Les systèmes sensoriels détectent les stimuli, tels que la lumière et les ondes sonores, et font leur transduction en signaux neuronaux qui peuvent être interprétés par le système nerveux. En plus des stimuli externes détectés par les sens, certains systèmes sensoriels détectent des stimuli internes, tels que les propriocepteurs dans les muscles et les tendons qui renvoient des informations sur la position des membres.

Les systèmes sensoriels incluent les systèmes visuel, auditif, gustatif (goût), olfactif (odeur), somesthésique (toucher, douleur, température et proprioception) et vestibulaire (équilibre, orientation spatiale).

Tous les systèmes sensoriels ont des cellules réceptrices qui sont spécialisées pour détecter un type particulier de stimulus. Par exemple, les cellules ciliées de l’oreille interne ont des cils qui se déplacent en présence d’ondes sonores, tandis que les neurones récepteurs olfactifs dans la cavité nasale ont des récepteurs qui se lient aux molécules odorantes.

La présence d’un stimulus approprié déclenche des changements électrochimiques dans le système nerveux. Ce stimulus modifie généralement le potentiel membranaire d’un neurone sensoriel, déclenchant un potentiel d’action. L’information est ensuite transmise de l’organe sensoriel à la moelle spinale, puis au cerveau, ou directement au cerveau (comme dans le système visuel).

Les différents types d’information sensorielle — aussi appelés modalités — se propagent dans différentes voies à travers le système nerveux central, mais la plupart sont transmis au thalamus, une structure au milieu du cerveau. De là, l’information sensorielle est généralement envoyée aux zones du cortex cérébral dédiées à l’analyse de modalités spécifiques, par exemple, le cortex visuel primaire ou le cortex auditif primaire.

Ces zones, à leur tour, envoient des informations au cortex de l’association, où l’information sensorielle est intégrée à d’autres types d’informations pour une analyse de niveau supérieur. Finalement, le traitement neuronal qui se produit dans ces voies et réseaux permet une perception précise des stimuli sensoriels, tels que l’identité et l’emplacement des objets dans le monde visuel, ou la compréhension de la parole.