Sansesystemer/Introduksjon

For å overleve – i det minste på artsnivå – trenger man å ta beslutninger kontinuerlig:

«Burde jeg krysse veien?»
«Burde jeg løpe vekk fra vesenet foran meg?»
«Burde jeg prøve å spise den som står foran meg?»
«Burde jeg parre meg med den?»

For å hjelpe oss å ta det rette valget, og ta det raskt, har vi utviklet et innfløkt system: et sansesystem for å legge merke til hva som skjer rundt oss, og et nervøst system for å behandle informasjonen. Dette systemet er stort – veldig stort! Nervesystemet inneholder omtrent $10^{11}$ nerveceller (eller nevroner), og ca. 10-50 ganger så mange støtteceller. Disse støttecellene, kalt gliaceller, inkluderer oligodendrocytter, Schwann-celler og astrocytter. Men trenger vi virkelig alle disse cellene?

Hold det enkelt: encellede vesener

Svaret er “Nei!». Vi trenger egentlig ikke så mange celler for å overleve. Vesener som består av en eneste celle kan være store, svare på forskjellig stimuli, og være utrolig smarte!

Xenophyophorer er de største kjente encellede organismene, og kan bli opptil 20 cm i diameter!

Paramecium, eller "tøffeldyr", responderer på lys og berøring.

Vi tenker ofte på celler som veldig små, men Xenophyophorer (se bilde) er encellede organismer som kan finnes i alle verdens hav, og kan bli så store som 20 cm i diameter. Med bare en celle kan disse organismene respondere på flere stimuli. For eksempel: Paramecium er en gruppe encellede protozoiske ciliater, bedre kjent som tøffeldyr, på grunn av sin karakteristiske tøffel-form (på tysk heter de Pantoffeltierchen). Tøffeldyr kan, på tross av sin encellethet, respondere på forskjellige miljørelaterte stimuli, som lys og berøring.

Physarum polycephalum (left)

Disse organismene kan også overraske i intelligens: plasmodium, fra slimsoppen Physarum polycephalum, er en stor amøbelignende celle bestående av et dendrittisk nettverk av tubeformede strukturer. Denne organismen klarer å koble kilder sammen for å finne de raskeste strekningene (Nagasaki et al., 2000), og kan til og med bygge effektive, robuste og optimerte nettverksstrukturer som ligner på Tokyos undergrunnssystem. (Tero et al., 2010). I tillegg har slimsoppen klart å utvikle muligheten til å forstå at den har vært på et spesifikt sted før – på denne måten kan den spare energi og slippe å gå gjennom områder der innsats har blitt lagt inn allerede (Reid et al., 2012). Denne fremgangsmåten må til en viss grad være funksjonell, siden slimsoppen har kunnet eksistere lenge. På den annen side mangler en encellet organisme fleksibilitet og nøyaktighet i sine reaksjoner til omgivelsene, sammenlignet med vesener som har et spesialisert system dedikert til registrering av miljøet rundt dem – et sansesystem.

Ikke så enkelt: 302 nevroner

Mens mennesket har hundrevis av millioner av nerveceller, har andre organismer mange færre. Et kjent eksempel er Caenorhabditis elegans en nematode (rundorm) med totalt 302 nevroner.

C. elegans er en av de enkleste levende vesenene som har et nervesystem, og var den første multicellulære organismen til å få helet genomet sitt sekvensert (sekvensen ble publisert i 1998). Ikke bare kjenner vi til det fullstendige genomet, vi har også koblingene mellom alle 302 nevronene - hver eneste kroppscelle (959 for en hermafroditisk voksen, 1031 for en maskulin voksen) og dens utvikling har blitt kartlagt. Vi vet, for eksempel, at bare to av 302 nevroner er ansvarlige for kjemotaksis («bevegelse ledet av kjemiske indikasjoner», f.eks. luktesans). Likevel blir det fortsatt gjennomført mye forskning på området – også når det gjelder luktesansen – for å forstå hvordan nervesystemet dets fungerer.

Generelle prinsipper i sansesystemer

Menneskets nevro-sensorielle system, eksemplifisert gjennom det visuelle systemet, kan oppsummeres på følgende vis:

690

Alle sansesystemer er basert på:

Et signal (fysisk stimuli), som gir informasjon om omgivelsene
Innsammlingen av dette signalet (f.eks. via øret eller linsen i øyet)
Transduksjonen av dette stimuliet til et nervesignal
Behandlingen av denne informasjonen av nervesystemet, som resulterer i et aksjonspotensial

Selv om dens underliggende fysiologi begrenser nervecellenes maksimale frekvens til omtrent 1kHz (mer enn en million ganger tregere enn moderne datamaskiner), klarer nervesystemet likevel å gjennomføre utrolig vanskelige oppgaver uten store problemer. Trikset ligger i antallet nerveceller (rundt $10^{11}$ ), og at de er massivt sammenkoblet – en nervecelle kan ha opp til 150 000 koblinger til andre nerveceller.

Transduksjon

Sansesystemet blir ofte ansett som en del av nervesystemet, men her vil de holdes adskilt. Vi vil bruke «sansesystemet» om stimuli-transduksjon, og «nervesystemet» om den påfølgende signalbehandlingen. Sansenes rolle i systemet er derfor å omgjøre relevant informasjon fra omverdenen til en type signal som kan forstås av nervesystemet (cellene som mottar signalet). Det er viktig at bare den relevante informasjonen tas opp av sansesystemet. Sansenes oppgave er ikke å vise oss alt som skjer rundt oss, men å filtrere ut den viktigste informasjonen – av elektromagnetiske, kjemiske og mekaniske signaler. Det er denne informasjonen som nervesystemet sender videre, slik at vi kan ta de riktige beslutningene for å maksimere overlevelse og muligheten til å spre genene våre.

Forskjellige sansetransduktorer

Mekaniske reseptorer
- Balanse (vestibulærsystemet)
- Hørsel
- Trykk
  - Rask tilpasning (Meissners korpuskel, Pacinisk korpuskel)
  - Treg tilpasning (Merkels disker, Ruffini-endinger)
- Muskelspoler
- Golgi-organer (i senene)
- Ledd-reseptorer
Kjemiske reseptorer
- Lukt
- Smak
Lys-reseptorer (visuelt system)
- Lys-mørke (stavceller)
- Farge (3 forskjellige kjegleformede celler)
Termoreseptorer
- Varmereseptorer (maksimum sensitivitet er rundt 45 °C, signaltemperatur < 50 °C )
- Kuldereseptorer (maksimum sensitivitet er rundt 25 °C, signaltemperatur > 5 °C)
- Kommentar: Informasjonsbehandling ligner på den som utføres på det visuelle systemet, og er trege. For temperaturer utenfor signaltemperatur blir smertereseptoren aktivert.
Elektro-reseptorer (f.eks. i nebbet til et nebbdyr)
Magnet-reseptorer
Smertereseptorer (nosioseptorer)

Trege signal, som også er ansvarlige for kløe.

Nevroner

Hva er forskjellen mellom nevroner og andre kroppsceller, som lever- og fettceller? Nevroner er unike, fordi de kan:

Raskt bytte mellom to tilstander (også mulig for muskelceller)
Videreføre dette byttet i en spesifikk retning over lengre distanser
Informere tilkoblede nevroner om tilstandsbyttet

Selv om det finnes mer enn 50 forskjellige typer nevroner, har de alle samme struktur:

a) Dendritter, b) Soma, c) Kjerne, d) Akson-hillokk, e) Mantelakson, f) Myelincelle, g) Ranvier-node, h) Synapse

Et tilførselsstadium, i dendritten (som har form som grenene på et tre). Input kan komme fra sanseceller eller andre nevroner – fra en celle (f.eks. hos en bipolar celle i netthinnen) eller opptil 15 000 (f.eks. Purkinje-celler i Cerebellum). Signalet kan være positivt (eksiterende) eller negativt (inhiberende).
Et integrativt stadium, i cellekroppen. Her gjøres ”husarbeidet”, dvs. nødvendig energi- og kjemikalie-generering, og opprydningen etterpå.
Et konduktivt stadium, i aksonet. Når cellekroppen har bestemte seg for å sende ut et signal, sendes et aksjonspotensial ut langs aksonet, vekk fra cellekroppen. Et aksjonspotensial er en rask endring in nevronets tilstand, som varer omtrent 1 millisekund. Denne endringens utsending har en klar retning.
Et utgangsstadium, i synapsen. Dette stadiet er ansvarlig for å kommunisere informasjonen i aksjonspotensialet, gjennom nevrotransmittere (kjemiske stoffer som påvirker tilkoblede nevroner). Disse nevrotransmitterene er utgangspunktet for tilførselsstadiet til de tilkoblede nevronene.

Informasjonsbehandling i nervesystemet

Parallelbehandling

Et viktig prinsipp for behandling av nervesignaler er parallelisme. Signaler fra forskjellige steder har forskjellige betydninger – denne prosessen, kalt «merking», blir brukt av:

Hørselssystemet: for å signalisere frekvens
Smakssystemet: for å signalisere søt eller sur smak
Synssystemet: for å signalisere plasseringen av et visuelt signal
Vestibulærsystemet: for å signalisere orientering og bevegelse

Befolkningskoding

Sanseinformasjon er sjelden funnet i signalnervene, den blir ofte kodet av forskjellige aktivitetsmønstre i en gruppe nevroner. Dette prinsippet kan bli funnet i hele sansesystemet.

Læring

Koblingsstrukturen mellom nerveceller er ikke statisk – den kan bli endret til å inkorporere erfaring vi har fått. Naturen går derfor en fin balansegang.

Eskimospova

Hvis vi lærer for sakte, overlever vi kanskje ikke. Et eksempel er «Eskimospova», en amerikansk fugl som kan være utdødd nå. I forrige århundre (og århundret før det) ble spova jaktet på og massivt skutt ned. Feilen de ikke rettet opp i tide var å snu seg etter lyden av skuddet da en annen fugl ble skutt. Slik ble de også et enkelt bytte for jegeren. Leksen: hvis man ikke lærer fort nok (f.eks. å rømme når en artsfrende blir drept), vil ikke arten din overleve.

På den annen side må man ikke lære for fort heller. Monarksommerfuglen, for eksempel, migrerer – men strekningen er så lang at ett sommerfuglliv ikke rekker til. Likevel vet de hvor de skal gå, og når de er fremme, ved hjelp av genetisk disposisjon. Hvis de hadde lært fortere, ville de ikke kunnet lagre den nødvendige informasjonen i genene.