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PSYCH 2NF3 (39)
Chapter 8

Chapter 8- Organization of the Sensory Systems.docx

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McMaster University
Ayesha Khan

Psych 2NF3: Basic and Clinical Neuroscience Chapter 8: Organization of the Sensory Systems Sensory Receptors ­ Transduce, or convert, sensory energy into neural activity ­ Receptors are energy filters: • Designed to respond only to a narrow band of energy within ach  modality’s energy spectrum • We refer to people who lack receptors for parts of the usual visual  spectrum as being colour deficient or colour­blind • There are also differences in the visual receptors of individual people who  see the usual range of colour • For each species and individual, sensory systems filter the possible  sensory world to produce an idiosyncratic representation of reality ­ Receptors transduce energy: • For vision, light energy is converted into chemical energy in the  photoreceptors of the retina, and this chemical energy is in turn converted  into action potentials • In the auditory system, air­pressure waves are converted into a number of  forms of mechanical energy, the last of which eventually activates the  auditory receptors, which then produce action potentials • In the somatosensory system, mechanical energy activates  mechanoreceptors, cells that are sensitive, say, to touch or pain.  Somatosensory receptors in turn generate action potentials • For taste and olfaction, various chemical molecules carried by the air or  contained in food fit themselves into receptors of various shapes to  activate action potentials • For pain sensation, tissue damage releases a chemical that acts like a  neurotransmitter to activate pain fibers and thus produce action potentials • The dendrite of a somatosensory neuron is wrapped around the base of the  hair. When the hair is displaced, t+e dendrite is stretched by the  displacement. The dendrite has Na  channels that are stretch sensitive and  open in response to the stretching of the dendrite’s membrane. If the influx  of sodium ions in the stretch sensitive Na  channels is sufficient to  depolarize the dendrite to its threshold for an action potential, the voltage­ sensitive K  and Na  channels will open, resulting in a nerve impulse  heading to the brain ­ Receptive fields locate sensory events: • Every receptor organ and cell has a receptive field • Within the eye is a cup­shaped retina that contains thousands of receptor  cells called rods and cones • Receptive fields not only sample sensory information but also help locate  sensory events in space. Because the receptive fields of adjacent sensory  receptors may overlap, their relatively different responses to events help in  localizing sensations. The spatial dimensions of sensory information  produce cortical patterns and maps of the sensory world that form, for  each of us, our sensory reality ­ Receptors identify change and constancy: • Sensory receptors differ in sensitivity • Rapidly adapting receptors detect whether something is there. They are  easy to activate but stop responding after a very short time. Rapidly  adapting hair receptors on the skin are designed to detect the movement of  objects on the skin • Slowly adapting receptors adapt more slowly to stimulation. ­ Receptors distinguish self from other: • Our sensory systems are organized to tell us both what is happening in the  world around us and what we ourselves are doing • Receptors that respond to external stimuli are called exteroceptive;  receptors that respond to our own activity are called interoreceptive • When we move, however, we ourselves change the perceived properties of  objects in the world, and we experience sensations that have little to do  with the external world • When we move, visual stimuli appear to stream by us, a stimulus  configuration called optic flow • When we move past a sound source, we hear auditory flow, changes in the  intensity of the sound that take place because of our changing location • Some of the information about these changes comes to us through our  exteroceptive receptors, but we also learn about them from interoceptive  receptors in our muscles and joints and in vestibular organs of the inner  ear • The interoreceptive receptors also help us to interpret the meaning of  external stimuli • Some psychological conditions appear to be characterized by difficulty in  distinguishing between self and other ­ Receptor density determines sensitivity • Important in determining the sensitivity of a sensory system • The ability to recognize the presence of two pencil points close together, a  measure called two­point sensitivity or discrimination, is highest on the  parts of the body having the most touch receptors • Our sensory systems use different receptors to enhance sensitivity under  different conditions • In the fovea, the receptors – all cone cells – are small and densely packed  to make sensitive colour discriminations in bright light • Differences in the density of sensory receptors determine the special  abilities of many animals Neural Relays ­ Relays determine the hierarchy of motor responses • Some of the three to four relays in each sensory system are in the spinal  cord, others are in the braistem, and still others are in the neocortex • At each level, the relay allos a sensory system to produce relevant actions  that define the hiearachy of our motor behaviour • The pain pathway also has relays in the brainstem, especially in the  midbrain periaqueductal gray matter that surrounds the cerebral aqueduct.  This region is responsible for a number of complex responses to pain  stimuli, including behavioural activation and emotional responses • Pain relays localize pain in a part of the body, and also identify the kind of  pain that is felt, the external cause of the pain, and potential remedies • In animals without a neocortex, the superior colliculus and inferior  colliculus are the main perceptual systems • For animals with visual and auditory areas in the neocortex, these  subcortical regions still perform their original functions of detecting  stimuli and locating them in space ­ Message modification takes place at relays • Descending impulses form the cortex can block or amplify pain signals at  the level of the brainstem and at the level of the spinal cord • Inhibition or gating of sensory information can be produced by descending  signals from the cortex, through the periaqueductal gray matter, and on  lower sensory relays • Later, when we think about the injury, it might be much more painful  because a modified descending signal from the brain now amplifies the  pain signal from the spinal cord ­ Relays allow sensory interaction • Where relays take place in sensory pathways, systems can interact with  one another • Rubbing the area around an injury or shaking a limb increase the activity  in fine touch and pressure pathways, and this activation can block the  transmission of information in spinal­crod relays of the pain pathways • McGurke effect: highlights the fact that our perception of speech sounds is  influenced by the facial gestures of a speaker Central Organization of Sensory Systems ­ Sensory information is coded • Sensory information is encoded by action potentials that travel along  peripheral­system nerves until they enter the brain or spinal cord and then  on tracts within the central nervous system • The presence of a stimulus can be encoded by an increase or decrease in  the discharge rate of a neuron, and the amount of increase or decrease can  encode the stimulus intensity • Different sensations are processed in distinct regions of the cortex • We learn through experience to distinguish them • Each sensory system has a preferential link with certain kinds of reflex  movements, constituting a distinct wiring that helps keep each system  distinct at all levels of neural organization • Synaesthesia: mixing of the senses ­ Each sensory system is composed of subsystems • The known visual subsystems each consists of a discrete visual center in  the brain, numbered 1 through 7 and the pathway that connects the retina  to the visual center 1) Pahtway from the eye to the suprachiasmatic nucleus of the  hypothalamus controsl the daily rhythms of such behaviours as feeding  and sleeping in response to light changes 2) The pathway to the pretectum in the midbrain controls pupillary  responses to light 3) The pathway to the pineal gland controls long­term circadian rhythms 4) The pathway to the superior colliculus in the midbrain controls head  orientation to objects 5) The pathway to the accessory optic nucleus moves the eyes to  compensate for head movements 6) The pathway to the visual cortex controls pattern perception, depth  perception, colour vision, and the tracking of moving objects 7) The pathway to the frontal cortex controls voluntary eye movements • Many visual subsystems projecting into different brain regions also have  submodalities of their own • Like vision, all the other sensory modalities contain subsystems that  perform distinct and specific roles • The taste receptors located in the front two­thirds of the tongue send  information to the brain through the facial nerve (cranial nerve 7), whereas  the taste receptors in the posterior third of the tongue send information to  the brain through the glossopharyngeal nerve (cranial nerve 9) ­ Sensory systems have multiple representations • Topographic organization is a neural­spatial representation of the body or  areas of the sensory world perceived by a sensory organ • All mammals have at least one primary cortical area for each sensory  system. Additional areas are usually referred to as secondary areas because  most of the information that reaches them is relayed thorugh the primary  area • Each additional representation is probably dedicated to encoding one  specific aspect of the sensory modality Photoreceptors ­ Rays of light enter the eye through the cornea, which bends them slightly, and  then through the lens, which ends them to a much greater degree so that the visual  image is focused on the receptors at the back of the eye ­ Light then passes through the photoreceptors to the sclera, which reflects the light  back into the photoreceptors: cell are quite transparent and the photoreceptors are  extremely sensitive and many of the fibers forming the optic nerve bend away  from the retina’s central part, or fovea, so as not to interfere with the passage of  light through the retina ­ Two types of photoreceptive cells that transduce light energy into action potentials ­ Rods: sensitive to dim light, are used mainly for night vision ­ Cones: better able to transduce bright light and are used for daytime vision ­ Cones are packed together densely in the foveal region, whereas rods are absent  from the fovea entirely and more sparsely distributed in the rest of the retina ­ Photoreceptive cells synapse with a simple type of neuron called a bipolar cella  dn induce graded potentials ­ Bipolar cells induce action potentials in ganglion cells ­ Retinal ganglion cells send axons into the brain proper ­ Horizontal and amacrine cells play a role in the retina’s encoding of information ­ One type of specialized ganglion receptor in the retina relays into the  retinohypothalamic tract that connects to the suprachiasmatic nucleus which plays  a role in regulating rhythms Visual Pathways ­ Axons of ganglion cells leave the retina to form the optic nerve ­ Just before entering the brain, the two optic nerves met and form the optic chiasm:  about half of each eye’s visual field is represente
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