감각 신경계/소개

살아남기위해,우리는지속적으로결정을내려야한다

• '길을 건너야 할까?'
• '앞에 있는 동물에게서 도망쳐야 할까?'
• '내 눈앞에 있는 것을 먹어야 할까?'
• '아니면 짝짓기를 해야 할까?'

신속하게 올바른 결정을 내릴 수 있도록 정교한 시스템을 개발하였다: 우리 주변에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알아차릴 수 있는 감각 시스템, 그리고 그 모든 정보를 다룰 수 있는 신경 시스템이다. 우리의 신경 시스템은 10¹¹개의 신경 세포(또는 뉴런)와 또한 10-50배 많은 지원 세포가 있다. 교세포라고 불리는 지원 세포에는 희소 돌기 세포, 슈반 세포 및 성상 세포가 포함된다. 하지만이 모든 세포들이 정말로 필요할까?

단순하게: 단세포 생물

정답은 '아닙니다!' 생존하기 위해 그렇게 많은 세포가 필요하지 않다. 단세포 생물들은 클 수 있고, 여러 자극에 반응 할 수 있으며, 또한 놀랍도록 똑똑 할 수 있다!

Xenophyophore

Paramecium

우리는 종종 세포를 정말 작은 것으로 생각한다. 그러나 Xenophyophores는 전 세계 해양에서 발견되는 단세포 생물이며 직경이 20cm까지일 수 있다.

단일 세포로도 여러 자극에 반응 할 수 있다. 예를 들어 Paramecium 그룹의 생물을 살펴봅시다. Paramecium은 이전에 슬리퍼 모양에 인해 정해진 이름으로 슬리퍼 동물이라고 알려진 단세포 섬모 원생 동물 그룹이다. (독일어로 대응하는 단어는 Pantoffeltierchen이다.)이 생물은 하나의 세포로만 구성되어 있지만 다른 환경 자극(빛, 접촉)에 반응 할 수 있다.

단세포 유기체는 놀랍도록 똑똑 할 수 있다. 점균류 Physarum polycephalum의 변형체는 튜브와 같은 구조의 수지상 네트워크로 구성된 큰 아메바와 같은 세포이다. 이 단세포 생물은 가장 짧은 연결을 찾는 근원들을 연결하고 (Nakagaki et al. 2000) 도쿄 지하 시스템과 유사한 효율적이고 강력하며 최적화 된 네트워크 구조를 구축 할 수도 있다 (Tero et al. 2010). 또한 자신의 트랙을 읽고 이전 장소에 있었는지 여부를 알려주는 기능을 개발하였다. 이미 노력을 기울인 장소를 피해에너지를 절약 할 수 있다 (Reid et al. 2012).

한편으로 paramecium에 사용 된 접근 방식은 오랫동안 사용되어 왔기 때문에 너무 나쁠 수 없다. 반면에 단일 세포 메커니즘은 더 정제 된 생물체처럼 유연하고 정확할 수 없다. 이 생물체들 은 환경 인식만을 위한 전용 시스템인 감각 시스템을 사용한다.

단순하지 않은 302개의 뉴런

인간은 수억게의 감각 신경 세포와 약 10^{11}개의 신경 세포를 가지고 있지만 다른 생물체는 훨씬 적은 양을 가지고 있다. 유명한 Caenorhabditis elegans는 촣 302개의 뉴런을 가진 선충이다.

Adult Caenorhabditis elegans

C.elegans는 신경계를 가진 가장 단순한 유기체 중 하나이며 게놈이 완전히 서열화 된 최초의 다세포 유기체이다. (이 시퀀스는 1998년에 공표되었다. 완전한 게놈을 알고있을뿐만 아니라 302 개의 모든 뉴런 사이의 연결성을 알고 있다. 모든 단일 체세포 (성체 자웅 동체의 경우 959, 성인 남성의 경우 1031)의 발달 운명이 메핑돼있다. 예를들어, 302뉴런중, 2 뉴런만이 화학 주성 ( "화학 신호에 의해 유도되는 움직임", 즉 본질적으로 냄새를 맡는 것)을 담당한다. 그럼에도 불구하고 신경계 작동을 이해하기 위해 (냄새에 대해서도) 많은 연구가 수행되고 있다.

감각 시스템의 일반 원칙

시각 시스템의 예를 기반으로, 신경 감각 시스템의 기본 원리는 다음과 같이 설명 할 수 있다.

감각 처리

모든 감각 시스템은

• 신호: 즉 물리적 자극, 주변에 대한 정보를 제공한다
• 신호의 수집: 귀나 눈의 렌즈를 이용하여
• 자극을 신경 신호로 전달한다
• 신경계의 정보처리
• 그리고 결과의 행동의 생성

근본적인 생리학은 신경 세포의 최대 주파수를 약 1kHz로 제한한다, 이는 현대 컴퓨터보다 백만 배 이상 느리지 만 우리 신경계는 여전히 매우 어려운 작업을 쉽게 수행 할 수 있다. 비결은 많은 신경 세포가 있고 (약 10¹¹), 그것들은 모두 연결돼어 있어서이다 (하나의 신경 세포는 다른 신경 세포와 최대 150,000 개의 연결을 가질 수 있다).

전달

우리의 "감각"의 역할은 우리를 둘러싼 세계로부터 관련 정보를 신경계가 이해할수있는 신호로 변환하는 것입니다. (감각 시스템은 종종 신경계의 일부로 간주된다. 여기서는 자극 전달을 감각 시스템, 이후의 신호 처리를 신경계라는 표현하여 이 두 가지를 분리하려고 한다.)

여기서 유의해야 할 것은 감각 시스템에 의해 관련 정보만 전달되어야 한다는 것이다.우리의 감각의 책임은 우리 주변에서 일어나고 있는 모든 것을 보여주는 것이 아니다. 대신, 그들의 임무는 우리 주변의 중요한 신호를 걸러내는 것이다: 전자기 신호, 화학 신호, 그리고 기계 신호. 우리의 감각 시스템은 우리에게 중요한 환경변수를 전달한다. 그리고 신경계는 우리가 취하는 반응이 우리를 생존할수 있게 도와주고 유전자를 물려주수 있도록 그들을 번식시킨다.

감각 변환기의 종류

1. 기계적 수용체

• 균형 시스템 (전정계)
• 청각 시스템
• 압력

- 빠른 적응(마이스너의 말뭉치, Pacinian 말뭉치)
- 느린 적응(Merkel Disk, Ruffini 엔딩)

• 근육의 스핀들
• 골지 기관: 힘줄
• 관절 수용체

2. 화학 수용체

• 밝음-어둠의 수용체 (간상체)와 세 가지의 다른 색의 수용체 (추상체)

3. 광수용체(시각계)

• 열 센서 (최대 감도는 ~ 45°C, 신호 온도는 < 50°C)
• 저온 센서 (최대 감도는 ~ 25°C, 신호 온도는 > 5°C)
• 이러한 신호의 정보 처리는 시각적 색 신호와 유사하며, 두 센서의 디퍼렌셜 활성에 기반합니다. 이러한 신호는 느리다

4. 전기 수용기: 오리너구리의 부리

5. 자기수용체

6. 통증 수용체(노수용체)

• 통증 수용체도 가려움증의 원인이 되며, 이러한 신호는 천천히 전달된다

뉴런

뉴런을 간세포나 지방세포와 같은 인체의 다른 세포와 구별하는 것은 무엇인가? 뉴런은 다음과 같은 점에서 독특하다.

• 두 상태 사이를 빠르게 전환할 수 있다(근육 세포 또한 이러할수 있다)
• 이러한 변화를 지정된 방향과 더 먼 거리에 걸쳐 전파할 수 있다 (근육 세포는 할수없다)
• 이런 상태 변화는 다른 뉴런에게 효과적으로 전달될 수 있다

50개 이상의 다른 유형의 뉴런이 있지만 모두 동일한 구조를 공유한다:

뉴런 a.수상돌기 b.소마 c.핵 d. Axon hillock e. Sheed Axon f. Myelin Cell g. Ranvier의 노드 h. Synapse

흔히 수지상이라고 불리는 입력 단계는 입력 영역이 나무의 가지처럼 종종 퍼져나가기 때문이다. 입력은 감각 세포 또는 다른 뉴런으로부터 올 수 있다; 그것은 단일 세포 (예를 들어 망막의 양극 세포) 또는 최대 150,000개의 다른 뉴런 (예: 소뇌의 퍼킨제 세포)에서 올 수 있고, 양성 (흥분성) 또는 음성 (억제성)일 수 있다.

통합 단계: 세포체는 집안일을 한다 (에너지 생성, 청소, 필요한 화학 물질 생성 등) 들어오는 신호를 결합하고, 언제 신호를 전달할지 결정한다.

전도체 단계, 축삭: 세포체가 신호를 보내기로 결정하면, 활동전위는 축삭을 따라 세포체로부터 멀리 퍼져나간다. 활동전위는 약 1밀리초 동안 지속되는 뉴런의 빠른 상태 변화이다. 이것은 세포체에서 신호 전파의 명확한 방향을 정의한다.

출력 단계, 출력은 시냅스로 제공된다. 즉, 뉴런이 다음 뉴런과 접촉하는 지점, 대부분의 경우 신경전달물질(즉, 다른 뉴런에 영향을 미치는 화학물질)의 방출에 의해 다음 뉴런에게 입력한다.

신경계의 정보 처리 원리

병행 처리

신경 신호 처리에서 중요한 원리는 평행성이다. 위치에 따라 신호가 다른 의미를 가진다. 라인 레이블링이라고도 하는 이기는은 다음과 같이 사용된다:

• 청각 신경계 - 주파수를 신호하기 위해
• 후각 신경계 - 단것과 신것을 신호하기 위해
• 시각 신경계 - 시각적 신호의 위치를 표시하기 위해
• 전정 신경계 - 다른 방향 및 이동을 신호하기 위해

모집단 코드화

감각 정보가 신호 신경에 기반을 둔 경우는 거의 없다. 감각 정보는 전형적으로 뉴런 집단의 다른 활동 패턴에 의해 암호화된다. 이 원리는 우리의 모든 감각 체계에서 찾을 수 있다.

학습:

신경 세포 간의 연결 구조는 정적이지 않다. 우리의 경험의 따라 수정될수 있다. 따라서 자연은 가는 선을 걷는다.

• 너무 느리게 배우면, 우리는 해내지 못할수도 있다. 한 예로, '여객 비둘기'는 현재 멸종된 미국 새이다. 지난 세기에 이 새는 많은 수의 총에 맞았다. 새들의 실수는 그들 중 몇몇은 총에 맞았을 때, 다른 새들은 무슨 일인지 보려고 돌아섰다는 것이었다. 그래서 새들이 멸종될때까지 차례로 총에 맞았다. 교훈: 만약 너무 느리게 배운다면, 당신의 종족은 살아남지 못할지도 모른다.

• 반면에, 너무 빨르게 배우면 안된다. 예를 들어, 왕나비는 이주한다. 그러나 '시작'에서 '끝'까지 시간이 너무 오래 걸려, 나비 한 마리만으로는 이주를 할 수 없다. 어떤 나비도 모든 여정을 만들지 못한다. 그럼에도 불구하고, 유전적 성질은 여전히 나비들이 어디로 가야 하는지, 언제 도착해 있는지 알려준다. 만약 그들이 더 빨리 간다면 - 그들은 절대 그들의 유전자에 필요한 정보를 저장할 수 없을 것이다. 다른 인체 세포와 달리 신경 세포는 인체에서 재생되지 않는다.

여객비둘기

암컷왕나비