I SENSI

1. I SENSI Lic. Scientifico “A. Meucci” Aprilia Prof. Rolando Neri

2. INDICE • La percezione degli stimoli • 1.1 I recettori sensoriali • 1.2 la trasduzione e la trasmissione dell’impulso nervoso • 1.3 L’elaborazione delle informazioni • 2. L’occhio e la ricezione della luce • 2.1 La macchia oculare e l’occhio composto • 2.2 L’occhio a lente singola • 2.3 Il cristallino e i difetti della vista • 3. L’orecchio: la ricezione dei suoni e l’equilibrio • 3.1 L’orecchio e il senso dell’udito • 3.2 L’organo dell’equilibrio • 4. La ricezione degli altri stimoli • 4.1 I recettori olfattivi e l’olfatto • 2.2 I bottoni gustativi e il senso del gusto • 2.3 Il senso del tatto

3. 1. La percezione degli stimoli e la loro trasmissione • Nell’organismo animale sono presenti diversi sistemi sensoriali che lo mettono in contatto con I'esterno o percepiscono sensazioni relative all'ambiente interno. Ciascuno di essi è specializzato nel recepire uno specifico stimolo. Alcuni sono veri e propri organi formati da un gran numero di cellule specializzate, come, ad esempio gli organi: • che percepiscono la luce e definiscono il senso della vista; • oppure quelli deputati a percepire i suoni e a mantenere l'equilibrio. • Altri sistemi sensoriali invece sono costituiti da singole cellule disperse o aggregate in piccole formazioni: i meccanocettori sono sensibili a stimoli meccanici come il tatto e la pressione, ma anche a molte percezioni relative alle condizioni nel nostro stesso corpo; i chemiocettori ci permettono di distinguere tra loro diverse sostanze chimiche, per esempio attraverso il sapore o l'odore; i termocettori rispondono alle variazioni della temperatura; i nocicettori si attivano in seguito a danni fisici o chimici suscitando una sensazione di dolore; gli osmocettori rilevano la pressione osmotica dei fluidi corporei.

4. 1.1 I recettori sensoriali In linea generale possiamo definire i recettori sensoriali:cellule (spesso neuroni modificati)che agiscono come un convertitore (un trasduttore) che trasforma una differenza o una variazione di energia in una variazione di potenziale elettrico che si trasmette lungo i nervi fino a un'area cerebrale specifica per quel dato senso. Essi sono spesso raccolti in organi di senso, le strutture deputate a rilevare le condizioni dell’ambiente interno ed esterno all’organismo. I recettori sensoriali possono essere raggruppati in cinque categorie: Chemiorecettori: analizzano chimicamente l’aria inspirata, i cibi introdotti nella bocca ed i liquidi interni dell’organismo Meccanorecettori: rilevano l’energia meccanica associata a variazioni di pressione, di posizione o alla gravità Fotorecettori: rilevano le variazioni della luce Termorecettori: rilevano variazioni di temperatura Recettori del dolore o nocicettori: sono sensibili alle sensazioni di dolore

5. 1.1 I recettori sensoriali Questi recettori sono la nostra «finestra sul mondo»: percepiamo la realtà grazie a ciò che vedono i nostri occhi, a ciò che odono le nostre orecchie, a ciò che avverte il nostro naso e a ciò che gustiamo e tocchiamo. Gli esseri umani, tuttavia, recepiscono solo una parte limitata delle informazioni disponibili nell'ambiente che li circonda, e spesso in modo assai differente rispetto ad altri animali. Per esempio, gli insetti sono in grado di vedere il colore ultravioletto, o come i cani che possono avvertire gli ultrasuoni. Nonostante queste differenze, tutti i recettori agiscono con meccanismi simili. Il foro presente sul muso di questo serpente a sonagli è una delle sue fossette termorecettrici. Questi organi rilevano la radiazione infrarossa che proviene dalle loro prede con infallibile precisione, persino nella completa oscurità. Anche la lingua bifida fornisce informazioni posizionali, raccogliendo segnali molecolari che vengono trasmessi al cervello da un organo specializzato presente nel palato del serpente.

6. 1.1 I recettori sensoriali La falena femmina del baco da seta attrae i maschi emettendo per mezzo di ghiandole poste all’estremità dell’addome, piccole quantità di un alcool complesso. La secrezione è chiamata bombykol, dal nome della falena Bombyx mori, ed è un agente biologico decisamente potente (è un feromone ). I maschi captano le molecole con diecimila peli sensitivi [V. figura] che sono posti in ognuna delle due antenne. Ogni pelo è innervato da una o due cellule recettrici che conducono il segnale al nervo principale delle antenne e da qui attraverso le connessioni nervose ai centri del cervello (chemiocettori). Il fatto più straordinario è che anche una sola molecola di bombykol è sufficiente ad attivare un recettore, inoltre la cellula non risponde ad altri stimoli che non siano molecole di bombykol.

7. 1.1 I recettori sensoriali Il sistema della linea laterale è presente nei pesci attorno all’apertura boccale, all’occhio, alle fossette olfattorie e principalmente su due file disposte lungo l’asse del corpo. È formato da cellule sensoriali, chiamate neuromasti, capaci di ricevere ed inviare al sistema nervoso informazioni di tipo meccanico.Queste cellule sono disposte al di sotto della linea laterale e sono poste in contatto con l’esterno per mezzo di fori sulle scaglie da cui l’acqua filtra all’interno di un tubo che decorre sotto la linea laterale (meccanocettori). Le cellule sensoriali riescono così a ricevere e trasmettere al sistema nervoso informazioni di tipo meccanico poiché registrano variazioni di pressioni dell’acqua determinate da rumori o movimenti subacquei: in pratica è come se un pesce disponesse di un sistema radar sempre in funzione. Le onde d’urto emesse da un oggetto in movimento (sasso lanciato in acqua, altri pesci in movimento, esca artificiale ecc.) vengono rilevate dai sensori della linea laterale ed il messaggio viene inviato al cervello che in pochi istanti lo elabora. In questo modo i pesci sono in grado di localizzare ostacoli, percepire la presenza di predatori e, a loro volta, individuare le prede.

8. 1.1 I recettori sensoriali I predatori notturni hanno sviluppato, nel corso dell’evoluzione, una vista molto acuta, per poter scorgere al buio prede anche piccole. Visione a 360 gradi I camaleonti hanno un campo visivo amplissimo grazie ai loro particolari movimenti oculari, infatti gli occhi possono anche puntare contemporaneamente in due direzioni diverse.

9. 1.1 I recettori sensoriali

10. 0 Recettore dello zucchero Interneurone «dello zucchero» Interneurone «del sale» Recettore del sale Cervello Neuroni sensoriali Calice gustativo Calice gustativo Aumento di salinità Aumento di dolcezza 1.2 La trasduzione e la trasmissione dell’impulso nervoso Tutti i recettori trasformano lo stimolo cui sono sensibili in impulsi nervosi (trasduzione nervosa) convogliati verso l’encefalo dai neuroni del sistema nervoso sensoriale (trasmissione nervosa). Gli impulsi nervosi sono tutti uguali, indipendentemente dallo stimolo che li ha attivati. L’elaborazione delle sensazioni avviene nel cervello, perché i vari impulsi attivano aree cerebrali specifiche (visiva, uditiva ecc.). L’intensità dello stimolo fa variare numero e frequenza degli impulsi prodotti; varia inoltre il numero dei recettori attivati dalla stimolazione.

11. 1.2 La trasduzione e la trasmissione dell’impulso nervoso

12. 1.3 L’elaborazione delle informazioni • La sensazione è la consapevolezza conscia o subconscia dei cambiamenti dell’ambiente interno ed esterno. Per produrre una sensazione devono essere soddisfatte quattro condizioni: • vi deve essere uno stimolo; • lo stimolo è trasformato in un segnale elettrico da un recettore sensitivo; • gli impulsi nervosi debbono essere condotti all’encefalo (sistema nervoso centrale); • una regione (area cerebrale) dell’encefalo deve riceverli e integrarli. • La percezione è la consapevolezza cosciente accompagnata dall’interpretazione delle sensazioni. • L’adattamento è la diminuzione di intensità della sensazione durante uno stimolo prolungato e costante. • Per capire meglio la differenza tra sensazione e percezione osserva le pagine seguenti.

13. 1.3 L’elaborazione delle informazioni • Osserviamo le figure qui a fianco e cerchiamo di rispondere alle seguenti domande. • 1 - Cosa rappresenta il primo disegno; una coppa o due volti di profilo? • 2 - Il secondo disegno, è la faccia di un uomo o una ragazza accovacciata? • 3 - La catasta di regoli è orientata con la faccia nera verso il basso a destra o verso l'alto a sinistra?

14. 1.3 L’elaborazione delle informazioni Capovolgendo la pagina, la direzione della catasta si inverte o resta la stessa?

15. 1.3 L’elaborazione delle informazioni Le illusioni ottiche fin qui analizzate possono essere spiegate nel modo seguente: 1 - Fin dalla nascita l'occhio vede una gran quantità di oggetti, e invia al cervello gli stimoli corrispondenti. Man mano che il cervello fa esperienza, gli stimoli vengono catalogati e accumulati nella memoria. Ad esempio, a forza di vedere pini, querce, tigli, platani, abbiamo sviluppato I'idea di albero. Per noi albero è una immagine astratta, che corrisponde però a tutto ciò che ha rami, foglie, fusto e radici. Non a caso diciamo che una strada è molto ramificata, e che e ramificato il neurone. Di immagini astratte ne abbiamo immagazzinate a migliaia. Tra queste c‘è l'immagine astratta di volto, fatto da occhi, naso, bocca, orecchie; oppure l'immagine astratta di corpo, fatto da testa, braccia, tronco e gambe, e così via. 2 - Quando I'occhio vede un disegno, il cervello in base allo stimolo ricevuto, va a ricercare nella memoria I'immagine di quegli oggetti, già visti in passato, che più gli assomigliano e più gli corrispondono. Il cervello, in altre parole, passa rapidamente in rassegna tutte le informazioni immagazzinate nella memoria, e compie confronti, ne più né meno di come un detective ricerca il volto di un pregiudicato negli archivi della polizia. 3 - Quando però giunge dentro il cervello l'immagine del disegno n. 1, dall'archivio della memoria esce prima una soluzione: «potrebbe essere una coppa». Ma subito dopo ne esce un'altra: «potrebbero essere due profili umani posti di fronte». Le due soluzioni infatti sono entrambe valide e il cervello non sa decidere. Da questo stato di indecisione nasce il primo tipo di illusione ottica: l’illusione delle figure indecidibili, come la n. 1, 2, 3.

16. 1.3 L’elaborazione delle informazioni 4 - Questa scala, può iniziare da dove finisce?

17. 1.3 L’elaborazione delle informazioni 5 - Le barche che navigano sul Nilo, passano sotto un portale o in mezzo a tre colonne? E infine, sarebbe possibile costruire quel monumento?

18. 1.3 L’elaborazione delle informazioni Le illusioni ottiche prodotte dai disegni degli oggetti impossibili n. 4 e 5 hanno una origine leggermente diversa, perché in questi disegni ogni pezzo ha una sua logica e ammette una sua soluzione, ma il disegno intero presenta delle contraddizioni. 1 - Ad esempio, la parte alta del disegno n. 5 è un portale, la parte bassa invece rappresenta tre colonne. In questo caso le due soluzioni, prese separatamente, sono entrambe vere, ma insieme si escludono a vicenda. Solo una può essere vera, ma quale? 2 - Analogamente, le rampe contigue della scala (disegno 4), prese due a due e ignorando il resto, sono verosimili. Ma tutte insieme sono impossibili. Ecco di nuovo in certezza e illusione.

19. 1.3 L’elaborazione delle informazioni A conferma di quanto detto finora, osserviamo adesso le illustrazioni di questa pagina e delle due successive. Esse costituiscono una famiglia di figure che produce un tipo di illusione opposto al precedente. In questo caso infatti il cervello, in base alle immagini già immagazzinate nella memoria, completa le figure in quelle parti che ritiene siano mancanti. Così noi «crediamo», o crediamo di vedere, anche quello che nella figura non c'è, nel modo seguente: 1 - Nelle figure n. 6 e 7, abbiamo l'illusione che ci siano rispettivamente un triangolo bianco e un triangolo blu sovrapposti a tutto il resto. Inoltre il bianco e il blu dei triangoli inesistenti sono ai nostri occhi anche più intensi del fondo. 2 - Nelle figure n. 8 e 9 vediamo triangoli curvilinei, con lati concavi o convessi.

20. 1.3 L’elaborazione delle informazioni 3 - Nella figura 10 abbiamo un effetto di trasparenza, come se un rettangolo di plastica opaca fosse stato appoggiato sopra i cerchi.

21. 1.3 L’elaborazione delle informazioni Un'interessante spiegazione di questo fenomeno si ottiene dal confronto delle figure 11 e 12, e delle loro relative illusioni: 1 - Le forme della figura 11 ci sono sconosciute e quindi non le riconosciamo. Tuttavia passando in rassegna l'archivio della memoria, troviamo qualcosa che ce le ricorda: gli ottagoni. Di conseguenza interpretiamo il disegno come fosse costruito con quattro ottagoni accostati, ma parzialmente coperti da un foglio bianco rettangolare. I quattro corti segmenti che si trovano tra gli ottagoni, li vediamo perciò come due righe in croce anch'esse coperte dal foglio. 2 - A conferma di questa spiegazione, notiamo che dalla figura 12 non riceviamo alcuna illusione, perche le croci sono un simbolo che conosciamo. Quindi il cervello non cerca di completarle, e non vede nessun rettangolo bianco ad esse sovrapposto.

22. 2. L’occhio e la ricezione della luce Nel regno animale, le poche specie completamente prive della vista sono animali che vivono in ambienti sotterranei dove la luce è assente. Gli animali che vivono alla luce possiedono organi fotorecettori di tre tipi: – La macchia oculare, tipica dei celenterati e dei vermi piatti; è costituita da un piccolo agglomerato di cellule in grado di recepire la luce. – Gli invertebrati quali insetti e crostacei possiedono invece un occhio composto, costituito da un gran numero di piccole unità che funzionano ciascuna come un singolo occhio. – Tutti i vertebrati, compreso l’uomo, e alcuni invertebrati, per esempio i molluschi ottopodi, possiedono invece un occhio a lente singola.

23. 2.1 La macchia oculare Le macchie oculari sono organi fotorecettori che non producono vere e proprie immagini ma forniscono all’animale informazioni sulla direzione di provenienza e l’intensità della luce.

24. 2.1 L’occhio composto Un occhio composto è costituito da migliaia di rilevatori di luce chiamati ommatidi; ogni ommatidio possiede una propria cornea (la membrana trasparente che ricopre l’occhio) e un cristallino, che invece mette a fuoco la luce. Ciascun ommatidio, dunque, provvede a determinare una sola immagine, che poi va ad unirsi con le altre formando un vero e proprio mosaico. Gli occhi composti sono estremamente efficienti per percepire i movimenti e fornire un eccellente visione a colori.

25. 2.2 L’occhio a lente singola Sezione trasversale dell’occhio umano destro nella quale è posta in evidenza la disposizione che assumono le diverse parti deputate alla copertura dell’occhio e sezione del contenuto del bulbo con la ripartizione delle diverse camere. Le lenti presenti negli occhi dei vertebrati focalizzano l’immagine su strati di fotorecettori cellulari. Per quanto siano importanti gli altri sensi, non c'è dubbio che la vista costituisca il senso principale per gli esseri umani, e per molti altri animali. Il numero di cellule sensoriali utilizzate per convertire I'energia luminosa in potenziali d'azione è elevatissimo, e la loro organizzazione è tanto efficiente da consentirci di raccogliere attraverso le immagini un'enorme varietà di informazioni utili per le nostre relazioni con I'esterno: colori, luminosità, profondità, movimenti. Per I'elaborazione di tali informazioni è importante non solo la conformazione anatomica e funzionale dell'organo della vista, ma anche il fatto che possediamo due occhi collocati in posizione anteriore sul cranio in modo che i loro campi visivi si sovrappongano parzialmente.

26. 2.2 L’occhio a lente singola La profondità del campo visivo: una nota sulla evoluzione delle specie Quando paragoniamo la nostra vista a quella degli altri animali, una delle differenze che si coglie immediatamente è la diversa posizione degli occhi. Mentre i nostri occhi si trovano disposti quasi sullo stesso piano, molti animali possiedono occhi situati ai lati del capo, spesso sporgenti e, nel caso del camaleonte (▶Diapositiva 8), addirittura mobili. A che cosa sono dovute queste differenze? Si tratta di adattamenti opposti, volti a migliorare rispettivamente la profondità e l'ampiezza del campo visivo. La profonditàdi campoè la caratteristica che consente una visione tridimensionale, che permette di cogliere le differenti distanze alle quali si trovano gli oggetti osservati. L’ampiezzadel campo visivo riguarda invece quanto un animale riesce a scorgere attorno a sé. Nella nostra specie, I'ampiezza si aggira intorno ai 180°; per molte specie di erbivori, ma anche per il camaleonte, essa arriva a sfiorare i 360°.

27. 2.2 L’occhio a lente singola I vantaggi e gli svantaggi di un campo visivo più ampio Un campo visivo più ampio e sicuramente un vantaggio per un animale, che si tratti di una potenziale preda o di un predatore: tuttavia, avere gli occhi disposti ai lati del capo riduce drasticamente l'angolo entro il quale l'animale può vedere un oggetto con ambedue gli occhi contemporaneamente. Per riuscire a cogliere le distanze e a valutare la profondità, animali con queste caratteristiche devono affidarsi ad adattamenti riguardanti un singolo occhio, come la parallasse da movimento, che consente di confrontare la visione ottenuta in istanti successivi, dopo avere spostato leggermente l'occhio. Questi meccanismi esistono anche nelle specie che, come la nostra, sono prevalentemente binoculari. In più, noi possediamo la stereopsi: i nostri due occhi vedono un determinato oggetto sotto una prospettiva leggermente differente e la loro visione è coordinata e integrata dal cervello, che ne ricava l'informazione per valutare la distanza dell'oggetto in questione. Da quanto abbiamo detto, è evidente che la percezione della profondità di campo richiede caratteristiche opposte a quelle che ampliano l'angolo di campo visivo. Il fatto che specie diverse abbiano «puntato» più sull'una o sull'altra di queste caratteristiche è da legarsi al tipo di vita che esse conducono. La nostra specie, per esempio, deriva da antenati abituati a muoversi sugli alberi, una condizione per la quale risulta particolarmente vantaggiosa un'efficace percezione delle distanze.

28. Sclera Retina Cornea Iride Pupilla Umore acqueo Cristallino 2.2 L’occhio a lente singola Ivertebrati possiedono un occhio ad obiettivo fotografico, in quanto è formato da uno strato fotosensibile (retina), una lente per la messa a fuoco (cristallino) ed una serie di muscoli che regolano il punto focale, modificando la curvatura della lente. L’occhio è rivestito esternamente dalla sclera, robusta membrana connettivale con funzione protettiva, opaca alla luce e di colore bianco. Anteriormente la sclera sfuma in una membrana trasparente, la cornea. Dietro la cornea vi è una cavità riempita da umor acqueo, liquido trasparente che nutre e sostiene il cristallino. La quantità di luce che entra nell’occhio è regolata da un diaframma, l’iride, la parte colorata dell’occhio, che, secondo le necessità, allarga o restringe un foro: la pupilla.

29. Coroide Sclera Retina Muscolo ciliare Legamento Fovea (centro del campo visivo) Cornea Iride Nervo ottico Pupilla Umore acqueo Cristallino Arteria e vena Umore vitreo Punto cieco 2.2 L’occhio a lente singola Dietro la pupilla vi è il cristallino, lente biconvessa formata da fibre proteiche trasparenti, attaccata a fibre muscolari che ne variano la curvatura. Vi è poi un’altra cavità, riempita da una sostanza gelatinosa trasparente, l’umor vitreo, che mantiene la forma e la pressione interna dell’occhio. Sulla parete posteriore dell’occhio troviamo la retina, un tessuto nervoso pluristratificato contenente i fotorecettori Sotto la retina troviamo infine la coroide, membrana molto vascolarizzata, che nutre le cellule della retina e contiene un pigmento scuro con funzione antiriflesso

30. 2.2 L’occhio a lente singola Il percorso della luce

31. Retina Neuroni Fotorecettori Bastoncello Cono Fibre del nervo ottico Retina Bastoncello Corpo cellulare Nervo ottico Cono Membrane discoidali contenenti pigmenti visivi Terminazioni sinaptiche 2.2 L’occhio a lente singola I fotocettori dell’occhio umano sono i coni e i bastoncelli Ibastoncellipiù numerosi dei coni ed assai più sensibili alla luce (consentono la visione notturna), non distinguono i colori I coni meno sensibili alla luce, sono in grado di distinguere i colori

32. 2.2 L’occhio a lente singola Anche i coni e i bastoncelli trasducono gli stimoli…

33. Muscolo ciliare contratto Coroide Legamento allentato Luce proveniente da oggetto vicino (raggi divergenti) Cristallino Retina Visione da vicino (accomodamento) Muscolo ciliare rilassato Legamento contratto Luce proveniente da oggetto distante (raggi paralleli) Visione da lontano 2.3 Il cristallino e i difetti della vista L’occhio mette a fuoco le immagini sulla retina grazie ai muscoli ciliari, che variano la curvatura del cristallino. Per mettere a fuoco oggetti vicini il cristallino deve curvarsi, per far convergere i raggi luminosi. I muscoli ciliari allora si contraggono, allentando la loro tensione e consentendo al cristallino di arrotondarsi Quando i muscoli sono invece rilasciati stirano il cristallino distendendolo; in questo caso l’occhio mette a fuoco oggetti lontani.

34. Occhio miope Punto focale Forma normale del globo oculare Cristallino Retina Lente correttiva divergente Punto focale Punto focale Forma normale del globo oculare Retina Punto focale Lente correttiva convergente Occhio ipermetrope 2.3 Il cristallino e i difetti della vista I miopi non mettono bene a fuoco gli oggetti lontani, mentre vedono chiaramente gli oggetti vicini: il globo oculare è più lungo del normale e l’immagine si forma davanti alla retina Difetti della vista Gli ipermetropi invece non mettono bene a fuoco gli oggetti vicini, mentre vedono chiaramente gli oggetti lontani: il globo oculare è più corto del normale e l’immagine si forma dietro alla retina