może dostosowywać się i usuwać, ale rzadko dodaje lub wprowadza radykalne zmiany.

Cała ta adaptacja jest również powodem, dla którego trudno jest odpowiedzieć na pytanie „ile neuronów na kończynę”. Twój mózg, podobnie jak Twój ciało, to adaptacja spiętrzona na adaptacji spiętrzona na adaptacji. A mózg, podobnie jak ciało, jest bardzo wydajny; robi z około 20 watów, co tradycyjny komputer z bardzo zorganizowanym wymagałaby 10 megawatów . Ale ta wydajność oznacza, że jego bardzo, bardzo, bardzo złożony i ten sam neuron może być zaangażowany w wiele funkcji. Wątpliwe jest, aby spojrzeć na neuron i powiedzieć „to jest tylko do kontrolowania kończyny „, ponieważ prawdopodobnie wiąże się ona również z robieniem czegoś innego. Nie w pełni rozumiemy, jak mózg koordynuje ruch lub robi większość rzeczy.

Komentarze

• Na przykład pomyśl o pająkach, które mają osiem nóg, chociaż mogą być bardzo małe. Dodałbym, że będzie to również zależeć od tego, jak złożony i świadomy jest ruch kończyn, dłoni i palców.
• Interesująca byłaby wiedza o sile mózgowej przeznaczonej dla ogona u gatunków takich jak kangury ( ogon = trzecia noga), małpy nowego świata (niezwykle chwytny ogon), a nawet ludzie (szczątkowy wewnętrzny ogon wciąż wyposażony w zbyt wiele neuronów dla wygody!)
• Odpowiedzi, które obalają pytanie, to doskonale . Nawiasem mówiąc, poproś.
• może to dodać trochę dalszej dyskusji. jest to artykuł National Geographic na temat Ośmiornicy, który musiał wyhodować dużą liczbę neuronów, aby kontrolować każdą kończynę z osobna i wykorzystać zmianę koloru. nationalgeographic.com/magazine/2016/11/…
• A co z pamięcią mięśniową? Na przykład, kiedy piszę, moje palce intuicyjnie znajdują właściwy klawisz, bez zastanawiania się. To prowadzi mnie do wniosku, że liczba używanych neuronów nie tylko skaluje się z liczbą kończyn (palców), ale także z liczbą ” manewrów ” które są w pamięci. Powiedzmy, że tablice 100 vs 200 klawiszy. Ponadto: pływanie, jazda na rowerze, spacery itp.

Zaskakująca liczba obliczeń w ogóle nie zrobione w mózgu, ale w kręgosłupie! Duża część naszych możliwości ruchu jest w rzeczywistości zarządzana w sieci neuronowej naszego kręgosłupa.

Jako zdumiewający przykład rozważmy centralne generatory wzorców znaleziono w kręgosłupie do kontrolowania naszego chodu.Jeśli idziesz, a twoja prawa ręka ociera się o coś, tak naprawdę dostosujesz ruch lewej nogi, aby skompensować to, zanim sygnał dotrze nawet do mózgu.

W szczególnym badaniu z 2007 r. wykorzystano koty zwłok. To są koty, których móżdżek został usunięty w imię nauki. Jeśli ten pomysł ci przeszkadza, może to być dobry punkt, aby przestać czytać i po prostu zaakceptować, że kręgosłup jest odpowiedzialny za niezwykłą część kontroli naszych kończyn.

Konkretne szczegóły nie są dla wrażliwych , ale na szczęście są one dobrze przysłonięte przez precyzyjny naukowy żargon, więc można je tutaj odtworzyć, aby określić, jak mało mózgu pozostało po operacji:

Następnie, przeprowadziliśmy dekerebrację przedsutkową. Pień mózgu przecięto od strony czołowej do wzgórka górnego, pod kątem około 45 ° w celu zachowania ciał sutkowych i jądra podwzgórza. Usunięto całą materię mózgu w kierunku poprzecznym i bocznym do przecięcia.

Te koty następnie umieszczono na bieżni, co spowodowało, że koty chodzą, mimo że nie wyższe funkcje. Następnie dostosowali kąt nachylenia szyi kota, aby symulować chodzenie w górę iw dół, przy jednoczesnym utrzymaniu poziomu głowy.

Okazało się, że podczas chodzenia na płasko odczyty EMG pokazujące aktywność mięśni pasowały do wzorców związanych z normalne chodzenie kota z niezwykłą precyzją W rzeczywistości mózg nie był w ogóle potrzebny do tego ruchu. Następnie przechylili szyję w górę iw dół i odkryli, że prowadzi to do niezwykle podobnych wyników, jak normalne koty chodzące w górę iw dół wzgórza, trzymając głowę na wysokości. Propreceptory w szyi były faktycznie włączane do danych przetwarzanych przez kręgosłup i odpowiednio dostosowywano chód.

Więc powiedziałbym, że więcej kończyn jest całkowicie poprawnych, ponieważ zaskakująco duża ilość tego, co my z nimi jest w rzeczywistości zdolność dystrybucji znajdująca się w kręgosłupie, a nie w mózgu. Żonglowanie 7 piłkami z 6 ramionami może nadal być trudnym zadaniem, ale samo operowanie tymi ramionami nie byłoby.

Komentarze

• Z drugiej strony tego dokładnie rozumie się ” limb „. Czy ludzie mają obszar mózgu kontrolujący 2 ręce czy 2 ręce i 10 palców – jeśli piszesz na klawiaturze lub grasz na pianinie, ' zdasz sobie sprawę, że można nimi sterować niezależnie. obszar mózgu taki sam dla stóp & palców u nóg? Co powiesz na nogi konia w porównaniu z jego wrażliwymi & ruchomymi wargami? Albo nogami słonia czy tułowia?
• @jamesqf Z tego, co ' widziałem, interesującym pytaniem jest, czy istnieją obszary na ręce, palce u rąk i nóg, czy też są obszary do chodzenia, gry na pianinie i taniec. Im więcej patrzę, tym bardziej zastanawiam się, czy ' jest w rzeczywistości tym drugim. Pytanie, które ciągle zadaję, brzmi: ” czy żongler kontroluje dwie ręce, czy żongler po prostu żongluje? ”
• Ekstremalnym przykładem może być fakt, że kurczaki są w stanie chodzić i ogólnie zachowywać się w dość regularny sposób przez pewien czas po całkowitym ścięciu głowy. W jednym z głośnych przypadków kurczak był w stanie przetrwać bez głowy przez wiele lat, IIRC.
• W związku z tym ' jest godne uwagi, że ośmiornica używa hierarchiczny system ruchowy: mózg wysyła polecenia do kończyn, które wykonują czynności zasadniczo niezależnie od centralnego układu sterowania – patrz news.nationalgeographic.com/news/2001/09/0907_octoarm .html , aby uzyskać więcej informacji.
• @Cort Ammon: Czy ' wydaje mi się, że jest bardzo mało prawdopodobne, aby mózg wyewoluował specjalny obszar do zabawy fortepian 🙂 Zamiast tego ' podejrzewam ogólny obszar zdolności motorycznych, z prawdopodobnie podobszarem związanym z ręką. Ciekawostką jest to, że liczba różnych umiejętności, które można przechowywać, wydaje się ograniczona jedynie ilością czasu, jaki masz na ich zdobycie. Gra na pianinie (przyznaję, że źle) nie ' nie przeszkadza mi w pisaniu ani w niczym innym, co robię rękami & palcami.

Tak naprawdę nie ma „przeciętnego” zwierzęcia, ale podejrzewam, że średnie zwierzę z kończynami Kryl, który ma kilkanaście kończyn i mały układ nerwowy.

Jednym z największych zwierząt na świecie jest kałamarnica olbrzymia, która ma dziesięć kończyn, które mogą poruszać się w znacznie bardziej skomplikowany sposób niż stawowy szkielet kończyn, więc ograniczenie rozmiaru stworzeń o wielu kończynach ma oczywiste kontrprzykłady.

Mózgi kałamarnic są raczej małe w porównaniu z rozmiarem Zamiast tego kończyny głowonogów są kontrolowane przez bardziej rozproszoną sieć zwojów.Jeśli duże zwierzę ma przewagę w posiadaniu wielu kończyn, to ewolucja znajdzie sposób, aby to osiągnąć.

Komentarze

• +1 – możesz wykonać zaskakująco dużą ilość rutynowej pracy koordynacyjnej z zaskakująco małą liczbą neuronów. Na przykład Aplysia może nie mieć żadnych kończyn, ale nadal ma dość szeroki zakres ruchów i zdolność uczenia się zachowań i radzi sobie z tym za pomocą zaledwie 20 000 neuronów.

Mogę odpowiedzieć tylko na temat ludzi. Pytasz, co jest potrzebne do kontrolowania kończyny … Zakładam, że mówisz tylko o świadomych funkcjach motorycznych .

1. „Świadomy” oznacza, że musimy wykluczyć wszystko, co dotyczy nerwów obwodowych, które unerwiają kończyny, a także odruchów (te zlokalizowane są w rdzeniu kręgowym)
2. ” Ruch ”oznacza, że musimy wykluczyć wszystko, co jest związane z„ zmysłowymi ”procesami neurologicznymi.

Te wykluczenia są sztuczne, ponieważ ruchy kończyn nieodłącznie integrują te procesy neurologiczne. Na przykład bez nerwów obwodowych nie byłoby możliwości przekazywania instrukcji z mózgu do mięśni. Również bez procesów sensorycznych ruch byłby trudniejszy … więc na przykład propriocepcja pozwala mózgowi dowiedzieć się, gdzie znajduje się każda część kończyny w przestrzeni, a zatem jak kończyna może się poruszać, aby osiągnąć pożądany

Jednakże, aby uprościć moją odpowiedź, a ponieważ wydaje się, że właśnie o to pytasz, ograniczę się do wspomnianych świadomych funkcji motorycznych.

Schwern ma rację, odpowiadając, że mózg po prostu nie funkcjonuje w ten sposób. To nie jest kwestia procentu mózgu czy liczby neuronów … ważna jest liczba połączeń neurologicznych (synaps) zaangażowane w jakąś funkcję i złożoność tych połączeń.

Ale mimo wszystko spróbuję odpowiedzieć na pytanie „Jaki procent mózgu czy trzeba kontrolować tę kończynę?

Nasz mózg jest pokryty powierzchowną warstwą o nazwie c mózg ortex . To w tej warstwie nasze połączenia neurologiczne są najbardziej złożone … i dlatego właśnie w tej warstwie zlokalizowane są najważniejsze funkcje mózgu.

A więc gdzie w korze mózgowej są funkcje motoryczne

Jeśli spojrzysz na mózg z góry, zobaczysz szczelinę, która dzieli mózg na pół – lewą i prawą. To są półkule . Lewa półkula mózgu kontroluje funkcje motoryczne w prawej połowie ciała, a prawa półkula kontroluje funkcje motoryczne w lewej połowie ciała.

Jeśli oglądasz ten sam mózg z boku zobaczysz kolejny rowek, który dzieli mózg na dwie części – przednią i tylną. Ten rowek nazywa się środkową bruzdą . Funkcje motoryczne znajdują się w przedniej części, płat czołowy , tuż obok tej środkowej bruzdy … to jest kora ruchowa .

Jeśli weźmiesz tę część mózgu i pokroisz ją w kierunku od prawej do lewej, zobaczysz korę otaczającą mózg. Teraz, jeśli nałożysz na każdą część kory ruchowej części ciała, które kontroluje, „będziesz w stanie narysować ” homunkulus korowy „ .

Jak widać, kora ruchowa, która kontroluje dłoń, jest znacznie większa niż kora ruchowa, która kontroluje resztę ramienia. Ponadto kora ruchowa kontrolująca nogę jest znacznie mniejsza niż kora ruchowa kontrolująca twarz. Dzieje się tak, ponieważ ręka ma znacznie bardziej zniuansowane i delikatne ruchy niż ramię … a wszystkie nasze mimiki wymagają znacznie lepszej kontroli motorycznej niż proste ruchy potrzebne do poruszania nogą (które polegają prawie wyłącznie na poruszaniu nią do przodu lub do tyłu) . Tak więc ilość połączeń nerwowych potrzebnych do kontrolowania wszystkich ruchów dłoni i twarzy wymaga więcej miejsca w mózgu niż noga.

Nie jest więc kwestią tego, ile kończyn ma twoja istota … ale jak dobre są ruchy tych kończyn.

Zwróć uwagę, że jest to nadmiernie uproszczona odpowiedź …Mówiąc dokładniej, musiałbym szczegółowo opisać wiele innych ośrodków mózgowych, a mianowicie odpowiedzialnych za koordynację ruchową. Kora ruchowa, którą szczegółowo opisałem powyżej, jest odpowiedzialna tylko za poruszanie kończynami, a nie za koordynację tych ruchów z innymi częściami ciała. Tak więc, jeśli elektrycznie stymulujesz „część nóg” kory ruchowej, twoja noga będzie odpowiednio szarpać, ale ruch ten może być wyjątkowo nieprecyzyjny dla każdego celu (bdb: kopanie piłki nożnej).

PS: Oto kolejny obraz homunkulusa korowego, tj. Przedstawienie ciała, w którym każda część ciała ma rozmiar wprost proporcjonalny do odpowiedniej ilości kory ruchowej.

Komentarze

• Muszę powiedzieć, że homunkulus korowy nie jest ' t całkowicie związany z ” kontrolą motoryczną ” (np. : palce nie mają mięśni, ale wiele receptorów)
• @albert: palce nie mają (prawie) żadnych mięśni, ale mają dużo ścięgien, które są odpowiedzialne za motorykę palców. Ścięgna te są ciągnięte przez mięśnie ramienia i te są kontrolowane przez korę ruchową przypisaną do każdego palca.
• @albert: Ponadto, przed chwilą mówiłem o motorycznym homunkulusie korowym, a wykluczyłem somatosensoryczny homunkulus korowy, który znajduje się w płacie ciemieniowym. Homunkulus somatosensoryczny również ma dużo miejsca na receptory dłoni, ale nie o tym ' mówię.

Nie mogę udzielić ostatecznej odpowiedzi, ale chciałbym wskazać kilka eksperymentów z interfejsami mózg-komputer u małp, a nawet ludzi, które pokazują, że mózg mogą nauczyć się kontrolować dodatkową kończynę (rzeczywistą, wirtualną lub nawet po prostu kursorem na ekranie).

Próby na ludziach (głównie chip „Braingate”) były ograniczone do osób, które nie były w stanie poruszać swoimi prawdziwymi kończynami do Zacznijmy od tego, więc trudno twierdzić, że sztuczna kończyna liczy się jako „dodatkowa”, a nie tylko zamiennik.

Ale eksperymenty na małpach (głównie prace Miguela Nicolelisa z Duke University) wykazały kontrolę nad dodatkową kończynę niezależnie od prawdziwych kończyn małpy. Mimo że konfiguracja zaczyna się od kontrolowania przez małpę joysticka, a BCI jest zaprogramowany tak, aby reagował na wzorce z tej czynności, zdarzenie lly małpa jest w stanie kontrolować BCI bez poruszania joystickiem lub jego prawdziwymi ramionami.

https://www.sciencedaily.com/releases/2005/05/050511073108.htm

Chodzi mi o to, że chociaż nie mogę określić ilościowo zasobów potrzebnych do kontroli motorycznej, jestem przekonany, że to, co już mamy, z łatwością wystarcza do kontrolowania wielu dodatkowych kończyn. Ilość zręczności i koordynacji zależy prawdopodobnie głównie od praktyki, a nie od zdolności mózgu. Plastyczność mózgu jest niesamowita, potrafi przystosować się do bardzo nieoczekiwanych warunków.