Smyslové systémy

1. Smyslové systémy Obecné principy

2. Co dělají smysly? • Extrahují významnou informaci ze vstupů, které obsahují velké množství informačního šumu • Mají úžasnou citlivost a rozsah • Jsou specifické podle modalit (k určitému typu energie) • Fungují jako filtry • V procesu transdukce přeměňují tuto energii do specifického kódu elektrických potenciálů • Sdílejí společné principy při kódování a analýze

3. Extrakce Mr Smith might discuss the mill Tiché pozadí Amplituda Zašumění signálu na pozadí dalších 12ti mluvících lidí – posluchač nemá problémy porozumět Time (s) 0 1 2

4. Specificita • Proč si nikdy nespleteme melodii s východem slunce? Nebo hrubost kamenu s chutí malin? • Světlo je stimulem vyvolávajícím vjem spojený s viděním světla, ale tlak na oko způsobí stejný vjem. • Naproti tomu, tlakna oko vyvolá zrakový vjem, ale tlak na kůži vyvolá vjem tlaku. • Pravidlo specifické nervové energie – 1838 – každý smyslový nerv vede informaci o jedné modalitě do specifické mozkové oblasti, který informaci interpretuje. • Elektrická stimulace různých smyslových nervů vyvolává vjem odpovídající typu nervu

5. Synestezie • 1 člověk z milionu vědomě vnímá více modalit při podráždění jednoho smyslu – synestezie • Jeden muž uvádí, že vnímá různé tvary rukama při vnímání různých chutí • Žena vidí barevné figury když slyší určité zvuky • Epileptici těsně před záchvatem • Limbický systém každého člověka umožňuje míchání (integraci) různých smyslových modalit do vjemu jediného objektu - neuvědomělý proces.

6. Organizace smyslových orgánů • NS detekuje mnoho parametrů vnitřního i vnějšího prostředí • Prostřednictvím receptorových buněk a smyslových neuronů • Organizovaných často do specializovaných smyslových orgánů • Rozdělovány podle typu energie, ke které jsou nejcitlivější • Chemické • Mechanické • Světelné • Tepelné • Elektrické • Magnetické

7. Vlnové délky světla, které člověk vnímá Gama X UV IČ Krátké rádiové -12 -10 -8 -4 0 4 6 8 Log vlnové délky (cm) 400 500 600 700 Vlnová délka (nm)

8. Smyslové orgány = převodníky a filtry • Smyslové orgány neodrážejí realitu pravdivě • Smyslové orgány z reality „vybírají“ • Transformují určitý typ energie do kódu elektrických signálů - transdukce • Prostřednictvím změn propustnosti receptorové membrány

9. Smyslové orgány jako filtry UV odrážející Odrážející žlutou UV pohlcující A B Květ fotografovaný ve žlutém (A) a UV (B) světle Hmyz s barevným viděním v UV spektru vidí tmavé a bílé oblasti jako různé barvy

10. Transdukce Akční potenciály Receptorový potenciál Stimulus

11. Receptor Exoskelet Jemné vlákno Receptor Exoskelet Elastické vlákno Dendrity Receptor Tělo Axon

12. Mikromanipulátor Mikroelektroda Ringer Upevnění elastického vlákna Strečový receptor s dendrity v elastickém vlákně

13. Kódování intenzity a receptorové potenciály A Receptorový potenciál Natažení

14. Kódování intenzity a akční potenciály B Frekvence AP Natažení

15. Kódování intenzity a akční potenciály Intenzita stimulu 0,5 s

16. Receptorové odpovědi v čase • Adaptace • úbytek citlivosti receptoru • navzdory trvajícímu stimulu • Receptory • Tonické – adaptují se pomalu, info o pozici těla nebo přítomnosti stimulu • Fázické – adaptují se rychle, info o změnách stimulu – rychlost, akcelerace • Fázicko-tonické

17. Společné vlastnosti smyslových systémů • Receptivní pole –oblast smyslového povrchu, která musí být stimulována aby vyvolala odpověď receptoru • Může se překrývat • Velikost závisí na intenzitě podnětu • Každý neuron smyslové dráhy má receptivní pole – pro každý neuron existuje určitá oblast smyslového pole, která musí být stimulována, aby vyvolala odpověď

18. Podnět Receptivní pole R1 R2 Podnět Překrývání Podnět R1 R2 R3 Změna velikosti R1 R1

19. Zesílení kontrastů • Laterální inhibice –vzájemná (reciproční) inhibice sousedních neruonů • Umocňuje rozdíly ve frekvenci APs receptorových neuronů na hranici stimulované oblasti

20. Laterální inhibice Limulus Oko Zastínění Inhibiční synapse Frekvence AP (Hz)

21. Dělení rozsahu (dělba práce) • Čím širší je rozsah stimulu, tím méně přesné informace může neuron předávat • Čím přesnější informace jsou potřeba - tím užší musí být rozsah kódování • Nahromadění receptorů ve specializovaných smyslových orgánech • možnost kódování ve velkém rozsahu při zachování potřebné přesnosti (citlivosti) – zvýšení rozlišení • snížení nejasností

22. 0 0 45 45 90 90 75 65 40 45 50 42 43 Neuron A Neuron B 75 65 25 30 Neuron B Neuron B Odpověd proprioreceptoru na ohnutí kloubu Frekvence AP Úhel ohnutí kolene

23. Idealizované znázornění dělby práce ve smyslovém orgánu kloubu Frekvence AP 0 15 30 45 60 75 90 Úhel ohnutí kolene

24. Organizace smyslových oblastí v mozku Topografické uspořádání

25. Topografické uspořádání • Bodová reprezentace (projekce) smyslových oblastí do mozku • Somatotopie • Retinotopie • Tonotopie • Chemotopie • Mozková jádra (přepojovací stanice) • Kůra

26. Receptory kůže P H Tlak Teplo C Chlad T Dotyk Somatosensorická kůra Uspořádání do sloupců Kůra

27. Kódování a zpracování smyslových informací

28. Kódování intenzity 1 • Amplitudou receptorového (generátorového) potenciálu • Frekvencí akčních potenciálů: • změna intenzity stimulu vyvolá změnu frekvence AP - logaritmická závislost • limity dány • Množství dostupných iontových kanálů • Absolutní refrakterní perioda po AP • Rozdílné neurony mají rozdílný limit frekvence AP (100-300 imp/sec).

29. 60 60 0 0 -60 -60 Práh Závislost amplitudy receptorového potenciálu a frekvence AP AP GP Práh GP – generátorový potenciál Stimulus 1 Práh GP AP Membránový potenciál Práh Stimulus 2

30. Kódování intenzity 2 • Intenzita je kódována frekvencí AP i tedy, je-li do neuronálního obvodu zapojen „nespikující“ neuron • Absolutní frekvence závisí TAKÉ na bezprostřední historii receptoru • (připravte 3 vodní lázně - horkou,vlažnou a studenou, ponořte jednu ruku do horké a jednu do studené na pár minut, pak vložte obě ruce do vlažné vody) • Neurony • Tonické • Fazické • Fazicko-tonické

31. Labeled line code – kód kvality 1 • Mozek rozpoznává na základě rozdílů neuronální aktivity – 2 principy • 1. Labeled line code - neuron kóduje 1 vlastnost stimulu • V rámci i mezi modalitami • Obratlovci i bezobratlí • Neurony somatosensorického systému kódují vždy 2 typy informace – kde? a co? • Kde ? – identifikace vyplývá z aktivované oblasti kůry (prst, noha) • Co? – identifikace vyplývá z aktivace specifických sloupcích mozkové kůry v dané oblasti

32. Pór Dendrity Kutikula Chuťové neurony Smyslový nerv Podpůrná buňka Chuťová sensila Sůl Cukr Voda Aminokyseliny Tarsus Protophormia regina Precizni Rychlé Rigidní Neopravitelné

33. Across fiber pattern – kód kvality 2 • Populační kód – • Receptor odpovídá na mnoho stimulů • Stimulus kódován mnoha neurony • Mozek se musí koukat na aktivitu celé populace neuronů • Rozdílné stimuly jsou reprezentovány různými populacemi neuronů • Ačkoli smyslové systémy obvykle používají jeden nebo druhý typ kódování, žádný není používán exclusivně

34. 0 30 60 Statocysta 123 4 5 6 Frekvence AP Tykadlo Mechano- receptory Statolit Naklonění hlavy Dutina 15o 30o 45o 123 4 5 6 123 4 5 6 123 4 5 6 Neuron č. Stimulace různých neuronů

35. Spontánní aktivita zvyšuje kapacitu kódování Postranní čára Otvůrky Vodní proud Kanál postranní čáry Neuromast organ Kupula Tělo Vláskové buňky Nerv De-/Hyperpolarizace Spontánní aktivita

36. Maximální frekvence Geraniol Linalool Rajče Frekvence AP 1 2 1 2 1 2 Neuron č. Frekvence v čase Geraniol Změny frekvence AP v čase zvyšují kapacitu kódování Linalool Frekvence AP Rajče Čas (s) 0,2 0,6 1,0 1,4

37. Eferentní kontrola smyslových orgánů • Citlivost smyslových orgánů může být modulována • Regulace svalového tonu během volních pohybů • Svalová vřeténka • Kompenzace reaference během pohybu • Ochrana smyslových orgánů proti poškození • Způsob potlačení nedůležitých signálů

38. Svalová vřeténka - využití reflexních okruhů pro záměrný pohyb Pochva vřeténka a moto Smyslová zakončení g moto Svalová vlákna Extrafuzální Extrafuzální g moto Intrafuzální Intrafuzální

39. Svalová vřeténka • Receptory svalového natažení • Napnuté paralelně ke svalu • Aferenty vřetének končí na amotoneuronech • Informují o natažení svalu během pohybu • „Předpětí“ svalových vřetének je regulováno mozkem prostřednictvím g systému • Mozek plánuje pohyb a vysílá signály ai g systému • Pokud povely z mozku a informace o prováděnýchpohybech jsou ve shodě, svalová vřeténka pálí relativně konstantně • Při chybě – velká změna aktivity • Ia – fázická odpověď – rychlé natažení • II – tonická vlákna

40. Intrafuz. vl. Hypotetická situace - jak by to vypadalo bez gama intervace Extrafuz. vl. Ia, II Délka svalu Intrafuz. vl. a moto Ia, II A KLID Intrafuz. vl. Extrafuz. vl. Ia, II Délka svalu C STAH (unloading) Délka svalu B NATAŽENÍ (loading)

41. a g Smyslové info Unloading za přítomnosti gama systému Ia a II aferenty Info z mozku Laterální kortikospinální trakt a g

42. Rybíneuromast Tělo Aferentní inervace Eferentní inervace Kompenzace reaference • Kompenzace smyslových vstupů způsobených vlastním pohybem • Signály z postranní čáry vedeny přes několik jader v míše • Aktivita jader se mění v klidu a během pohybu • Tím se mění eferentní signály regulujících citlivost smyslových orgánů

43. Další funkce eferentní kontroly • Ochrana smyslových orgánů proti poškození při silných stimulech • adaptace k silným stimulům • Potlačení smyslových vstupů menší důležitosti – vědomé i nevědomé

44. Zrakový systém

45. Zrakový systém • Fotoreceptivní orgány • detekují světlo a • vytvářejí obraz • Zrakový systém vybírá informace o • Tvaru • Umístění • Pohybu

46. Čočka Zornice (clona) Fovea Panenka (pupila) Zrakový nerv Rohovka Sítnice Stavba a funkce obratlovčího oka

47. Obecně: • Světlo prochází rohovkou, zornicí a čočkou a vytváří obraz na sítnici • Akomodace čočky – blízký a vzdálený bod • Metropie – 80 cm a nekonečno • Presbyopie – blízký bod dále jak 1 m • Hypermetropie – krátký bulbus, obraz za sítnicí • Myopie – dlouhý bulbus, obraz před sítnicí • Astigmatismus – nestejnoměrné zakřivení rohovky • Fovea centralis - specializovanou oblast ostrého vidění • Rozlišovací síla oka • lidské oko – 1´ • orel 20´ - vidí ptáka velikosti ruky ze vzdálenosti 1000 m • Slepá skvrna

48. Zraková dráha • Zrakový nerv • Tektum – ryby, obojživelníci • Nucleus geniculatus laterale – savci – thalamus • Primární zraková kůra (zraková kůra, oblast V1) • Striate cortex – oblasti V2, V3, V4, V5 (MT – middle temporal region) – tvar, barva, hloubka, pohyb, • Zrakové informace se také podílí • Na kontrole očních pohybů - superior colliculi – střední mozek – ekvivalent tekta • Na kontrole zornice - pretektální oblast – střední mozek

49. Kalózní těleso (Corpus callosum) Thalamus Jádro nc. geniculatus laterale V1 V4 Hlavní dráhy přenosu zrakové informace V3 V5 Oko V2 Zrakový nerv mozeček Jádro nc. geniculatus laterale Jádro nc. colliculus superior

50. Fotoreceptory • Tyčinky a čípky • pigment rodopsin • liší se citlivosti a rozmístěním na sítnici • Tyčinky – černobílé vidění • citlivější, • větší rozsah vlnových délek, • početnější, počty se liší u nočních a denních živočichů, • Primáti – 120 mil.tyčinek, 6,5 mil. čípků • Čípky – barevné vidění