中學生物/目錄/神經調節

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動物和人體都是開放的系統。要維持內環境的穩態並與外界環境相適應,就離不開生命活動的調節。神經系統在其中扮演了主要角色。

反射[編輯]

你會騎自行車嗎?開始學時,總是東倒西歪,身體似乎總跟大腦鬧彆扭,經過多次練習才能掌握平衡。有的活動卻是天生就會的,比如孩子生下來就會吮吸母乳。無論是簡單的還是複雜的活動,都是主要靠神經系統來調節的。神經調節的基本方式是反射。

快速叩擊一下膝蓋下面的韌帶,大腿的一些肌肉就會迅速收縮,從而使小腿突然抬起。醫生常用這個方法來檢測人體神經系統對刺激發生反應的狀況。類似膝跳反射這樣的例子還有許多,比如物體在眼前突然出現時你會眨眼,嬰兒膀胱里尿液多了就會立刻排尿,等等。像這樣,人體在中樞神經系統參與下,對內外環境變化做出的規律性應答,就叫反射

動物體的反射活動是多種多樣的,大致可以分為非條件反射和條件反射兩類。動物生下來就有的,也就是通過遺傳而獲得的先天性反射,叫做非條件反射。動物出生後,在生活過程中通過訓練逐漸形成的後天性反射,叫做條件反射。條件反射是在非條件反射的基礎上,藉助一定的條件(自然的或人為的),經過一定的過程形成的。條件反射大大地提高了動物適應複雜環境變化的能力。

縮手反射、眨眼反射、排尿反射和膝跳反射等都是非條件反射。就這類反射來說只要出現,正常的人體都會作出相應的反應,而不需要先經過大腦的分析和判斷,是一類簡單的反射。除了上述這類簡單的反射外,人通過長期生活經驗的積累,還能形成複雜的反射。例如,同學們聽到上課鈴聲,就會迅速走進教室;行人聽到身後汽車喇叭聲,就會迅速躲避,等等。對於某些語言刺激,也能形成複雜的反射。「望梅止渴」,就是一個典型的例子。

梅子是酸的,吃時能夠刺激唾液腺分泌唾液,這是一種非條件反射。凡是吃過梅子的人,再見到梅子時,也能出現分泌唾液的反射。這是條件反射。談論梅子時也分泌唾液,這與大腦皮層中特定的神經中樞有關。與語言文字有關的反射是最複雜的,也是人類所特有的。

人體通過各種簡單或複雜的反射,從而能夠對體內外的刺激迅速作出適當的反應,來調節自身的生命活動和適應各種環境變化。

為什麼有的反射可以不受大腦控制呢?要弄清這個問題,需要研究反射的結構基礎——反射弧。

反射弧[編輯]

我們來看一個實例。這是一位同學突然抓起一個燙手的饅頭後來不及思考就迅速鬆手的反射過程。

  1. 感受器:手指皮膚中有許多感受熱刺激的感覺神經末梢部分,也就是感受器。這些感受器感受到熱的刺激後,能夠產生興奮 [1]
  2. 感覺神經:興奮以神經衝動的形式,通過感覺神經(一種傳入神經)傳到脊髓中額定的神經中樞。其中,神經衝動的是一種電信號。
  3. 神經中樞:神經中樞的神經元接受了「燙」這一信號後,立刻產生興奮,並將它傳給傳出神經。
  4. 運動神經:運動神經(一種傳出神經)迅速將來自中樞的興奮以神經衝動的形式傳到這些手指肌肉中的神經末梢。
  5. 效應器:傳出神經的神經末梢與相應的肌肉組成效應器。一般來說,效應器指的是運動神經末梢和它所支配的肌肉和腺體。

在完成這個反射的同時,脊髓中通向大腦的神經元,還會將興奮傳到大腦,使人感覺到燙。不過由於傳向大腦的路徑較長,在大腦作出判斷之前手指已經縮回了。

通過這個實例,可以看出,反射是通過一定的神經結構——反射弧完成的。人體能完成許許多多的反射,是因為具有許許多多的反射弧。所以說,反射活動的結構基礎是完整的反射弧。

這些反射弧有着共同的結構模式,包括感受器、傳入神經/感覺神經、神經中樞、傳出神經/運動神經和效應器這五部分。

反射活動需要經過完整的反射弧來實現。如果反射弧中任何環節在結構和功能上受損,反射就不能完成。

我們可以歸納出反射的大致過程如下:感受器的興奮沿着感覺神經向神經中樞傳導;神經中樞隨之產生興奮並對傳入的信息進行分析和綜合;神經中樞的興奮經過一定的運動神經到達效應器;效應器對刺激作出應答反應。

興奮在神經纖維上的傳導[編輯]

有人做過這樣的實驗,在蛙的坐骨神經上放置兩個電極,連接到一個電壓表上。靜息時,電壓表沒有測出電勢差,說明神經表面各處電勢相等。當在神經的一端給予刺激時,可以看到,靠近刺激端的電極處先變為負電勢,接着恢復正電勢;然後另一電極處變為負電勢,接着又恢復為正電勢。這說明在神經系統中興奮是以電信號的形式沿着神經纖維傳導的,這種電信號也叫神經衝動。神經衝動在神經纖維上是怎樣產生和傳導的呢?

在未受到刺激時,神經纖維處於靜息狀態。這時由於細胞膜內外特異的離子分佈特點[2],細胞膜內外的電勢,表現為膜外正電勢,膜內負電勢。這稱為靜息電位。

當神經纖維某一部分受到刺激時,這個部位的膜的兩側出現暫時性的電勢變化。膜外由正電勢變為負電勢,膜內由負電勢變為正電勢,但是鄰近的未興奮部位仍然是膜外正電勢,膜內負電勢。在興奮部位和未興奮部位之間,由於電勢差的存在而發生電荷移動,這樣就形成了局部電流。

這種局部電流又刺激相近的位興奮部位發生同樣的電勢變化。如此依次進行下去,興奮不斷地向前傳導,興奮的部位又不斷地依次恢復為靜息電位。興奮就是按照這樣的方式沿着神經纖維迅速向前傳導的。

興奮在神經元之間的傳遞[編輯]

在完成一個反射的過程中,興奮要經過傳入神經和傳出神經等多個神經元,相鄰的兩個神經元之間並不是直接接觸的。

當神經末梢有神經衝動傳來時,突觸前膜內的突觸小泡受到刺激,就會釋放神經遞質。神經遞質經擴散通過突觸間隙,然後與突觸後膜上的特異性受體結合,引發突觸後膜電勢變化,即引發一次新的神經衝動。這樣,興奮就從一個神經元通過突觸傳遞到了另一個神經元。

由於神經遞質,只能由突觸前膜釋放,然後作用於突觸後膜上,因此神經元之間興奮的傳遞只能是單方向的。例如,從一個神經元的軸突傳到下一個神經元的細胞體或樹突。在特定情況下,突觸釋放的神經遞質也能使肌肉收縮和某些腺體分泌。

神經系統的分級調節[編輯]

脊椎動物和人的中樞神經系統,含有大量的神經元,這些神經元組合成許多不同的神經中樞,分別負責調控某一特定的生理功能。這些神經中樞是各自孤立地對生理活動進行調節的嗎?

神經中樞的分佈部位和功能各不相同,但彼此間又互相聯繫,相互調控。一般來說,位於脊髓的低級中樞受腦中相應的高級中樞的調控,這樣,相應器官、系統的生理活動就能進行得更加有條不紊和精確。可以認為,高級神經中樞的調節起着主導作用。

人腦的調節[編輯]

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位於人大腦表層的大腦皮層,有140多億個神經元,組成了許多神經中樞,是整個神經系統中最高級的部位。它除了對外部世界的感知以及控制機體的反射活動外,還具有語言、學習、記憶和思維等方面的高級功能。

大腦皮層的某些區域與軀體運動的功能有密切的聯繫。科學家們在研究中發現,刺激大腦皮層中央前回(又叫做第一運動區)的頂部,可以引起下肢的運動;刺激中央前回的其它部位則會出現其他相應器官的運動。這說明軀體各部分的運動機能在皮層第一運動區內都有它的代表區,而且皮層代表區的位置與軀體各部分的關係是倒置的,即下肢的代表區在大腦皮層的第一運動區的頂部,頭面部肌肉的代表區在底部,上肢的代表區則在兩者之間。

語言文字是人類社會信息傳遞的主要形式,也是人類進行思維的主要工具。語言功能是人腦特有的高級功能,它包括與語言、文字相關的全部智力活動,涉及人類的聽、寫、讀、說。

這些功能與大腦皮層某些特定的區域有關,這些區域稱為言語區。

大腦皮層言語區的損傷會導致特有的各種言語活動功能障礙。大量臨床資料表明,在皮層中央前回底部之前(S區)受到損傷時,病人能夠看懂文字和聽懂別人的談話,但卻不會講話,也就是不能用詞語表達自己的思想,這種情況叫做運動性失語症;當皮層顳上回後部(H區)受到損傷時,病人會講話會書寫,也能看懂文字,但卻聽不懂別人的談話,這種情況叫做聽覺性失語症。W區發生障礙時不能寫字,V區發生障礙時不能看懂文字。可見大腦皮層是控制言語活動功能的高級中樞。

大腦皮層與內臟的活動也有密切的聯繫。通過做動物實驗發現,刺激大腦內側面的某一特定區域的不同部位,可以引起複雜的內臟活動反應,血壓可以升高或降低,呼吸可以加快或抑制,胃腸道運動可以加強或減弱等。

學習和記憶是腦的高級功能之一。學習是神經系統不斷地接受刺激,獲得新的行為、習慣和積累經驗的過程。記憶則是將獲得的經驗進行貯存和再現。學習和記憶相互聯繫,不可分割。人的記憶大致可以分為這樣幾個連續過程:當信息通過視覺聽覺觸覺等外界信息輸入時,會變成瞬時記憶;瞬時記憶得到注意,則會變為短期記憶,否則將被遺忘;重複的短期記憶會變為長期記憶,否則也會被遺忘;長期記憶可以在一定的條件下變為永久記憶。

揭示記憶的奧秘,是近百年來神經科學家孜孜以求的奮鬥目標。研究發現,學習和記憶涉及腦內神經遞質的作用以及某些種類蛋白質的合成。短期記憶主要與神經元的活動及神經元之間的聯繫有關,尤其是與大腦皮層下一個形狀像海馬的腦區有關;長期記憶可能與新突觸的建立有關。學習和記憶更深層次的奧秘,目前仍是有待於進一步探索的難題。

由於人腦的結構和功能極其複雜,需要從分子、細胞、局部迴路、全腦和行為等不同層面進行研究,因此揭示腦的奧秘是21世紀人類最有挑戰性的工作之一。

1997年,由美、英、法、德、日等19國共同參與、以「認識腦、保護腦和創造腦」為目標的人類腦計劃正式啟動。中國於2001年9月正式成為參與人類腦計劃研究的第20個國家。

腦科學對人類神經和精神疾病的研究,以及神經網絡計算機和信息科學的發展,都具有重要的意義。

總之,神經系統是人和高等動物體主要的功能調節系統。中樞神經系統通過傳入神經與全身各處的感受器緊密相連,感受機體內部和外界環境的變化;經過中樞神經系統的分析和綜合,確定機體的最適宜的反應;再通過傳出神經支配骨骼肌、各臟器和內分泌腺的活動,從而調節和控制機體各部分的活動,使它們相互配合、協調,成為一個統一的整體,以適應機體內部和外界環境的變化。

腳註[編輯]

  1. 興奮是指動物體或人體內的某些組織(如神經組織)或細胞感受外界刺激後,由相對靜止狀態變為顯著活躍狀態的過程。
  2. 神經細胞內鉀離子濃度明顯高於膜外,而鈉離子濃度比膜外低。靜息時,由於膜主要對鉀離子有通透性,造成鉀離子外流,使膜外陽離子濃度高於膜內,這是大多數神經細胞產生和維持靜息電位的主要原因。受到刺激時,細胞膜對鈉離子的通透性增加,鈉離子內流,使興奮部位膜內側陽離子濃度高於膜外側,表現為內正外負,與相鄰部位產生電勢差。