Systèmes sensoriels/Introduction

Introduction
Système auditif
Système vestibulaire
Système somatosensoriel
Système olfactif
Système gustatif

Aspects technologiques

Animaux

Pour survivre - au moins au niveau des espèces - nous devons continuellement prendre des décisions :

"Puis-je traverser la route ?"
"Puis-je fuir la créature devant moi ?"
"Puis-je manger la chose devant moi ?"
"Ou devrais-je essayer de m'accoupler avec ?"

Pour nous aider à prendre la bonne décision, et à prendre cette décision rapidement, nous avons développé un système élaboré : un système sensoriel pour remarquer ce qui se passe autour de nous et un système nerveux pour traiter toutes ces informations. Et ce système est grand, Très grand. Notre système nerveux contient environ $10^{11}$ cellules nerveuses (ou neurones), et environ 10 à 50 fois plus de cellules de soutien. Ces cellules de soutien, appelées gliacelles, comprennent les oligodendrocytes, les cellules de Schwann et les astrocytes. Mais avons-nous vraiment besoin de toutes ces cellules ?

Pour faire simple: Créatures Unicellulaires

La réponse est : "Non !" Nous n'avons pas besoin d'autant de cellules pour survivre. Les créatures existantes d'une seule cellule peuvent être grandes. Elles peuvent répondre à de multiples stimuli, et peuvent aussi être remarquablement intelligentes !

Les xénophyophores sont les plus grand organismes unicellulaires connues, et peuvent atteindre jusqu'à 20cm de diamètre!

Le Paramecium, ou "slipper animalcules", répond à la lumière ou au toucher.

Nous considérons souvent les cellules comme de très petites choses. Mais les xénophyophores (voir image) sont des organismes unicellulaires que l'on trouve dans tous les océans du monde et qui peuvent atteindre jusqu'à 20cm de diamètre.

Et même avec cette cellule unique, ces organismes peuvent répondre à un certain nombre de stimuli. Pour exemple regarder une créature du groupe des Paramecium : le paramecium est un groupe des protozoaires unicellulaires ciliés anciennement connus sous le nom de slipper animalcules, de leur forme de pantoufle. En dépit que ces créatures ne soient constituées que d'une seule cellule, elles sont capables de répondre à différents types de stimuli. Par exemple, à la lumière ou au toucher.

Physarum polycephalum (à gauche)

Et de tels organismes unicellulaires peuvent être étonnamment intelligents : le plasmodium de la moisissure visqueuse Physarum polycephalum' est une grande cellule amibienne constituée d'un réseau dendritique de structures tubulaires. Cette créature à cellule unique parvient à connecter les sources en trouvant les connexions les plus courtes (Nakagaki et al. 2000), et peut même construire des structures de réseau efficaces, robustes et optimisées qui ressemblent au système souterrain de Tokyo (Tero et al. 2010). De plus, elle a en quelque sorte développé la capacité de lire ses traces et de dire si elle a été dans un endroit avant ou non : de cette façon, elle peut économiser de l'énergie et ne pas fourrager à travers des endroits où l'effort a déjà été mis (Reid et al. 2012).

D'une part, l'approche utilisée par les paramécies ne peut pas être trop mauvaise, car elles existent depuis longtemps. D'autre part, un mécanisme à cellule unique ne peut pas être aussi flexible et précis dans ses réponses qu'une version plus raffinée des créatures, qui utilisent un système dédié et spécialisé juste pour l'enregistrement de l'environnement : un système sensoriel.

Plus complexe: Trois-cent-deux neurones

Alors que les humains ont des centaines de millions de cellules nerveuses sensorielles, et environ $10^{11}$ cellules nerveuses, d'autres créatures s'en sortent avec beaucoup moins. L'un des plus célèbres est le Caenorhabditis elegans, un nématode avec un total de 302 neurones.

C. elegans est l'un des organismes les plus simples avec un système nerveux, et c'est le premier organisme multicellulaire à avoir son génome complètement séquencé. (La séquence a été publiée en 1998.) Et non seulement nous connaissons son génome complet, mais nous connaissons aussi la connectivité entre les 302 de ses neurones. En fait, le sort développemental de chaque cellule somatique (959 dans l'hermaphrodite adulte ; 1031 chez le mâle adulte) a été cartographié. Nous savons, par exemple, que seuls 2 des 302 neurones sont responsables de la chimiotaxie ("mouvement guidé par des indices chimiques", c'est-à-dire essentiellement l'odeur). Néanmoins, de nombreuses recherches sont encore menées, y compris sur son odeur, afin de comprendre le fonctionnement de son système nerveux.

Principes généraux de Systèmes Sensorielles

En se basant sur l'exemple du système visuel, le principe général qui sous-tend notre système neurosensoriel peut être décrit comme suit :

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Tous les systèmes sensoriels sont basés sur:

un Signal, c'est-à-dire un stimulus physique qui fournit des informations sur notre environnement.
la Collection de ce signal, par exemple en utilisant une oreille ou la lentille d'un œil.
la Transduction de ce stimulus en un signal nerveux.
le traitement de cette information par notre système nerveux.
Et la génération d'une Action résultante.

Bien que la physiologie sous-jacente limite la fréquence maximale de nos cellules nerveuses à environ 1 kHz, soit plus d'un million de fois plus lente que les ordinateurs modernes, notre système nerveux parvient toujours à accomplir des tâches étonnamment difficiles avec une apparente facilité. Le truc, c'est qu'il y a beaucoup de cellules nerveuses (environ $10^{11}$ ), et elles sont massivement connectées (une cellule nerveuse peut avoir jusqu'à 150 000 connexions avec d'autres cellules nerveuses).

Transduction

Le rôle de nos "sens" est de transformer l'information pertinente du monde qui nous entoure en un type de signal qui est compris par les cellules suivantes qui reçoivent ce signal : le "Système Nerveux". (Le système sensoriel est souvent considéré comme faisant partie du système nerveux. Ici, je vais essayer de les séparer, l'expression Système Sensoriel faisant référence à la transduction du stimulus, et le Système Nerveux faisant référence au traitement ultérieur du signal.

Notez ici que seule l'information pertinente doit être transduite par le système sensoriel. La tâche de nos sens est de ne pas nous montrer tout ce qui se passe autour de nous. Leur tâche consiste plutôt à filtrer les bits importants des signaux qui nous entourent : les signaux électromagnétiques, les signaux chimiques et les signaux mécaniques. Nos systèmes sensoriels transduisent les variables environnementales qui sont (probablement) importantes pour nous. Et le système nerveux les propage de telle sorte que les réponses que nous prenons nous aident à survivre et à transmettre nos gènes.

Types de transducteur sensoriel

Récepteurs mécaniques
- Système de balance (système vestibulaire)
- Ouïe (système auditif)
- Pression :
  - Adaptation rapide (Meissner’s corpuscle, Pacinian corpuscle) ? mouvement
  - Adaptation lente (Merkel disks, Ruffini endings) ? forme Comment: ces signaux sont transférés rapidement
- Broches musculaires
- Organes de Golgi : dans les tendons
- Récepteurs articulaires
Récepteurs chimiques
- Odeur (système olfactif)
- Goût
Récepteurs de lumière (système visuel): nous avons ici des récepteurs lumière-obscurité (bâtonnets), et trois récepteurs de couleur différente (cônes).
Thermorécepteurs
- Capteurs de chaleur (sensibilité maximale à ~ 45°C, températures de signal < 50°C)
- Capteurs de froid (sensibilité maximale à ~ 25°C, températures du signal > 5°C)
- Comment: Le traitement de l'information de ces signaux est similaire à celui des signaux visuels couleur, et est basé sur l'activité différentielle des deux capteurs ; ces signaux sont lents.
Électro-récepteurs: par exemple dans le projet de loi de l'ornithorynque
Magnéto-récepteurs
Récepteurs de la douleur (nociocepteurs): Les récepteurs de la douleur sont également responsables des démangeaisons ; ces signaux sont transmis lentement.

Neurones

Qu'est-ce qui distingue les neurones des autres cellules du corps humain, comme les cellules hépatiques ou les cellules graisseuses ? Les neurones sont uniques, en ce sens qu'ils :

peut passer rapidement d'un état à l'autre (ce qui peut aussi être fait par les cellules musculaires);
peut propager ce changement dans une direction spécifiée et sur de plus longues distances (ce qui ne peut pas être fait par les cellules musculaires);
et ce changement d'état peut être signalé efficacement à d'autres neurones connectés.

Bien qu'il existe plus de 50 types de neurones distincts, ils partagent tous la même structure :

a) Dendrites, b) Soma, c) Nucleus, d) Axon hillock, e) Sheathed Axon, f) Cellule Myelin, g) Nœud de Ranvier, h) Synapse

Un stade d'entrée, souvent appelé dendrites, car la zone d'entrée s'étale souvent comme les branches d'un arbre. L'entrée peut provenir de cellules sensorielles ou d'autres neurones, elle peut provenir d'une seule cellule (par exemple, une cellule bipolaire dans la rétine reçoit l'entrée d'un seul cône), ou d'un maximum de 150'000 autres neurones (par exemple, les cellules de Purkinje dans le cervelet). Et elle peut être positive (excitatrice) ou négative (inhibitrice).

Un stade d'intégration: le corps cellulaire effectue les tâches ménagères (production d'énergie, nettoyage, production des substances chimiques nécessaires, etc.), combine les signaux entrants et détermine quand passer un signal sur la ligne.

Un étage conducteur, l'axone : Une fois que le corps cellulaire a décidé d'envoyer un signal, un potentiel d'action se propage le long de l'axone, loin du corps cellulaire. Un potentiel d'action est un changement rapide de l'état d'un neurone, qui dure environ 1 ms. Notez que ceci définit une direction claire dans la propagation du signal, depuis le corps de la cellule jusqu'au :

Stade de sortie : La sortie est fournie par les synapses, c'est-à-dire les points où un neurone entre en contact avec le neurone suivant le long de la ligne, le plus souvent par l'émission de neurotransmetteurs (c'est-à-dire des produits chimiques qui affectent d'autres neurones) qui fournissent ensuite une entrée au neurone suivant.

Principes du traitement de l'information dans le système nerveux

Traitement parallèle

Un principe important dans le traitement des signaux neuronaux est le parallélisme. Les signaux provenant d'endroits différents ont des significations différentes. Cette caractéristique, parfois aussi appelée étiquetage de ligne, est utilisée par le

Système auditif - pour signaler la fréquence du signal
Système olfactif - pour signaler l'amertume ou l'amertume.
Système visuel - pour signaler l'emplacement d'un signal visuel.
Système vestibulaire - pour signaler différentes orientations et mouvements.

Codage de la population

L'information sensorielle est rarement basée sur le signal nerveux. Elle est typiquement codée par différents modèles d'activité dans une population de neurones. Ce principe se retrouve dans tous nos systèmes sensoriels.

Apprentissage

La structure des connexions entre les cellules nerveuses n'est pas statique. Au lieu de cela, il peut être modifié pour incorporer les expériences que nous avons faites. Ainsi, la nature marche sur une fine ligne :

Pigeon voyageur

- Si nous apprenons trop lentement, nous risquons de ne pas y arriver. Un exemple est le "Pigeon voyageur", un oiseau américain aujourd'hui disparu. Au siècle dernier (et celui d'avant), cet oiseau a été abattu en grand nombre. L'erreur de l'oiseau était : quand certains d'entre eux ont été abattus, les autres se sont retournés, peut-être pour voir ce qui se passe. On leur a donc tiré dessus à tour de rôle - jusqu'à ce que les oiseaux aient essentiellement disparu. La leçon : si vous apprenez trop lentement (c.-à-d. à vous enfuir lorsque tous vos compagnons sont tués), votre espèce pourrait ne pas s'en sortir.

Papillon monarque femelle

- D'autre part, nous ne devons pas non plus apprendre trop vite. Par exemple, le papillon monarque migre. Mais il leur faut tellement de temps pour aller du "début" à la "fin", que la migration ne peut pas être faite par un seul papillon. En d'autres termes, aucun papillon ne fait tout le voyage. Néanmoins, la disposition génétique indique toujours aux papillons où aller et quand ils sont là. S'ils apprenaient plus vite, ils ne pourraient jamais stocker l'information nécessaire dans leurs gènes. Contrairement aux autres cellules du corps humain, les cellules nerveuses ne sont pas régénérées dans le corps humain.