Sensorische Systeme/ Einleitung

Um zu überleben - zumindest auf der Artenebene - müssen wir immer wieder Entscheidungen treffen:

• "Soll ich die Straße überqueren?"
• "Sollte ich vor der Kreatur vor mir davonlaufen?"
• "Sollte ich das Ding vor mir essen?"
• "Oder soll ich versuchen, es zu paaren?"

Um uns zu helfen, die richtige Entscheidung zu treffen und diese Entscheidung schnell zu treffen, haben wir ein ausgeklügeltes System entwickelt: ein sensorisches System, um zu erkennen, was um uns herum vorgeht; und ein Nervensystem, um all diese Informationen zu verarbeiten. Und dieses System ist groß. Sehr groß. Unser Nervensystem enthält etwa 10¹¹ Nervenzellen (oder Neuronen) und etwa 10-50 mal so viele Stützzellen. Diese unterstützenden Zellen, genannt Gliazellen, umfassen Oligodendrozyten, Schwann-Zellen und Astrozyten. Aber brauchen wir wirklich all diese Zellen?

Halten wir es einfach: einzellige Kreaturen

Die Antwort ist «Nein!" Wir brauchen nicht so viele Zellen, um zu überleben. Kreaturen, die aus einer einzelnen Zelle bestehen, können groß sein, auf mehrere Reize reagieren und auch bemerkenswert intelligent sein!

Xenophyophoren sind die größten bekannten einzelligen Organismen und können einen Durchmesser von bis zu 20 cm erreichen!

Paramecium oder "Pantoffeltierchen" reagieren auf Licht und Berührung.

Wir denken oft an Zellen als sehr kleine Dinge. Aber Xenophyophoren (siehe Bild) sind einzellige Organismen, die in den Ozeanen der Welt vorkommen und einen Durchmesser von bis zu 20 Zentimetern erreichen können.

Und sogar mit dieser einzelnen Zelle können diese Organismen auf eine Anzahl von Reizen reagieren. Betrachten wir zum Beispiel eine Kreatur aus der Gruppe Paramecium: Das Paramecium ist eine Gruppe von einzelligen Ciliaten-Protozoen, früher bekannt als Pantoffeltierchen, wegen ihrer Pantoffelform. Trotz der Tatsache, dass diese Lebewesen nur aus einer Zelle bestehen, sind sie in der Lage, auf verschiedene Umweltreize zu reagieren, z.B. auf Licht oder Berührungen.

Physarum polycephalum (links)

Und solche einzelligen Lebewesen können erstaunlich intelligent sein: Das Plasmodium der Schleimpilze Physarum polycephalum ist eine große amöbenähnliche Zelle, die aus einem dendritischen Netzwerk röhrenartiger Strukturen besteht. Diese einzellige Kreatur schafft es, die kürzesten Verbindungen zwischen Quellen zu finden, (Nakagaki et al. 2000) und kann sogar effiziente, robuste und optimierte Netzwerkstrukturen aufbauen, die dem Tokioter Untergrundsystem ähneln (Tero et al. 2010). Außerdem hat es irgendwie die Fähigkeit entwickelt, seine Spuren zu lesen und zu sagen, ob es an einem Ort vorher war oder nicht: auf diese Weise kann es Energie sparen und nicht durch Orte suchen, an denen bereits Anstrengungen unternommen wurden (Reid et al. 2012).

Auf der einen Seite kann der Ansatz des Parameciums nicht so schlecht sein, da es sie schon lange gibt. Auf der anderen Seite kann ein Einzelzellenmechanismus nicht so flexibel und genau in seinen Antworten sein wie eine verfeinerte Version von Kreaturen, die ein dediziertes, spezialisiertes System nur für die Registrierung der Umgebung verwenden: ein Sensorsystem.

Nicht so einfach: Dreihundertundzwei Neuronen

Während Menschen Hunderte von Millionen von sensorischen Nervenzellen haben, und etwa $10^{11}$ Nervenzellen, kommen andere Kreaturen mit wesentlich weniger davon. Eine berühmte ist Caenorhabditis elegans, ein Nematode mit insgesamt 302 Neuronen.

C. elegans ist einer der einfachsten Organismen mit einem Nervensystem, und es war der erste vielzellige Organismus, dessen Genom vollständig sequenziert wurde. (Die Sequenz wurde 1998 veröffentlicht.) Und wir kennen nicht nur sein komplettes Genom, wir kennen auch die Konnektivität zwischen allen 302 Neuronen. Tatsächlich wurde das Entwicklungsschicksal jeder einzelnen somatischen Zelle (959 im erwachsenen Hermaphroditen; 1031 im erwachsenen Männchen) kartiert. Wir wissen zum Beispiel, dass nur 2 der 302 Neuronen für die Chemotaxis verantwortlich sind ("Bewegung, die von chemischen Signalen geleitet wird", d.h. im Wesentlichen riechend). Trotzdem wird noch viel geforscht - auch an seinem Riechen -, um zu verstehen, wie sein Nervensystem funktioniert.

Allgemeine Prinzipien sensorischer Systeme

Am Beispiel des visuellen Systems lässt sich das dem neurosensorischen System zugrunde liegende Prinzip wie folgt beschreiben:

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Alle sensorischen Systeme basieren auf:

• Ein Signal, d. h. ein physikalischer Stimulus, liefert Informationen über unsere Umgebung.
• die Sammlung dieses Signals, z.B. mit einem Ohr oder der Linse eines Auges.
• die Übertragung dieses Reizes in ein Nervensignal.
• die Verarbeitung dieser Informationen durch unser Nervensystem.
• Und die Generierung einer resultierenden Aktion.

Während die zugrundeliegende Physiologie die maximale Frequenz unserer Nervenzellen auf etwa 1 kHz begrenzt, mehr als eine Million mal langsamer als moderne Computer, schafft unser Nervensystem immer noch erstaunlich schwierige Aufgaben mit scheinbarer Leichtigkeit. Der Trick besteht darin, dass es viele Nervenzellen gibt (ungefähr $10^{11}$), und sie sind massiv verbunden (eine Nervenzelle kann bis zu 150.000 Verbindungen mit anderen Nervenzellen haben).

Übertragung

Die Rolle unserer "Sinne" besteht darin, relevante Informationen aus der uns umgebenden Welt in eine Art von Signal umzuwandeln, das von den nächsten Zellen, die dieses Signal empfangen, verstanden wird: das "Nervensystem". (Das sensorische System wird oft als Teil des Nervensystems betrachtet. Hier werde ich versuchen, diese beiden auseinander zu halten, wobei der Ausdruck Sensorisches System sich auf die Stimulus-Übertragung und das Nervensystem auf die nachfolgende Signalverarbeitung bezieht.)

Beachten Sie hier, dass nur relevante Informationen durch das sensorische System zu übertragen sind. Die Aufgabe unserer Sinne ist nicht, uns alles zu zeigen, was um uns herum geschieht. Ihre Aufgabe besteht vielmehr darin, die wichtigen Teile der uns umgebenden Signale herauszufiltern: elektromagnetische Signale, chemische Signale und mechanische. Unsere sensorischen Systeme wandeln jene Umgebungsvariablen um, die (wahrscheinlich) wichtig für uns sind. Und das Nervensystem propagiert sie so, dass unsere Antworten uns helfen zu überleben und unsere Gene weiterzugeben.

Arten von sensorischen Wandlern

1. Mechanische Rezeptoren
   • Gleichgewichtssystem (vestibuläres System)
   • Hören (auditorisches System)
   • Druck:
     • Schnelle Anpassung (Meissner-Korpuskel, Pacinian-Korpuskel) ? Bewegung
     • Langsame Anpassung (Merkel-Scheiben, Ruffini-Enden) ? Form Kommentar: Diese Signale werden schnell übertragen
   • Muskelspindeln
   • Golgi-Organe: in den Sehnen
   • Gelenkrezeptoren
2. Chemische Rezeptoren
   • Geruch (olfaktorisches System)
   • Geschmack
3. Lichtrezeptoren (visuelles System): hier haben wir Hell-Dunkel-Rezeptoren (Stäbchen) und drei verschiedene Farbrezeptoren (Zapfen)
4. Thermo-Rezeptoren
   • Wärmesensoren (maximale Empfindlichkeit bei ~ 45 ° C, Signaltemperaturen <50 ° C)
   • Kaltsensoren (maximale Empfindlichkeit bei ~ 25 ° C, Signaltemperaturen> 5 ° C)
   • Kommentar: Die Informationsverarbeitung dieser Signale ist ähnlich wie bei visuellen Farbsignalen und basiert auf der differentiellen Aktivität der beiden Sensoren; Diese Signale sind langsam
5. Elektro-Rezeptoren: zum Beispiel im Schnabel des Schnabeltieres
6. Magneto-Rezeptoren
7. Schmerzrezeptoren (Nocioceptoren): Schmerzrezeptoren sind auch für den Juckreiz verantwortlich; Diese Signale werden langsam weitergeleitet.

Neuronen

Was unterscheidet Neuronen von anderen Zellen im menschlichen Körper, wie Leberzellen oder Fettzellen? Neuronen sind einzigartig, denn sie:

• können schnell zwischen zwei Zuständen wechseln (was auch durch Muskelzellen möglich ist);
• können diese Veränderung in eine bestimmte Richtung und über längere Distanzen ausbreiten (was nicht durch Muskelzellen möglich ist);
• und diese Zustandsänderung kann effektiv anderen verbundenen Neuronen signalisiert werden.

Zwar gibt es mehr als 50 verschiedene Arten von Neuronen, aber alle haben die gleiche Struktur:

a) Dendriten, b) Soma, c) Nucleus, d) Axon-Hügel, e) umhülltes Axon, f) Myelinzelle, g) Knoten von Ranvier, h) Synapse

• Eine Eingangsstufe, oft Dendriten genannt, da sich der Eingangsbereich häufig wie die Zweige eines Baumes verbreitet. Input kann von Sinneszellen oder von anderen Neuronen kommen; er kann von einer einzelnen Zelle (z. B. kann eine bipolare Zelle in der Retina Eingang von einem einzelnen Konus erhalten) oder von bis zu 150.000 anderen Neuronen (z. B. Purkinje-Zellen im Kleinhirn) kommen; und er kann positiv (erregend) oder negativ (inhibitorisch) sein.

• Ein integratives Stadium: Der Zellkörper erledigt die Hausarbeit (erzeugt die Energie, reinigt, erzeugt die benötigten chemischen Substanzen, etc.), kombiniert die eingehenden Signale und bestimmt, wann ein Signal auf der Leitung weitergeleitet wird.

• Ein leitfähiges Stadium, das Axon: Sobald der Zellkörper entschieden hat, ein Signal auszusenden, breitet sich ein Aktionspotential entlang des Axons aus, weg vom Zellkörper. Ein Aktionspotential ist eine schnelle Änderung des Zustands eines Neurons, die etwa 1 ms dauert. Beachten Sie, dass dies eine klare Richtung in der Signalausbreitung definiert, vom Zellkörper bis zum:

• Ausgangsstadium: Die Ausgabe wird durch Synapsen bereitgestellt, d. h. die Punkte, an denen ein Neuron das nächste Neuron entlang der Linie kontaktiert, am häufigsten durch die Emission von Neurotransmittern (d. h. Chemikalien, die andere Neuronen beeinflussen), die dann eine Eingabe für das nächste Neuron bereitstellen.

Prinzipien der Informationsverarbeitung im Nervensystem

Parallelverarbeitung

Ein wichtiges Prinzip bei der Verarbeitung neuronaler Signale ist die Parallelität. Signale von verschiedenen Orten haben unterschiedliche Bedeutungen. Diese Funktion, die manchmal auch als Zeilenbeschriftung bezeichnet wird, wird benutzt von:

• Hörsystem - um die Frequenz zu signalisieren
• Geruchssystem - um süß oder sauer zu signalisieren
• Visuelles System - um die Position eines visuellen Signals zu signalisieren
• Vestibuläres System - um verschiedene Orientierungen und Bewegungen zu signalisieren

Bevölkerungscodierung

Sensorische Information basiert selten auf dem Signalnerv. Sie wird typischerweise durch unterschiedliche Aktivitätsmuster in einer Population von Neuronen kodiert. Dieses Prinzip kann in allen unseren sensorischen Systemen gefunden werden.

Lernen

Die Struktur der Verbindungen zwischen Nervenzellen ist nicht statisch. Stattdessen kann sie modifiziert werden, um Erfahrungen, die wir gemacht haben, einzubeziehen. Dabei geht die Natur eine dünne Linie:

Passagiertaube

- Wenn wir zu langsam lernen, schaffen wir es vielleicht nicht. Ein Beispiel ist die "Passagiertaube", ein amerikanischer Vogel, der inzwischen ausgestorben ist. Im letzten Jahrhundert (und dem vorherigen) wurde dieser Vogel in großer Anzahl erschossen. Der Fehler des Vogels war: als einige von ihnen erschossen wurden, drehten sich die anderen um, vielleicht um zu sehen, was los war. Also wurden sie nacheinander erschossen - bis die Vögel im Wesentlichen verschwunden waren. Die Lektion: Wenn Sie zu langsam lernen (d. h. Wegrennen, wenn alle Ihre Freunde getötet werden), könnte Ihre Spezies es nicht schaffen.

Weiblicher Monarchfalter

- Auf der anderen Seite dürfen wir auch nicht zu schnell lernen. Ein Beispiel: der Monarchfalter wandert. Aber es dauert so lange, vom "Start" bis ans "Ziel" zu gelangen, dass die Migration nicht von einem Schmetterling alleine durchgeführt werden kann. Mit anderen Worten, kein einziger Schmetterling macht die ganze Reise. Dennoch sagt die genetische Veranlagung den Schmetterlingen immer noch, wohin sie gehen und wann sie dort sind. Wenn sie schneller lernen würden, könnten sie niemals die notwendigen Informationen in ihren Genen speichern. Im Gegensatz zu anderen Zellen im menschlichen Körper werden Nervenzellen im menschlichen Körper nicht regeneriert.