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Module IV Peripheral Nervous System – Afferent (Sensory) Division INTRODUCTION: The CNS is constantly receiving a wide variety of information, or stimuli from the afferent (sensory)  division of the peripheral nervous system (PNS). Some of the information enters the CNS and gives rise to  conscious sensations. Other information does not give rise to conscious sensation, but might initiate reflex  control of a particular stimulus (Table 10­1). An example of the latter is blood pressure. We are unaware of our  blood pressure, but there are receptors that continuously send information on it to the CNS. The CNS monitors  this information, and acts to keep the pressure within a normal range. The receptors, the neural pathways from  the receptors to the brain, and the areas of the brain that process the information sent by these receptors, form  part of a sensory system. Information destined for the brain must first be detected by sensory receptors. Sensory receptors detect  environmental stimuli and transduce the information into codes that the brain can understand. The purpose of  this unit is to study sensory receptors in general, and the mechanisms by which information is detected and  translated into neural codes. A sensory system is part of the nervous system. It normally consists of at least three main elements: (i) a  sensory receptor that can detect stimuli from the external or internal environment, (ii) a sensory pathway  (neurons) that carries information from the receptor to the brain, and (iii) the parts of the brain that interpret and  process the information. The structure, function and organization of each of these elements are the topics of this  unit. You will note that you have a few more objectives than normal. Many of these require only a short  answer, and are included so that you can judge the degree of detail required of you in your learning. Sensory receptors are either (i) specialized receptor cells with which the peripheral axons of the  primary sensory neurons make synaptic­like contacts (Figure 10­1), or (ii) specialized peripheral endings of  afferent neurons (Figure 10­1). There are many kinds of sensory receptors, and each type of receptor will normally have a lower  threshold for one specific kind of energy (stimulus). For example, some receptors will respond more easily to  light, whereas others will respond more easily to temperature. This is referred to as the adequate stimulus. Note  the use of the term "more easily", because the sensation associated with a particular receptor is independent of  the nature of the applied stimulus. For example, the eyes contain receptors for light, but if they are "poked" the  sensation of light is experienced. The general classes of sensory receptors are described in Table 10­2. Sensory receptors respond to stimuli with graded potentials (also called receptor or generator  potentials) as explained on page 330. SENSORY RECEPTORS: • Simple receptors are neurons with free nerve endings • Complex neural receptors have nerve endings enclosed in connective tissue capsules • Special senses receptors are cells that release NT onto sensory neurons, intitating an action potential Threshold The minimum stimulus required to activate a receptor. Generator Potential Local depolarization of the membrane potential at the end of a sensory neuron in  graded response to the strength of a stimulus applied to the associated receptor  1 Module IV Peripheral Nervous System – Afferent (Sensory) Division organ, a pacinian corpuscle.  If the generator potential becomes large enough (because the stimulus is at least of  threshold strength), it causes excitation at the nearest node of Ranvier and a  propagated action potential. Receptor Potential Graded potential in a special senses receptor. Either initiates an action potential that travels along sensory fiber to CNS or  influences NT secretion by the receptor cell. Adequate Stimulus The form of energy to which a particular receptor is most responsive. PRIMARY & SECONDARY NEURONS: • Sensory neurons have receptive fields, the area where somatic sensory and visual neuron’s can be  activated Primary Sensory Neuron Secondary Sensory Neuron Sensory neuron that takes information from the  Spinal neurons that carry ascending information to the  sensory receptor to the spinal cord brain Receptive fields of primary sensory neurons overlap to form one large receptive field which converge on one  secondary sensory neuron and initiate an action potential Two­Point Discrimination Test: • The size of secondary receptive fields determines how sensitive a given area is to a stimulus • Two­point discrimination test uses 2 pins to measure sensitivity to touch o Convergence of many primary sensory neurons creates large secondary receptive field  Pin pricks perceived as a single prick (only one signal goes to brain) o When fewer neurons converge, secondary receptive fields are much smaller  Pin pricks activate separate pathways (2 pin pricks, 2 signals to brain) Two­point discrimination varies with the size of the secondary receptive field THE CNS INTEGRATES SENSORY INFORMATION: We now turn our attention to receptive fields. Every sensory neuron has a receptive field associated with  it. The receptive field is the area of the body that, when stimulated, will cause activity in the sensory neuron.  Receptive fields in the body are normally overlapping, and vary in size and in density of receptors. The receptive  field of the secondary neuron determines the acuity of localization of a stimulus. Small, overlapping fields result  in the highest acuity. See Figures 10­2 and 10­3. Lateral inhibition (Figure 10­6) aids in localization. Figure 10­7 illustrates how the sensory system codes for the intensity and duration of a stimulus. Note that  sometimes receptors stop responding to a stimulus, even though the stimulus has not changed. This adaptation  may happen rapidly or slowly (Figure 10­8). • Sensory information from much of the body enters the SC and travels through ascending pathways to the  brain o Each major division of the brain processes one or more types of sensory information 2 Module IV Peripheral Nervous System – Afferent (Sensory) Division • Perceptual threshold is the level of stimulus intensity required for you to be aware of a particular  sensation • CNS distinguishes FOUR properties of a stimulus o Modality (nature), location, intensity & duration 1. Sensory Modality • Indicated by which sensory neurons are activated and by where the  pathways of the activated neurons terminate in the brain o Each receptor type sensitive to a particular modality of stimulus  (touch, smell, sight, etc.) • Labeled line coding is the 1:1 association of a sensory receptor with a  sensation 2. Location of the  Stimulus • Coded by which sensory receptive fields are activated o Each receptor corresponds to a specific area of the brain • Lateral inhibition is a process in which sensory neurons close to a stimulus  are inhibited to intensify the perception of the stimulus • Populating coding states that multiple receptors send more info to CNS than  a single receptor 3. Stimulus Intensity • Coded by the number of receptors activated and the frequency of action  potentials coming from receptors • Populating coding states that the number of sensory receptors activated  encodes the intensity of a stimulus • As stimulus intensity increases, receptor amplitude increases  ▯Frequency of   action potentials in primary sensory neurons increases 4. Stimulus Duration • Coded by the duration of action potentials in the sensory neuron o Generally a longer stimulus generates a longer serious of action  potentials in the primary sensory neuron • However if stimulus persists, receptors adapt o Tonic receptors adapt slowly o Phasic receptors adapt rapidly 3 Module IV Peripheral Nervous System – Afferent (Sensory) Division To Summarize Specificity of Sensory Pathways: • Each receptor is most sensitive to a particular type of stimulus • A stimulus above threshold initiates action potentials in a sensory neuron that projects to the CNS • Stimulus intensity and duration are coded in the pattern of action potentials reaching the CNS • Stimulus location and modality are coded according to which receptors are activated or (in the case of  sound) by the timing of receptor activation • Each sensory pathway projects to a specific region of the cerebral cortex dedicated to a particular  receptive field o The brain can then tell the origin of each incoming signal Lateral Inhibition: • Process where sensory neurons close to a stimulus are inhibited to intensify the perception of the  stimulus o Enhances contrast and makes a stimulus easier to perceive o Increases contrast between active secondary receptors and inactive ones to isolate the location of  the stimulus Adaptation: • If a stimulus persists, some receptors adapt or cease to response • Receptors fall into 2 classes based on adaptation  Tonic Receptors Phasic Receptors Adapt slowly Adapt rapidly Fire rapidly when first activated, then slow an maintainFire when first receive a stimulus but ceases firing if  firing as long as stimulus is present the strength of a stimulus remains constant Used by parameters that must be monitored  Used to filter out old information so you can focus on  continuously by the body new, essential information General Classes of Somatosensory Receptors: Type of Receptor Respond To… Example of Stimuli Chemoreceptors Chemical ligands that bind to the receptor  Oxygen, pH, various organic  (taste and smell) molecules (glucose) Mechanoreceptors Various forms of mechanical energy,  Pressure (baroreceptors), cell  including pressure, vibration, gravity,  stretch (osmoreceptors), vibration,  acceleration & sound acceleration, sound Photoreceptors Light Photons of light Thermoreceptors Temperature Varying degrees of heat Nociceptors Strong, noxious stimuli Pain, itching Somatic Senses: 4 Module IV Peripheral Nervous System – Afferent (Sensory) Division • Touch • Temperature • Pain • Itch • Proprioception Somatosensory Cortex: Figure 10­10 shows the location of pathway terminations for different parts of the body. Note that the areas  that have the most receptors ( fingers, lips) are represented by a larger area of the somatosensory cortex. Note  also that the right side of the body is represented on the left hemisphere of the brain, and the left side of the body  on the right hemisphere. Do not try to memorize this figure. • Part of the brain that recognizes where ascending sensory tracts originate o Each sensory tract has a corresponding region in the cortex • The amount of space on the somatosensory cortex devoted to each body part is proportional to the  sensitivity of that body part o Hands occupy a larger area than your trunk does Touch & Temperature Receptors: • Touch receptors respond to many different stimuli o Most common receptors in the body • Temperature receptors are free nerve endings that terminate in the subcutaneous layers of skin o Cold receptors are sensitive to temperature lower than body temperature o Warm receptors stimulated by temperatures of normal body temperature (37 C) to 45 C Touch receptors are summarized in Table 10­4. Receptor Stimulus Location Structure Adaptation Free Nerve  Various touch &  Around hair roots and  Unmyelinated nerve  Variable Endings pressure stimuli under surface of skin endings Meissner’s  Flutter, stroking Superficial layers of  Encapsulated in  Rapid Corpuscles skin connective tissue Pacinian  Vibration Deep layers of skin Encapsulated in  Rapid Corpuscles connective tissue Ruffini  Stretch of skin Deep layers of skin Enlarged nerve  Slow Corpuscles endings Merkel Receptors Steady pressure,  Superficial layers of  Enlarged nerve  Slow
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