Sistemele senzoriale ale animalelor - Procesele senzoriale

Figura 36.1 Acest rechin își folosește simțurile văzului, vibrațiilor (sistem de linii laterale) și mirosului pentru a vâna, dar se bazează și pe capacitatea sa de a simți câmpurile electrice ale prăzii, un simț care nu este prezent la majoritatea animalelor terestre. (Credit: Pixabay)

La animalele mai avansate, simțurile sunt în mod constant în funcțiune, făcând animalul conștient de stimuli, cum ar fi lumina sau sunetul sau prezența unei substanțe chimice în mediul exterior — și pentru monitorizarea informațiilor despre mediul intern al organismului. Toate animalele simetrice bilateral au un sistem senzorial, iar dezvoltarea sistemului senzorial al oricărei specii a fost condusă de selecția naturală; astfel, sistemele senzoriale diferă între specii în funcție de cerințele mediului lor. Rechinul, spre deosebire de majoritatea prădătorilor de pești, este electrosensibil, adică sensibil la câmpurile electrice produse de alte animale din mediul său. Deși este util pentru acest prădător subacvatic, electrosensibilitatea este un sentiment care nu se regăsește la majoritatea animalelor terestre.

Procesele senzoriale

Senzațiile oferă informații despre organism și mediul său. Oamenii au cinci simțuri speciale: olfactiv (mirosul), gustativ (gustul), echilibrul (balansul și poziția corpului), vederea și auzul. În plus, avem simțuri generale, numite și somatosenzație, care răspund la stimuli precum temperatura, durerea, presiunea și vibrațiile. Senzația vestibulară, care este simțul orientării și echilibrului spațial al unui organism, propriocepția (poziția oaselor, articulațiilor și mușchilor) și simțul poziției membrelor care este folosit pentru a urmări kinestezia (mișcarea membrelor) fac parte din somatosenzație. Deși sistemele senzoriale asociate cu aceste simțuri sunt foarte diferite, toate au o funcție comună: de a converti un stimul (cum ar fi lumina, sunetul sau poziția corpului) într-un semnal electric în sistemul nervos. Acest proces se numește transducție senzorială.

Există două tipuri mari de sisteme celulare care realizează transducția senzorială. Într-una, un neuron lucrează cu un receptor senzorial, o celulă sau un proces celular care este specializat să se angajeze și să detecteze un stimul specific. Stimularea receptorului senzorial activează neuronul aferent asociat, care transportă informații despre stimul către sistemul nervos central. În al doilea tip de transducție senzorială, o terminație nervoasă senzorială răspunde unui stimul din mediul intern sau extern: acest neuron constituie receptorul senzorial. Terminațiile nervoase libere pot fi stimulate de mai mulți stimuli diferiți, arătând astfel o specificitate redusă a receptorului. De exemplu, receptorii durerii din gingii și dinți pot fi stimulați de schimbările de temperatură, stimulare chimică sau presiune.

Recepţia

Primul pas în senzație este recepția, care este activarea receptorilor senzoriali de către stimuli cum ar fi stimulii mecanici (îndoirea sau strivirea, de exemplu), substanțele chimice sau temperatura. Receptorul poate răspunde apoi la stimuli. Regiunea din spațiu în care un anumit receptor senzorial poate răspunde la un stimul, fie el la distanță sau în contact cu corpul, este câmpul receptiv al receptorului. Gândiți-vă pentru un moment la diferențele dintre câmpurile receptive pentru diferite simțuri. Pentru simțul tactil, un stimul trebuie să intre în contact cu corpul. Pentru simțul auzului, un stimul poate fi la o distanță moderată (unele sunete de balene se pot propaga pe mulți kilometri). Pentru vedere, un stimul poate fi foarte departe; de exemplu, sistemul vizual percepe lumina de la stele la distanțe enorme.

Transducția

Funcția cea mai fundamentală a unui sistem senzorial este translația unui semnal senzorial într-un semnal electric în sistemul nervos. Acest lucru are loc la receptorul senzorial, iar modificarea potențialului electric care este produsă se numește potențial receptor. Cum se schimbă aportul senzorial, cum ar fi presiunea asupra pielii, într-un potențial receptor? În acest exemplu, un tip de receptor numit mecanoreceptor (așa cum se arată în Figura 36.2) posedă membrane specializate care răspund la presiune. Perturbarea acestor dendrite prin comprimarea sau îndoirea lor deschide canale ionice cu blocare în membrana plasmatică a neuronului senzorial, modificându-i potențialul electric. Amintiți-vă că în sistemul nervos, o modificare pozitivă a potențialului electric al unui neuron (numit și potențial de membrană), depolarizează neuronul. Potențialele receptorilor sunt potențiale gradate: mărimea acestor potențiale gradate (receptoare) variază în funcție de puterea stimulului. Dacă magnitudinea depolarizării este suficientă (adică dacă potențialul membranei atinge un prag), neuronul va declanșa un potențial de acțiune. În cele mai multe cazuri, stimulul corect care afectează un receptor senzorial va conduce potențialul membranei într-o direcție pozitivă, deși pentru unii receptori, cum ar fi cei din sistemul vizual, acest lucru nu este întotdeauna cazul.

Figura 36.2 (a) Canalele ionice mecanosensibile sunt canale ionice cu porți care răspund la deformarea mecanică a membranei plasmatice. Un canal mecanosensibil este conectat la membrana plasmatică și la citoschelet prin legături asemănătoare părului. Când presiunea face ca matricea extracelulară să se miște, canalul se deschide, permițând ionilor să intre sau să iasă din celulă. (b) Stereociliile din urechea umană sunt conectate la canale ionice mecanosensibile. Când un sunet determină mișcarea stereocililor, canalele ionice mecanosensibile transmit semnalul către nervul cohlear.

Receptorii senzoriali pentru diferite simțuri sunt foarte diferiți unul de celălalt și sunt specializați în funcție de tipul de stimul pe care îl simt: au specificitate de receptor. De exemplu, receptorii de atingere, receptorii de lumină și receptorii de sunet sunt fiecare activat de stimuli diferiți. Receptorii tactili nu sunt sensibili la lumină sau sunet; sunt sensibili doar la atingere sau presiune. Cu toate acestea, stimulii pot fi combinați la niveluri mai înalte în creier, așa cum se întâmplă cu simțul olfactiv, contribuind la simțul nostru al gustului.

Codificarea și transmiterea informațiilor senzoriale

Patru aspecte ale informațiilor senzoriale sunt codificate de sistemele senzoriale: tipul de stimul, locația stimulului în câmpul receptiv, durata stimulului și intensitatea relativă a stimulului. Astfel, potențialele de acțiune transmise prin axonii aferenți ai receptorului senzorial codifică un tip de stimul, iar această segregare a simțurilor este păstrată în alte circuite senzoriale. De exemplu, receptorii auditivi transmit semnale prin propriul lor sistem dedicat, iar activitatea electrică în axonii receptorilor auditivi va fi interpretată de creier ca un stimul auditiv – un sunet.

Intensitatea unui stimul este adesea codificată în rata potențialelor de acțiune produse de receptorul senzorial. Astfel, un stimul intens va produce un tren mai rapid de potențiale de acțiune, iar reducerea stimulului va încetini, de asemenea, rata de producție a potențialelor de acțiune. Un al doilea mod în care intensitatea este codificată este de numărul de receptori activați. Un stimul intens ar putea iniția potențiale de acțiune într-un număr mare de receptori adiacenți, în timp ce un stimul mai puțin intens ar putea stimula mai puțini receptori. Integrarea informațiilor senzoriale începe imediat ce informația este primită în SNC, iar creierul va procesa în continuare semnalele primite.

Percepţie

Percepția este interpretarea unei senzații de către un individ. Deși percepția se bazează pe activarea receptorilor senzoriali, percepția se întâmplă nu la nivelul receptorului senzorial, ci la niveluri mai înalte în sistemul nervos, în creier. Creierul distinge stimulii senzoriali printr-o cale senzorială: potențialele de acțiune de la receptorii senzoriali călătoresc de-a lungul neuronilor care sunt dedicați unui anumit stimul. Acești neuroni sunt dedicați aceluiași stimul și sinapsei cu anumiți neuroni din creier sau măduva spinării.

Toate semnalele senzoriale, cu excepția celor din sistemul olfactiv, sunt transmise prin sistemul nervos central și sunt direcționate către talamus și către regiunea corespunzătoare a cortexului. Amintiți-vă că talamusul este o structură din creierul anterior care servește drept centru de compensare și stație de releu pentru semnalele senzoriale (precum și motorii). Când semnalul senzorial iese din talamus, acesta este condus către zona specifică a cortexului (Figura 36.3) dedicată procesării acelui simț particular.

Cum sunt interpretate semnalele neuronale? Interpretarea semnalelor senzoriale între indivizii aceleiași specii este în mare măsură similară, datorită asemănării moștenite a sistemelor lor nervoase; cu toate acestea, există unele diferențe individuale. Un bun exemplu în acest sens este toleranța individuală la un stimul dureros, cum ar fi durerea dentară, care cu siguranță diferă.

(

Figura 36.3 La om, cu excepția simțului olfactiv, toate semnalele senzoriale sunt direcționate de la (a) talamus la (b) regiunile finale de procesare din cortexul creierului.