感觉系统/简介

为了生存 - 至少在物种层面上 - 我们需要不断地做出决定

"我应该过马路吗？"
"我应该逃离我面前的生物吗？"
"我应该吃我面前的东西吗？"
"或者我应该尝试与它交配？"

为了帮助我们做出正确的决定，并迅速做出决定，我们已经开发了一个复杂的系统：一个感觉系统来注意到我们周围发生的事情；以及一个神经系统来处理所有这些信息。而且这个系统很大。非常大。我们的神经系统包含大约 $10^{11}$ 个神经细胞（或神经元），以及大约 10-50 倍的支持细胞。这些支持细胞被称为神经胶质细胞，包括少突胶质细胞、雪旺细胞和星形胶质细胞。但是我们真的需要所有这些细胞吗？

保持简单：单细胞生物

答案是，“不！”我们不需要那么多细胞才能生存。由单个细胞组成的生物可以很大，可以对多种刺激做出反应，而且也可以非常聪明！

我们通常认为细胞是非常小的东西。但有孔虫（见图像）是单细胞生物，存在于世界各地的海洋中，直径可达 20 厘米。

即使只有一个细胞，这些生物也能对多种刺激做出反应。例如，看一看草履虫类生物：草履虫是一类单细胞纤毛原生动物，以前被称为拖鞋动物，因为它们的形状像拖鞋。（德语中的对应词是Pantoffeltierchen。）尽管这些生物只由一个细胞组成，但它们能够对不同的环境刺激做出反应，例如对光或触碰。

而且这些单细胞生物可以非常聪明：黏菌多头绒泡菌的原生质体是一个大的变形虫状细胞，由一个树枝状的管状结构网络组成。这种单细胞生物设法连接了找到最短连接的来源（Nakagaki 等人，2000 年），甚至可以建造类似于东京地铁系统的有效、稳固且优化的网络结构（Tero 等人，2010 年）。此外，它不知何故发展了阅读其轨迹的能力，并能判断它是否以前去过某个地方：这样它就可以节省能量，而不会在已经付出努力的地方觅食（Reid 等人，2012 年）。

一方面，草履虫使用的方法不能太糟糕，因为它们已经存在了很长时间。另一方面，单个细胞机制在反应方面的灵活性和准确性不如更精细的生物版本，这些生物使用专门的专门系统来注册环境：感觉系统。

并不简单：三百零二个神经元

虽然人类有数亿个感觉神经细胞，以及大约 $10^{11}$ 个神经细胞，但其他生物却可以用更少的细胞。一个著名的例子是秀丽隐杆线虫，一种总共只有 302 个神经元的线虫。

秀丽隐杆线虫是有神经系统的最简单的生物之一，也是第一个被完全测序基因组的多细胞生物。（该序列于 1998 年公布。）我们不仅了解其完整的基因组，而且还了解其所有 302 个神经元之间的连接。事实上，每个体细胞（成年雌雄同体 959 个；成年雄性 1031 个）的发育命运都已绘制出来。例如，我们知道 302 个神经元中只有 2 个负责趋化性（“由化学线索引导的运动”，即本质上是嗅觉）。然而，仍然有大量研究在进行 - 也包括其嗅觉 - 为了了解其神经系统是如何工作的。

感觉系统的基本原理

基于视觉系统的例子，我们可以描述我们的神经感觉系统的基本原理如下

所有感觉系统都基于

一个信号，即物理刺激，提供有关我们周围环境的信息。
通过使用耳朵或眼睛的晶状体来收集此信号。
将此刺激转导为神经信号。
我们神经系统对这些信息的处理。
以及由此产生的行为的产生。

虽然潜在的生理学将我们神经细胞的最大频率限制在约 1 kHz，比现代计算机慢一百万倍以上，但我们的神经系统仍然设法以看似轻松的方式执行令人惊叹的复杂任务。诀窍是存在大量神经细胞（大约 $10^{11}$ 个），而且它们之间有大量的连接（一个神经细胞可以与其他神经细胞建立多达 150,000 个连接）。

转导

我们“感官”的作用是将来自我们周围世界的相关信息转导为下一批接收该信号的细胞可以理解的信号类型：“神经系统”。（感觉系统通常被认为是神经系统的一部分。在这里，我将尝试将这两者分开，感觉系统是指刺激转导，神经系统是指随后的信号处理。）

请注意，只有相关信息才应该由感觉系统转导。我们感官的任务不是向我们展示我们周围发生的一切。相反，他们的任务是从我们周围的信号中过滤出重要的部分：电磁信号、化学信号和机械信号。我们的感觉系统转导那些对我们（可能）重要的环境变量。而神经系统以这样一种方式传播它们，即我们采取的反应有助于我们生存，并传递我们的基因。

感觉换能器的类型

机械感受器
- 平衡系统（前庭系统）
- 听觉（听觉系统）
- 压力
  - 快速适应（麦氏小体，帕西尼小体） ? 运动
  - 缓慢适应（墨氏盘，鲁菲尼小体） ? 形状评论：这些信号传递速度很快
- 肌梭
- 高尔基腱器：位于肌腱中
- 关节感受器
化学感受器
- 嗅觉（嗅觉系统）
- 味觉
光感受器（视觉系统）：这里有明暗感受器（视杆细胞）和三种不同的颜色感受器（视锥细胞）
温度感受器
- 热感受器（最大敏感度约为45°C，信号温度<50°C）
- 冷感受器（最大敏感度约为25°C，信号温度>5°C）
- 评论：这些信号的信息处理类似于视觉颜色信号，并基于两个传感器差异活动；这些信号速度很慢
电感受器：例如，在鸭嘴兽的喙中
磁感受器
疼痛感受器（伤害感受器）：疼痛感受器也负责瘙痒；这些信号传递速度很慢。

神经元

是什么让神经元与人体其他细胞（如肝细胞或脂肪细胞）有所区别？神经元独一无二，因为它们

可以在两种状态之间快速切换（肌肉细胞也可以做到这一点）；
可以将这种变化传播到特定方向并在更长距离内传播（肌肉细胞无法做到这一点）；
并且这种状态变化可以有效地传递给其他连接的神经元。

虽然存在超过 50 种截然不同的神经元类型，但它们都具有相同的结构

一个输入阶段，通常称为树突，因为输入区域通常像树枝一样散开。输入可以来自感觉细胞或其他神经元；它可以来自单个细胞（例如，视网膜中的双极细胞接收来自单个视锥细胞的输入），或者来自多达 150,000 个其他神经元（例如，小脑中的浦肯野细胞）；并且它可以是正的（兴奋性的）或负的（抑制性的）。

一个整合阶段：细胞体执行家务（产生能量、清理、生成所需化学物质等），整合传入信号，并确定何时将信号传递到下一级。

一个传导阶段，轴突：一旦细胞体决定发出信号，动作电位就会沿着轴突传播，远离细胞体。动作电位是神经元状态的快速变化，持续约 1 毫秒。请注意，这定义了信号传播的明确方向，从细胞体到

输出阶段：输出由突触提供，即神经元与下一级神经元接触的点，通常通过释放神经递质（即影响其他神经元的化学物质）来实现，这些化学物质随后为下一个神经元提供输入。

神经系统信息处理的原理

并行处理

神经信号处理中一个重要的原理是并行处理。来自不同位置的信号具有不同的含义。这一特征，有时也称为线路标记，被

听觉系统 - 用于信号频率
嗅觉系统 - 用于信号甜或酸
视觉系统 - 用于信号视觉信号的位置
前庭系统 - 用于信号不同的方向和运动

群体编码

感觉信息很少基于单个神经元信号。它通常由神经元群体中不同的活动模式编码。这一原理存在于我们所有的感觉系统中。

学习

神经细胞之间连接的结构并非一成不变。相反，它可以被修改，以融入我们所经历的经验。因此，大自然走在一条细线上

- 如果我们学得太慢，我们可能无法生存。一个例子是“旅鸽”，一种现已灭绝的美国鸟类。在上个世纪（以及前一个世纪），这种鸟类被大量猎杀。这种鸟类的错误在于：当其中一些被猎杀时，其他的则转过身，也许是想看看发生了什么。因此它们依次被猎杀 - 直到这种鸟类基本上灭绝。教训：如果你学得太慢（即当你的所有伙伴都被杀死时才逃跑），你的物种可能无法生存。

- 另一方面，我们也不能学得太快。例如，帝王蝶会迁徙。但它们从“起点”到“终点”需要很长时间，以至于迁徙无法由一只蝴蝶独自完成。换句话说，没有一只蝴蝶能完成整个旅程。然而，基因倾向仍然告诉蝴蝶去哪里，以及到达那里后该做什么。如果它们学得更快 - 它们永远无法在它们的基因中存储必要的信息。与人体其他细胞不同，人体内的神经细胞不会再生。

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