2.2: Sistemas sensoriales y conceptos

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Una de las dificultades para explotar la estructura y función neuronal natural para aplicaciones de ingeniería es la falta de comprensión entre la fisiología microscópica y el comportamiento macroscópico. La neurociencia es el estudio de las neuronas a nivel microscópico, mientras que la psicofísica es el estudio de las correlaciones entre estímulos físicos específicos y las sensaciones que resultan. La neurociencia está algo enfocada en la química de la neurona y la psicofísica está más enfocada en el comportamiento macroscópico del organismo completo. La historia de cómo y por qué las neuronas están conectadas de la manera en que están continúa desarrollándose y continuará durante siglos por venir.

2.2.1 Interconexiones masivas

Las neuronas están altamente interconectadas para formar los canales de información en los sistemas sensoriales. Por ejemplo, el cerebro humano contiene alrededor de ^{10 10} a 10 ¹² neuronas, cada una haciendo hasta 10 ³ a 10 ⁴ conexiones a otras neuronas. Los grupos pequeños de neuronas se denominan ganglios, que generalmente controlan comportamientos específicos de un animal. Muchos invertebrados tienen neuronas grandes y pequeños ganglios, lo que permite a los investigadores la oportunidad de investigar la señalización neuronal y las redes neuronales primitivas.

2.2.2 Aprendizaje hebbio

Las conexiones neuronales naturales a menudo se fortalecen con el uso continuo, conocido como Hebbian Learning. El resultado es una adaptación de la red a las secuencias de señales más frecuentes de estímulos externos. Las redes neuronales artificiales (ANN) ahora se utilizan comúnmente para resolver problemas computacionales cuando los métodos analíticos directos son difíciles o imposibles. Estas redes están inspiradas en el paradigma neuronal natural, y muchas han tomado variaciones que divergen de estos ejemplos originales. Esto es bastante aceptable ya que el objetivo típico es resolver algún problema de ingeniería o computacional, no necesariamente imitar el paradigma natural.

2.2.3 Tipos físicos de sensores naturales

Existen diferentes formas de categorizar los diseños de sistemas neuronales naturales que están disponibles para la explotación de ingeniería. El método elegido aquí se basa en la física del estímulo. Los que más atención reciben son los que más comúnmente se encuentran en la naturaleza:

- Sistemas fotosensoriales, estimulados por fotones

— sistemas de visión en vertebrados e invertebrados

- Sistemas mecano-sensoriales, estimulados por el movimiento físico en el ambiente

— sistemas táctiles en vertebrados e invertebrados

— sistemas auditivos en vertebrados e invertebrados

— cinestesia, que es conocer las posiciones relativas de las partes del cuerpo

- Sistemas quimio-sensoriales, estimulados por cambios en el contenido químico de estímulos

— sistemas olfativos que proporcionan el sentido del olfato

— sistemas de gustación que proporcionan el sentido del gusto

Otros sentidos físicos que se encuentran ocasionalmente en la biología incluyen los sensibles al calor, la radiación de infrarrojos, la luz polarizada, los campos eléctricos y los campos magnéticos.

Existen tres tipos básicos de recepción de estímulos en los sistemas sensoriales biológicos:

- Exterocepción es la recepción de señales del exterior del organismo, como fotones de luz para el sistema de visión, ondas sonoras para el sistema auditivo y trazas químicas para el sistema olfativo. Los sistemas sensoriales en este grupo son el tema de este texto y la mayor parte de la investigación bioinspirada en el sistema sensorial que se ha realizado.

- La propiocepción es la recepción de señales que relacionan la posición de los segmentos corporales entre sí y la posición del cuerpo en el espacio, lo que implica la cinestesia mencionada anteriormente.

- La interocepción es la recepción de señales de afecciones dentro del organismo, como el nivel de glucosa en sangre y el nivel de presión arterial.

Hay tres mapas básicos de campos receptivos sensoriales a porciones del cerebro:

- El Mapa Somatotópico es un mapa de la superficie corporal en la corteza somatosensorial.

- El Mapa Retinotópico es un mapa del campo visual (enfocado a la retina) en la corteza visual primaria en el lóbulo occipital del cerebro.

- Mapa Tonotópico es un mapa de la membrana basilar en la corteza auditiva primaria en el lóbulo temporal del cerebro.

La cantidad de área de superficie cerebral dedicada a diversas regiones de recepción varía drásticamente, ya que ciertas áreas de recepción son más importantes y requieren un procesamiento más dedicado. Por ejemplo, la asignación en el cerebro en el mapa somatotópico para la sensación de tacto en el dedo índice es mucho mayor que la misma superficie relativa de la piel de la espalda. Otro punto interesante es que el mapeo del receptor vecino más cercano generalmente se conserva en la corteza. Es decir, los receptores adyacentes en el sistema sensorial periférico tienden a estimular las neuronas adyacentes en la corteza.