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Fisiologicamente, os padrões de comportamento são a resposta dos efetores de um animal (basicamente músculos e glândulas) a estímulos detectados por seus órgãos dos sentidos. Entre os órgãos dos sentidos e os efetores, figura o sistema nervoso, que analisa as informações recebidas e determina que estímulos serão passados para os efetores.
Sob vários pontos de vista, o sistema nervoso é a caixa-preta do estudo do comportamento. Os estímulos que entram e as respostas que a eles são dadas estão bem definidos para quase todos os casos estudados, mas exatamente o quê entra no sistema nervoso é, na maioria dos casos, um mistério. No entanto, as características dos padrões de comportamento necessariamente refletem a organização das células nervosas que os controlam.
Muitos pesquisadores andaram procurando por comportamentos simples que supostamente poderiam revelar aspectos essenciais de atividades mais complexas. Eles conseguiram descrever como um determinado neurônio funciona na locomoção e no comportamento de escape de invertebrados. Muita pesquisa ainda vem sendo feita nessa área.
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