Assoc. Prof. MUDr. Markéta Bébarová, Ph.D. Department of Physiology, Faculty of Medicine, Masaryk University Information processing in the NS Principals of sensation and  perception This presentation includes only the most important terms and facts. Its content by itself is not a sufficient source of information required to pass the Neuroscience exam. Figures and tables re-used from: - Principles of Neural Science (5th ed.), Kandel et al. (2013) - Medical Physiology (2nd ed.), Boron and Boulpaep (2012) - Neuroscience (4th ed.), Purves et al. (2008) - Medical Neurobiology (1st ed.), Mason (2011) - Ganong's review of medical physiology, (24th ed.),Barret (2010) - Textbook of Medical Physiology (11th ed.), Guyton and Hall (2006) - Color Atlas of Physiology (6th ed.), Silbernagl a Despopoulos (2009) Information processing in the NS • NS receives a huge amount of information from various  sensory organs, processes it and integrates it to determine  responses of the body. Information processing in the NS • Sensory part of the NS – Sensory Receptors • Processing of information – Integrative function of  the NS • Motor part of the NS ‐ Effectors • Central nervous system (CNS) • Peripheral nervous system (PNS) Information processing in the NS • Sensory part of the NS – Sensory Receptors • initiation by excitation of  sensory receptors (visual,  auditory, tactile, etc.) – peripheral nerves – multiple  sensory areas of the CNS • either cause immediate  action of the brain, • or memories are stored in  the brain and determine  future reactions Information processing in the NS • Motor part of the NS ‐ Effectors • control of activities of the body  by: ‐ contraction of appropriate  skeletal muscles ‐ contraction of smooth  muscles in the internal organs ‐ secretion of substances by  glands (endocrine, exocrine) • „skeletal“ motor nerve axis • autonomic nervous system Information processing in the NS • Processing of information – Integrative function  of the NS • essential function of the brain  • has to process the incoming information in such a way that  appropriate mental and motor responses will occur  • role of synapses Information processing in the NS • Storage of information – Memory • much of the sensory information stored • mostly in the cerebral cortex but also lower, even in the  spinal cord (small amounts of information) • function of synapses ‐ facilitation • Memories become a part of the brain processing mechanism  for future thinking.                                                                     Information processing in the NS • Major levels of the CNS function • Spinal cord level • Lower brain (subcortical) level • Higher brain (cortical) level Information processing in the NS • Major levels of the CNS function • Spinal cord level • conduit for signals • highly organized functions • commanded by the upper levels of the NS Information processing in the NS • Major levels of the CNS function • Lower brain (subcortical) level • medulla, pons, mesencephalon, hypothalamus, thalamus,  cerebellum, basal ganglia • control most of the subconscious activities of the body Information processing in the NS • Major levels of the CNS function • Higher brain (cortical) level • cerebral cortex – always works in association with the lower  centers • extremely large memory storehouse • optimalization and coordination of the processes controlled by  the lower centers • essential for the thought processes Principals of sensation and  perception • Sensation ‐ is how the senses deliver signals  about the current state of the world to the CNS • Perception ‐ is how an individual interprets these  signals in terms of previous experience,  knowledge of the world and expectation Components of sensory pathways Stimulus • To register a stimulus, a receptor able to transduce the stimulus into neural signal has to be available. • sensory organs steer stimuli to sensory receptors • any change in the external environment or internal milieu All sensory systems convey four basic types of information: 1. modality (what it is) 2. location (where) 1 and 2   ‐ labelled line coding Labeled line sensory pathway Sensory systems:  ‐ sensory receptor ‐ afferent pathway ‐ central projection Modality Müller`s law of specific sense energies (1826): modality is a property of sensory nerve fibre  ‐ is activated primarily by a certain type of stimulus ‐ each sensory nerve fibre makes specific connections  to structures in the CNS whose activity give rise to  specific sensation (labelled line coding) All sensory systems convey four basic types of information: 1. modality (what it is) 2. location (where) 1 and 2   ‐ labelled line coding 3. intensity (how much) 4. timing (when) 3 and 4    ‐ frequency coding Receptors ‐ types of energy mechanical (mechanoreceptors) ‐ touch, pressure, sound ... chemical (chemoreceptors) ‐ taste, smell, osmoreceptors ... thermal (thermoreceptors) – warm, cold electromagnetic (photoreceptors) ‐ vision various pain stimuli (nociceptors, pain receptors) – pain ‐ behave as a filter for  narrow range of  energy  (they are tuned to  adequate stimulus) ‐ respond  probabilistically to a  range of stimuli Receptors Receptors – location of stimulus action • telereceptors • exteroreceptors • proprioreceptors • visceroreceptors • low‐threshold • high‐threshold Receptors ‐ adaptation • slowly adapting ‐ tonic  ‐ pain receptors (nociceptors) ‐ baroreceptors ‐ chemoreceptors ‐ receptors of the macula in  the vestibular apparatus ‐ muscle spindles ‐ Golgi tendon apparatuses,  etc. • rapidly adapting ‐ phasic  ‐ cones in the retina ‐ olfactory receptors  ‐ pacinian corpuscle, etc. ‐ predictive function Receptors ‐ adaptation Receptors ‐ structure • encapsulated receptors ‐ touch, pressure.. Receptors ‐ structure • free nerve endings – myelinated and  unmyelinated – nociceptors, thermoreceptors Receptors ‐ structure • receptor cells ‐ coupled to G  proteins,   stretch sensitive  ion channels ...... Components of sensory pathways Receptors • transduce stimulus energy into a change in  membrane potential Stimulus processing Generator (receptor) potential Stimulus processing • receptors may be excited by: 1) mechanical deformation 2) application of chemicals 3) temperature change 4) electromagnetic radiation • cause opening of specific channels  change of  transmembrane potential • receptor potential above threshold  action  potentials (frequency proportional to the hight of r.p.) = membrane polarity change  due to stimulation •depolarizing: mainly influx  Na+, or Ca2+ (↓K+) •hyperpolarizing: e.g. ↓influx  Na+  (↑K+) Stimulus processing Generator (receptor) potential Stimulus processing • transduction – conversion of  stimulus energy  into a receptor  potentials • transformation – conversion of  receptor potential  into action  potential Stimulus intensity coding Stimulus processing Components of sensory pathways Components of sensory pathways Stimulus intensity coding Perception and stimulus intensity Stimulus threshold Spatial distribution of sensory  neurons ‐ stimulus location 1. receptive fields of  sensory neurons  (somatic sensation and  vision) 2. hearing, taste and smell  ‐ receptors are spatially  distributed following the  energy spectrum of the  modality  Receptive field = the range of locations  where stimulation will  excite a sensory receptor • dimensions of the receptive field Receptive field • The central neuron has a receptive  field as well, determined by the  receptive fields of the neurons that  excite/inhibit it. The spatial resolution is proportional to the total number of  receptor neurons and also to the area of their individual  receptive field. Sensory systems have a common plan • each stimulus first fragmented into components, then,  assembled within the neural networks of the brain to  the internal representation of an object • each class of sensory receptors  connected with CNS structures  dedicated to one sensor modality  + somatotopic organization  • hierarchy: thalamus – cortex  (feedback) • parallel and serial processing Inhibitory interneurons  help to sharpen contrast  between stimuli by various types of inhibition Lateral inhibition