中学生物/目录/神经调节

维基教科书,自由的教学读本
跳到导航 跳到搜索

动物和人体都是开放的系统。要维持内环境的稳态并与外界环境相适应,就离不开生命活动的调节。神经系统在其中扮演了主要角色。

反射[编辑]

你会骑自行车吗?开始学时,总是东倒西歪,身体似乎总跟大脑闹别扭,经过多次练习才能掌握平衡。有的活动却是天生就会的,比如孩子生下来就会吮吸母乳。无论是简单的还是复杂的活动,都是主要靠神经系统来调节的。神经调节的基本方式是反射。

快速叩击一下膝盖下面的韧带,大腿的一些肌肉就会迅速收缩,从而使小腿突然抬起。医生常用这个方法来检测人体神经系统对刺激发生反应的状况。类似膝跳反射这样的例子还有许多,比如物体在眼前突然出现时你会眨眼,婴儿膀胱里尿液多了就会立刻排尿,等等。像这样,人体在中枢神经系统参与下,对内外环境变化做出的规律性应答,就叫反射

动物体的反射活动是多种多样的,大致可以分为非条件反射和条件反射两类。动物生下来就有的,也就是通过遗传而获得的先天性反射,叫做非条件反射。动物出生后,在生活过程中通过训练逐渐形成的后天性反射,叫做条件反射。条件反射是在非条件反射的基础上,借助一定的条件(自然的或人为的),经过一定的过程形成的。条件反射大大地提高了动物适应复杂环境变化的能力。

缩手反射、眨眼反射、排尿反射和膝跳反射等都是非条件反射。就这类反射来说只要出现,正常的人体都会作出相应的反应,而不需要先经过大脑的分析和判断,是一类简单的反射。除了上述这类简单的反射外,人通过长期生活经验的积累,还能形成复杂的反射。例如,同学们听到上课铃声,就会迅速走进教室;行人听到身后汽车喇叭声,就会迅速躲避,等等。对于某些语言刺激,也能形成复杂的反射。“望梅止渴”,就是一个典型的例子。

梅子是酸的,吃时能够刺激唾液腺分泌唾液,这是一种非条件反射。凡是吃过梅子的人,再见到梅子时,也能出现分泌唾液的反射。这是条件反射。谈论梅子时也分泌唾液,这与大脑皮层中特定的神经中枢有关。与语言文字有关的反射是最复杂的,也是人类所特有的。

人体通过各种简单或复杂的反射,从而能够对体内外的刺激迅速作出适当的反应,来调节自身的生命活动和适应各种环境变化。

为什么有的反射可以不受大脑控制呢?要弄清这个问题,需要研究反射的结构基础——反射弧。

反射弧[编辑]

我们来看一个实例。这是一位同学突然抓起一个烫手的馒头后来不及思考就迅速松手的反射过程。

  1. 感受器:手指皮肤中有许多感受热刺激的感觉神经末梢部分,也就是感受器。这些感受器感受到热的刺激后,能够产生兴奋 [1]
  2. 感觉神经:兴奋以神经冲动的形式,通过感觉神经(一种传入神经)传到脊髓中额定的神经中枢。其中,神经冲动的是一种电信号。
  3. 神经中枢:神经中枢的神经元接受了“烫”这一信号后,立刻产生兴奋,并将它传给传出神经。
  4. 运动神经:运动神经(一种传出神经)迅速将来自中枢的兴奋以神经冲动的形式传到这些手指肌肉中的神经末梢。
  5. 效应器:传出神经的神经末梢与相应的肌肉组成效应器。一般来说,效应器指的是运动神经末梢和它所支配的肌肉和腺体。

在完成这个反射的同时,脊髓中通向大脑的神经元,还会将兴奋传到大脑,使人感觉到烫。不过由于传向大脑的路径较长,在大脑作出判断之前手指已经缩回了。

通过这个实例,可以看出,反射是通过一定的神经结构——反射弧完成的。人体能完成许许多多的反射,是因为具有许许多多的反射弧。所以说,反射活动的结构基础是完整的反射弧。

这些反射弧有着共同的结构模式,包括感受器、传入神经/感觉神经、神经中枢、传出神经/运动神经和效应器这五部分。

反射活动需要经过完整的反射弧来实现。如果反射弧中任何环节在结构和功能上受损,反射就不能完成。

我们可以归纳出反射的大致过程如下:感受器的兴奋沿着感觉神经向神经中枢传导;神经中枢随之产生兴奋并对传入的信息进行分析和综合;神经中枢的兴奋经过一定的运动神经到达效应器;效应器对刺激作出应答反应。

兴奋在神经纤维上的传导[编辑]

有人做过这样的实验,在蛙的坐骨神经上放置两个电极,连接到一个电压表上。静息时,电压表没有测出电势差,说明神经表面各处电势相等。当在神经的一端给予刺激时,可以看到,靠近刺激端的电极处先变为负电势,接着恢复正电势;然后另一电极处变为负电势,接着又恢复为正电势。这说明在神经系统中兴奋是以电信号的形式沿着神经纤维传导的,这种电信号也叫神经冲动。神经冲动在神经纤维上是怎样产生和传导的呢?

在未受到刺激时,神经纤维处于静息状态。这时由于细胞膜内外特异的离子分布特点[2],细胞膜内外的电势,表现为膜外正电势,膜内负电势。这称为静息电位。

当神经纤维某一部分受到刺激时,这个部位的膜的两侧出现暂时性的电势变化。膜外由正电势变为负电势,膜内由负电势变为正电势,但是邻近的未兴奋部位仍然是膜外正电势,膜内负电势。在兴奋部位和未兴奋部位之间,由于电势差的存在而发生电荷移动,这样就形成了局部电流。

这种局部电流又刺激相近的位兴奋部位发生同样的电势变化。如此依次进行下去,兴奋不断地向前传导,兴奋的部位又不断地依次恢复为静息电位。兴奋就是按照这样的方式沿着神经纤维迅速向前传导的。

兴奋在神经元之间的传递[编辑]

在完成一个反射的过程中,兴奋要经过传入神经和传出神经等多个神经元,相邻的两个神经元之间并不是直接接触的。

当神经末梢有神经冲动传来时,突触前膜内的突触小泡受到刺激,就会释放神经递质。神经递质经扩散通过突触间隙,然后与突触后膜上的特异性受体结合,引发突触后膜电势变化,即引发一次新的神经冲动。这样,兴奋就从一个神经元通过突触传递到了另一个神经元。

由于神经递质,只能由突触前膜释放,然后作用于突触后膜上,因此神经元之间兴奋的传递只能是单方向的。例如,从一个神经元的轴突传到下一个神经元的细胞体或树突。在特定情况下,突触释放的神经递质也能使肌肉收缩和某些腺体分泌。

神经系统的分级调节[编辑]

脊椎动物和人的中枢神经系统,含有大量的神经元,这些神经元组合成许多不同的神经中枢,分别负责调控某一特定的生理功能。这些神经中枢是各自孤立地对生理活动进行调节的吗?

神经中枢的分布部位和功能各不相同,但彼此间又互相联系,相互调控。一般来说,位于脊髓的低级中枢受脑中相应的高级中枢的调控,这样,相应器官、系统的生理活动就能进行得更加有条不紊和精确。可以认为,高级神经中枢的调节起着主导作用。

人脑的调节[编辑]

Insula animation.gif

位于人大脑表层的大脑皮层,有140多亿个神经元,组成了许多神经中枢,是整个神经系统中最高级的部位。它除了对外部世界的感知以及控制机体的反射活动外,还具有语言、学习、记忆和思维等方面的高级功能。

大脑皮层的某些区域与躯体运动的功能有密切的联系。科学家们在研究中发现,刺激大脑皮层中央前回(又叫做第一运动区)的顶部,可以引起下肢的运动;刺激中央前回的其它部位则会出现其他相应器官的运动。这说明躯体各部分的运动机能在皮层第一运动区内都有它的代表区,而且皮层代表区的位置与躯体各部分的关系是倒置的,即下肢的代表区在大脑皮层的第一运动区的顶部,头面部肌肉的代表区在底部,上肢的代表区则在两者之间。

语言文字是人类社会信息传递的主要形式,也是人类进行思维的主要工具。语言功能是人脑特有的高级功能,它包括与语言、文字相关的全部智力活动,涉及人类的听、写、读、说。

这些功能与大脑皮层某些特定的区域有关,这些区域称为言语区。

大脑皮层言语区的损伤会导致特有的各种言语活动功能障碍。大量临床资料表明,在皮层中央前回底部之前(S区)受到损伤时,病人能够看懂文字和听懂别人的谈话,但却不会讲话,也就是不能用词语表达自己的思想,这种情况叫做运动性失语症;当皮层颞上回后部(H区)受到损伤时,病人会讲话会书写,也能看懂文字,但却听不懂别人的谈话,这种情况叫做听觉性失语症。W区发生障碍时不能写字,V区发生障碍时不能看懂文字。可见大脑皮层是控制言语活动功能的高级中枢。

大脑皮层与内脏的活动也有密切的联系。通过做动物实验发现,刺激大脑内侧面的某一特定区域的不同部位,可以引起复杂的内脏活动反应,血压可以升高或降低,呼吸可以加快或抑制,胃肠道运动可以加强或减弱等。

学习和记忆是脑的高级功能之一。学习是神经系统不断地接受刺激,获得新的行为、习惯和积累经验的过程。记忆则是将获得的经验进行贮存和再现。学习和记忆相互联系,不可分割。人的记忆大致可以分为这样几个连续过程:当信息通过视觉听觉触觉等外界信息输入时,会变成瞬时记忆;瞬时记忆得到注意,则会变为短期记忆,否则将被遗忘;重复的短期记忆会变为长期记忆,否则也会被遗忘;长期记忆可以在一定的条件下变为永久记忆。

揭示记忆的奥秘,是近百年来神经科学家孜孜以求的奋斗目标。研究发现,学习和记忆涉及脑内神经递质的作用以及某些种类蛋白质的合成。短期记忆主要与神经元的活动及神经元之间的联系有关,尤其是与大脑皮层下一个形状像海马的脑区有关;长期记忆可能与新突触的建立有关。学习和记忆更深层次的奥秘,目前仍是有待于进一步探索的难题。

由于人脑的结构和功能极其复杂,需要从分子、细胞、局部回路、全脑和行为等不同层面进行研究,因此揭示脑的奥秘是21世纪人类最有挑战性的工作之一。

1997年,由美、英、法、德、日等19国共同参与、以“认识脑、保护脑和创造脑”为目标的人类脑计划正式启动。中国于2001年9月正式成为参与人类脑计划研究的第20个国家。

脑科学对人类神经和精神疾病的研究,以及神经网络计算机和信息科学的发展,都具有重要的意义。

总之,神经系统是人和高等动物体主要的功能调节系统。中枢神经系统通过传入神经与全身各处的感受器紧密相连,感受机体内部和外界环境的变化;经过中枢神经系统的分析和综合,确定机体的最适宜的反应;再通过传出神经支配骨骼肌、各脏器和内分泌腺的活动,从而调节和控制机体各部分的活动,使它们相互配合、协调,成为一个统一的整体,以适应机体内部和外界环境的变化。

脚注[编辑]

  1. 兴奋是指动物体或人体内的某些组织(如神经组织)或细胞感受外界刺激后,由相对静止状态变为显著活跃状态的过程。
  2. 神经细胞内钾离子浓度明显高于膜外,而钠离子浓度比膜外低。静息时,由于膜主要对钾离子有通透性,造成钾离子外流,使膜外阳离子浓度高于膜内,这是大多数神经细胞产生和维持静息电位的主要原因。受到刺激时,细胞膜对钠离子的通透性增加,钠离子内流,使兴奋部位膜内侧阳离子浓度高于膜外侧,表现为内正外负,与相邻部位产生电势差。