感覺系統/簡介

為了生存 - 至少在物種層面上 - 我們需要不斷地做出決定

"我應該過馬路嗎？"
"我應該逃離我面前的生物嗎？"
"我應該吃我面前的東西嗎？"
"或者我應該嘗試與它交配？"

為了幫助我們做出正確的決定，並迅速做出決定，我們已經開發了一個複雜的系統：一個感覺系統來注意到我們周圍發生的事情；以及一個神經系統來處理所有這些資訊。而且這個系統很大。非常大。我們的神經系統包含大約 $10^{11}$ 個神經細胞（或神經元），以及大約 10-50 倍的支援細胞。這些支援細胞被稱為神經膠質細胞，包括少突膠質細胞、雪旺細胞和星形膠質細胞。但是我們真的需要所有這些細胞嗎？

保持簡單：單細胞生物

答案是，“不！”我們不需要那麼多細胞才能生存。由單個細胞組成的生物可以很大，可以對多種刺激做出反應，而且也可以非常聰明！

我們通常認為細胞是非常小的東西。但有孔蟲（見影像）是單細胞生物，存在於世界各地的海洋中，直徑可達 20 釐米。

即使只有一個細胞，這些生物也能對多種刺激做出反應。例如，看一看草履蟲類生物：草履蟲是一類單細胞纖毛原生動物，以前被稱為拖鞋動物，因為它們的形狀像拖鞋。（德語中的對應詞是Pantoffeltierchen。）儘管這些生物只由一個細胞組成，但它們能夠對不同的環境刺激做出反應，例如對光或觸碰。

而且這些單細胞生物可以非常聰明：黏菌多頭絨泡菌的原生質體是一個大的變形蟲狀細胞，由一個樹枝狀的管狀結構網路組成。這種單細胞生物設法連線了找到最短連線的來源（Nakagaki 等人，2000 年），甚至可以建造類似於東京地鐵系統的有效、穩固且最佳化的網路結構（Tero 等人，2010 年）。此外，它不知何故發展了閱讀其軌跡的能力，並能判斷它是否以前去過某個地方：這樣它就可以節省能量，而不會在已經付出努力的地方覓食（Reid 等人，2012 年）。

一方面，草履蟲使用的方法不能太糟糕，因為它們已經存在了很長時間。另一方面，單個細胞機制在反應方面的靈活性和準確性不如更精細的生物版本，這些生物使用專門的專門系統來註冊環境：感覺系統。

並不簡單：三百零二個神經元

雖然人類有數億個感覺神經細胞，以及大約 $10^{11}$ 個神經細胞，但其他生物卻可以用更少的細胞。一個著名的例子是秀麗隱杆線蟲，一種總共只有 302 個神經元的線蟲。

秀麗隱杆線蟲是有神經系統的最簡單的生物之一，也是第一個被完全測序基因組的多細胞生物。（該序列於 1998 年公佈。）我們不僅瞭解其完整的基因組，而且還了解其所有 302 個神經元之間的連線。事實上，每個體細胞（成年雌雄同體 959 個；成年雄性 1031 個）的發育命運都已繪製出來。例如，我們知道 302 個神經元中只有 2 個負責趨化性（“由化學線索引導的運動”，即本質上是嗅覺）。然而，仍然有大量研究在進行 - 也包括其嗅覺 - 為了瞭解其神經系統是如何工作的。

感覺系統的基本原理

基於視覺系統的例子，我們可以描述我們的神經感覺系統的基本原理如下

所有感覺系統都基於

一個訊號，即物理刺激，提供有關我們周圍環境的資訊。
透過使用耳朵或眼睛的晶狀體來收集此訊號。
將此刺激轉導為神經訊號。
我們神經系統對這些資訊的處理。
以及由此產生的行為的產生。

雖然潛在的生理學將我們神經細胞的最大頻率限制在約 1 kHz，比現代計算機慢一百萬倍以上，但我們的神經系統仍然設法以看似輕鬆的方式執行令人驚歎的複雜任務。訣竅是存在大量神經細胞（大約 $10^{11}$ 個），而且它們之間有大量的連線（一個神經細胞可以與其他神經細胞建立多達 150,000 個連線）。

轉導

我們“感官”的作用是將來自我們周圍世界的相關資訊轉導為下一批接收該訊號的細胞可以理解的訊號型別：“神經系統”。（感覺系統通常被認為是神經系統的一部分。在這裡，我將嘗試將這兩者分開，感覺系統是指刺激轉導，神經系統是指隨後的訊號處理。）

請注意，只有相關資訊才應該由感覺系統轉導。我們感官的任務不是向我們展示我們周圍發生的一切。相反，他們的任務是從我們周圍的訊號中過濾出重要的部分：電磁訊號、化學訊號和機械訊號。我們的感覺系統轉導那些對我們（可能）重要的環境變數。而神經系統以這樣一種方式傳播它們，即我們採取的反應有助於我們生存，並傳遞我們的基因。

感覺換能器的型別

機械感受器
- 平衡系統（前庭系統）
- 聽覺（聽覺系統）
- 壓力
  - 快速適應（麥氏小體，帕西尼小體） ? 運動
  - 緩慢適應（墨氏盤，魯菲尼小體） ? 形狀評論：這些訊號傳遞速度很快
- 肌梭
- 高爾基腱器：位於肌腱中
- 關節感受器
化學感受器
- 嗅覺（嗅覺系統）
- 味覺
光感受器（視覺系統）：這裡有明暗感受器（視杆細胞）和三種不同的顏色感受器（視錐細胞）
溫度感受器
- 熱感受器（最大敏感度約為45°C，訊號溫度<50°C）
- 冷感受器（最大敏感度約為25°C，訊號溫度>5°C）
- 評論：這些訊號的資訊處理類似於視覺顏色訊號，並基於兩個感測器差異活動；這些訊號速度很慢
電感受器：例如，在鴨嘴獸的喙中
磁感受器
疼痛感受器（傷害感受器）：疼痛感受器也負責瘙癢；這些訊號傳遞速度很慢。

神經元

是什麼讓神經元與人體其他細胞（如肝細胞或脂肪細胞）有所區別？神經元獨一無二，因為它們

可以在兩種狀態之間快速切換（肌肉細胞也可以做到這一點）；
可以將這種變化傳播到特定方向並在更長距離內傳播（肌肉細胞無法做到這一點）；
並且這種狀態變化可以有效地傳遞給其他連線的神經元。

雖然存在超過 50 種截然不同的神經元型別，但它們都具有相同的結構

一個輸入階段，通常稱為樹突，因為輸入區域通常像樹枝一樣散開。輸入可以來自感覺細胞或其他神經元；它可以來自單個細胞（例如，視網膜中的雙極細胞接收來自單個視錐細胞的輸入），或者來自多達 150,000 個其他神經元（例如，小腦中的浦肯野細胞）；並且它可以是正的（興奮性的）或負的（抑制性的）。

一個整合階段：細胞體執行家務（產生能量、清理、生成所需化學物質等），整合傳入訊號，並確定何時將訊號傳遞到下一級。

一個傳導階段，軸突：一旦細胞體決定發出訊號，動作電位就會沿著軸突傳播，遠離細胞體。動作電位是神經元狀態的快速變化，持續約 1 毫秒。請注意，這定義了訊號傳播的明確方向，從細胞體到

輸出階段：輸出由突觸提供，即神經元與下一級神經元接觸的點，通常透過釋放神經遞質（即影響其他神經元的化學物質）來實現，這些化學物質隨後為下一個神經元提供輸入。

神經系統資訊處理的原理

並行處理

神經訊號處理中一個重要的原理是並行處理。來自不同位置的訊號具有不同的含義。這一特徵，有時也稱為線路標記，被

聽覺系統 - 用於訊號頻率
嗅覺系統 - 用於訊號甜或酸
視覺系統 - 用於訊號視覺訊號的位置
前庭系統 - 用於訊號不同的方向和運動

群體編碼

感覺資訊很少基於單個神經元訊號。它通常由神經元群體中不同的活動模式編碼。這一原理存在於我們所有的感覺系統中。

學習

神經細胞之間連線的結構並非一成不變。相反，它可以被修改，以融入我們所經歷的經驗。因此，大自然走在一條細線上

- 如果我們學得太慢，我們可能無法生存。一個例子是“旅鴿”，一種現已滅絕的美國鳥類。在上個世紀（以及前一個世紀），這種鳥類被大量獵殺。這種鳥類的錯誤在於：當其中一些被獵殺時，其他的則轉過身，也許是想看看發生了什麼。因此它們依次被獵殺 - 直到這種鳥類基本上滅絕。教訓：如果你學得太慢（即當你的所有夥伴都被殺死時才逃跑），你的物種可能無法生存。

- 另一方面，我們也不能學得太快。例如，帝王蝶會遷徙。但它們從“起點”到“終點”需要很長時間，以至於遷徙無法由一隻蝴蝶獨自完成。換句話說，沒有一隻蝴蝶能完成整個旅程。然而，基因傾向仍然告訴蝴蝶去哪裡，以及到達那裡後該做什麼。如果它們學得更快 - 它們永遠無法在它們的基因中儲存必要的資訊。與人體其他細胞不同，人體內的神經細胞不會再生。

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