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O sistema vestibular detecta a gravidade, a aceleração linear e a velocidade angular através de dois tipos de órgãos: o utrículo e o sáculo (aceleração linear e da gravidade, através dos otólitos) e os três canais semicirculares (aceleração angular nos três planos do espaço). A física do sistema é a de um mecanossensor inercial com amortecimento viscoso.

O otólito (CaCO, 2700 kg/m³) é muito mais denso do que a endolinfa circundante ( 1003 kg/m³): a diferença de densidade 1700 kg/m³ gera uma força resultante F_g = ·V·g que desvia os estereocílios das células ciliadas abaixo. A deflexão x_eq é proporcional à aceleração (incluindo g), permitindo ao cérebro inferir a orientação em relação à vertical.

A dinâmica do canal semicircular é a de um oscilador subamortecido: a equação I·d/dt + b· = tem a solução (t) exp(-t/_sc) com _sc = b_cup/k_cup 515 s. O canal responde à velocidade angular (não à posição angular): detecta o início e o fim de uma rotação. Quando o corpo gira a uma velocidade constante, _dome decai e o sistema se adapta (ilusão do giroscópio).

A transdução mecanoelétrica (MET) das células ciliadas segue uma curva sigmoidal I_MET(x) = I_max/(1 + exp(-(x-x)/_MET)): a corrente iônica através dos canais na ponta dos estereocílios é máxima quando eles estão inclinados em direção ao cinocílio e mínima na outra direção. A escala _MET 110 nm é a distância de deflexão para ir de 10% a 90% de saturação extraordinariamente pequena, comparável a uma ligação atômica.

A gravidade é usada como referência vertical absoluta por praticamente todos os organismos com sistema nervoso. Os estatocistos em invertebrados marinhos, o sistema vestibular em vertebrados e os estatocistos vegetais (amiloplastos nas células radiculares) usam o mesmo princípio físico: um corpo denso sedimenta sob a gravidade e deforma estruturas elásticas que ativam sensores. A resolução angular do sistema vestibular humano é 0,5°, suficiente para o controle postural.

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