Mapy sensoryczne - Sensory maps
Mapy sensoryczne to obszary mózgu, które reagują na stymulację sensoryczną i są zorganizowane przestrzennie zgodnie z pewnymi cechami stymulacji sensorycznej. W niektórych przypadkach mapa sensoryczna jest po prostu topograficzną reprezentacją powierzchni sensorycznej , takiej jak skóra , ślimak lub siatkówka .. W innych przypadkach reprezentuje inne właściwości bodźca wynikające z obliczeń neuronowych i jest na ogół uporządkowany w sposób, który odzwierciedla obwód. Przykładem jest mapa somatosensoryczna, która jest projekcją powierzchni skóry w mózgu, która organizuje przetwarzanie wrażeń dotykowych. Ten typ mapy somatotopowej jest najczęstszy, prawdopodobnie dlatego, że pozwala fizycznie sąsiadującym obszarom mózgu reagować na fizycznie podobne bodźce na obrzeżach lub ponieważ pozwala na większą kontrolę motoryczną.
Kora somatosensoryczna sąsiaduje z pierwotną korą ruchową, która jest podobnie zmapowana. Mapy sensoryczne mogą odgrywać ważną rolę w ułatwianiu reakcji motorycznych. Innymi przykładami organizacji mapy sensorycznej może być to, że sąsiednie regiony mózgu są powiązane bliskością receptorów, które przetwarzają, jak na mapie ślimaka w mózgu, lub że podobne cechy są przetwarzane, jak na mapie detektorów cech lub retinotopie. map, lub że kody czasowe są używane w organizacji, jak w mapach orientacji sowy poprzez międzyuszną różnicę czasu między uszami. Te przykłady istnieją w przeciwieństwie do niezmapowanych lub losowo rozmieszczonych wzorców przetwarzania. Przykładem niezmapowanego systemu przetwarzania sensorycznego jest system węchowy, w którym niepowiązane substancje zapachowe są przetwarzane obok siebie w opuszce węchowej. Oprócz przetwarzania niezmapowanego i zmapowanego, bodźce mogą być przetwarzane w wielu mapach, tak jak w ludzkim układzie wzrokowym.
Neurobiologia
Mapy sensoryczne tworzone są przede wszystkim w obrębie kory somatosensorycznej, zwanej również korą czuciową. Centralny układ nerwowy jest połączony z tą korą i wszystkimi innymi częściami organizmu. Zarówno kora somatosensoryczna, jak i centralny układ nerwowy zbudowane są z neuronów, które łączą się ze sobą w celu przekazywania impulsów elektrycznych w całym ciele.
Centralny układ nerwowy, gdy uświadomiony sobie o różnych bodźcach poza ciałem, wysyła sygnały do mózgu. Sygnały te wysyłane są przez różne części ciała, np. układ słuchowy, system wykorzystujący dotyk i układ wzrokowy. Każdy system tworzy różne mapy sensoryczne, które są połączone w celu dokładniejszej analizy otoczenia organizmu. Dla jednego układu sensorycznego istnieje wiele map, które analizują bodziec. Mapy te współpracują ze sobą, aby zebrać informacje przestrzenne, charakterystyczne i informacje o działaniach z otoczenia. Organizm działa wtedy w oparciu o informacje, które otrzymuje i już posiada. Naukowcy spekulują, że te połączenia nerwowe rosły coraz bardziej w ciągu życia organizmu, a także były przekazywane genetycznie przez wcześniejsze pokolenia.
Funkcje
Zmapowane obszary przetwarzania sensorycznego są złożonym zjawiskiem i dlatego muszą mieć przewagę adaptacyjną, ponieważ jest wysoce nieprawdopodobne, aby złożone zjawiska pojawiały się w inny sposób. Mapy sensoryczne są również bardzo stare w historii ewolucji, ponieważ są prawie wszechobecne u wszystkich gatunków zwierząt i występują w prawie wszystkich systemach sensorycznych. Dynamiczna natura neuronów, które zbierają informacje sensoryczne w celu tworzenia tych map, pozwala różnym bodźcom zmieniać mapy utworzone przez inne neurony czuciowe w przeszłości. Ponadto dla jednego systemu sensorycznego może istnieć wiele różnych map współpracujących ze sobą w celu analizy różnych aspektów bodźca. Niektóre zalety map sensorycznych zostały wyjaśnione w badaniach naukowych:
- Adaptacja: Mapy można dostosowywać za pomocą bodźców poza ich pierwotnym utworzeniem. Na przykład: jeśli mapa sensoryczna została sporządzona poprzez stymulację wzrokową, bodźce słuchowe, które wyrażają inne informacje niż widziane wcześniej, mogą dostosować mapę sensoryczną i uczynić ją dokładniejszą w zrozumieniu otoczenia organizmu. Mapy sensoryczne zawierają cechę adaptacyjną, która umożliwia im łączenie się z wieloma różnymi neuronami i wciąż pozwala zrozumieć środowisko organizmu. Niemniej jednak mapy sensoryczne mogą być przekazywane genetycznie z pokolenia na pokolenie.
- Wypełnianie: Kiedy stymulacja sensoryczna jest zorganizowana w mózgu w jakiejś formie wzorca topograficznego, zwierzę może być w stanie „uzupełnić” brakujące informacje za pomocą sąsiednich obszarów mapy, ponieważ zwykle są one aktywowane razem, gdy wszystkie informacje są obecny. Utratę sygnału z jednego obszaru można uzupełnić z sąsiednich obszarów mózgu, jeśli te obszary dotyczą fizycznie powiązanych części obwodu. Jest to widoczne w badaniach na zwierzętach, gdzie neurony graniczące z uszkodzonym lub uszkodzonym obszarem mózgu (który kiedyś przetwarzał zmysł dotyku w dłoni), aby odzyskać przetwarzanie tego obszaru czuciowego, ponieważ przetwarzają informacje z sąsiednich obszarów dłoni.
- Hamowanie boczne: Hamowanie boczne jest zasadą organizującą, pozwala na kontrast w wielu systemach, od wzrokowego po somatosensoryczny. Oznacza to, że jeśli sąsiednie obszary hamują się nawzajem, stymulacja, która aktywuje jeden obszar mózgu, może jednocześnie hamować sąsiednie obszary mózgu, aby uzyskać ostrzejsze rozwiązanie między bodźcami. Jest to widoczne w układzie wzrokowym człowieka, gdzie można wykryć ostre linie między jasnymi i ciemnymi obszarami z powodu prostych komórek, które hamują swoich sąsiadów. Badania pokazują, że dwa różne rodzaje bodźców mogą wysyłać sygnały do ośrodkowego układu nerwowego, a najnowszy może zmienić inny bodziec. Na budowanie map sensorycznych poprzez hamowanie sensoryczne może mieć duży wpływ synchronizacja. Aktualność i powtarzanie między dwoma powiązanymi ze sobą bodźcami dostosuje mapy sensoryczne, aby uzyskać jak najdokładniejsze zrozumienie środowiska danej osoby. Hamowanie boczne pomaga również w rozróżnianiu dwóch różnych bodźców, gdy mają być połączone. Na przykład w filmie lub wideo, w którym dźwięk i obrazy mają być zsynchronizowane. Jeśli dźwięk jest odtwarzany w innym czasie niż obrazy na ekranie, hamowanie boczne pomaga odróżnić, kiedy dźwięk i obrazy były synchroniczne, a kiedy były synchroniczne.
- Podsumowanie: Organizacja umożliwia również sumowanie powiązanych bodźców w neuronalnej ocenie informacji sensorycznych. Przykłady tego można znaleźć w sumowaniu sygnałów dotykowych neuronowych lub wizualnych przy słabym oświetleniu. w analizie danych w naukach i korporacjach, ponieważ jest przykładem hierarchicznego porządku, który generuje efektywność.
- Wpływ behawioralny: Mapy sensoryczne są powiązane z odruchami motorycznymi, które reagują na informacje sensoryczne. Innymi słowy, systemy sensoryczne i motoryczne przeplatają się z mapami sensorycznymi. Reakcje na bodźce opierają się na hierarchicznym systemie, który w najmniejszym stopniu organizuje najważniejsze bodźce. Następnie układ motoryczny reaguje lub nie reaguje w zależności od poziomu ważności.
Rodzaje
Mapy topograficzne
Mapy te można traktować jako mapowanie powierzchni ciała na strukturę mózgu. Innymi słowy, mapy topograficzne są zorganizowane w układzie nerwowym w sposób, który jest projekcją powierzchni czuciowej w mózgu. Oznacza to, że organizacja na peryferiach odzwierciedla kolejność przetwarzania informacji w mózgu. Ta organizacja może być somatotopowa, jak w dotyku, lub tonotopowa, jak w uchu, a mapa retinotopowa, która jest rozmieszczana w mózgu, gdy komórki są rozmieszczane na siatkówce. Neurony na powierzchni ciała mają znaczenie w naszym codziennym życiu. Jest więcej neuronów połączonych z częściami powierzchni ciała, gdy role neuronów są ważniejsze niż inne neurony w odniesieniu do naszego samopoczucia.
Według naukowców kończyny fantomowe aktywują mapy sensoryczne. Ponieważ nie ma rzeczywistego połączenia między kończyną po amputacji a resztą ciała, zakłada się, że gdy kończyna została odłączona od reszty ciała, mapy czuciowe utworzone przed amputacją są nadal aktywne i są aktywowane bez rzeczywisty bodziec.
Przykłady
- Wilder Penfield odkrył oryginalną mapę topograficzną w postaci wewnętrznego homunkulusa somatosensorycznego . Jego praca nad ludzkimi systemami nerwowymi pokazała, że obszary mózgu, które przetwarzają wrażenia dotykowe, są mapowane w ten sam sposób, w jaki układane jest ciało. Ta mapa sensoryczna wyolbrzymia pewne regiony, które mają wiele obwodowych komórek zmysłowych, takich jak usta i dłonie, jednocześnie zmniejszając względną przestrzeń do przetwarzania obszarów z niewielką liczbą receptorów, takich jak plecy.
- Komórki rzęsate w układzie słuchowym wykazują organizację tonotopową. Ten układ tonotopowy oznacza, że komórki są rozmieszczone w zakresie od niskiej do wysokiej częstotliwości i przetwarzane w tej samej organizacji w mózgu.
Mapy obliczeniowe
Mapy te są zorganizowane w całości w systemie neuronowym lub zorganizowane w sposób nieobecny na peryferiach. Informacje sensoryczne do map obliczeniowych pochodzą z bodźców słuchowych i wzrokowych. Tak więc każda informacja słuchowa lub wizualna, która jest tworzona za pomocą obliczeń neuronowych, czyli gdy mózg łączy dwa lub więcej bitów informacji w celu uzyskania od nich nowych informacji, może się łączyć, aby zmienić już istniejącą mapę sensoryczną w celu uwzględnienia nowych informacji . Często mapy te obejmują porównywanie, jak w przypadku odejmowania w celu uzyskania opóźnienia czasowego, dwóch bodźców, takich jak informacje dźwiękowe przychodzące z różnych uszu, w celu wytworzenia wartościowej nowej informacji o tych bodźcach, tak jak w miejscu ich powstania. Opisany proces zachodzi w układzie nerwowym sowy bardzo szybko.
Przykłady
- Mapa Jeffresa była teorią, w jaki sposób mózg może obliczyć międzyuszne różnice czasu (ITD) lub różnice w czasie nadejścia bodźca między dwojgiem uszu. Jeffres słynął z tworzenia teoretycznego mechanizmu tworzenia mapy miejsca z informacji o czasie, co wyjaśniało, jak niektóre zwierzęta mogą wydawać się mieć „mapę wyszukiwania” miejsca, z którego dochodzi dźwięk. System neuronowy oblicza tę ITD w Systemie Słuchowym Owl, a rzeczywisty system neuronowy prawie dokładnie odpowiada teorii Jeffresa Map. Mapa Jeffresa pokazuje, w jaki sposób sygnały ITD są wykorzystywane do określania odległości i kierunku u sowy.
- Detektory cech w systemie wizualnym to kolejny przykład map obliczeniowych. Żadna część systemu fizycznego w oczach nie analizuje tak naprawdę cech takich jak proste komórki w mózgu. Ten system jest dobrze przebadany u żab. Wiadomo, że żaby wykrywają specyficzne „robakowate” cechy w swoim środowisku i sterowane całkowicie przez układ nerwowy rzucają się na nie, nawet jeśli są to serie białych kwadratów w linii imitującej podstawowego robaka. Tworzenie iluzji w naszych mapach sensorycznych to sposób, w jaki organizmy wypełniają nieznane informacje o swoim otoczeniu.
- Istnieje również porównanie modulacji częstotliwości z modulacją częstotliwości w systemie słuchowym nietoperzy, które jest używane w echolokacji. To porównanie FM-FM określa trzepotanie ich celu i zostało rozsławione w pracy Sugi.
- Kiedy badano układy motoryczne i sensoryczne za pomocą ryb, naukowcy odkryli, że mogą istnieć mapy obliczeniowe między nimi. Ryby, u których centralny układ nerwowy był dezaktywowany dla określonego przydatka, dostosowały swoje poprzednie naturalne zachowanie. Naukowcy uważają, że informacje sensoryczne często poprzedzają działania i decyzje podejmowane przez organizmy. Tak więc, gdy pojawiają się dodatkowe informacje podawane przez bodźce zewnętrzne lub ich brak, ich zachowanie zmienia się, aby dostosować się do nowego otoczenia.
Mapy abstrakcyjne
Mapy abstrakcyjne to mapy, które są również tworzone przez bodźce poza organizmem, ale nie mają one powierzchni, za pomocą której tworzy mapę w mózgu. Są uporządkowane jak mapy topograficzne i obliczeniowe, ale ich cechy są abstrakcyjne. Tego typu mapy są związane z widzeniem koloru.