2.1: Центральна та периферична нервова системи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 88777

Mehgan Andrade and Neil Walker
College of the Canyons

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Нервову систему можна розділити на дві основні області: центральну і периферичну нервову системи. Центральна нервова система (ЦНС) - це головний і спинний мозок, а периферична нервова система (ПНС) - це все інше (рис. 1). Головний мозок міститься в черепній порожнині черепа, а спинний - всередині хребетної порожнини хребетного стовпа. Це трохи спрощення сказати, що ЦНС - це те, що знаходиться всередині цих двох порожнин, а периферична нервова система знаходиться поза ними, але це один із способів почати думати про це. Насправді існують деякі елементи периферичної нервової системи, які знаходяться в межах черепних або хребетних порожнин. Периферична нервова система названа так, тому що вона знаходиться на периферії - тобто поза головним і спинним мозком. Залежно від різних аспектів нервової системи, розділова лінія між центральною і периферичною не обов'язково є універсальною.

На цій схемі зображений силует людини, що виділяє нервову систему. Центральна нервова система складається з головного і спинного мозку. Мозок являє собою велику масу ребристої і поперечно-смугастої тканини всередині голови. Спинний мозок тягнеться вниз від головного мозку і проходить через тулуб, закінчуючись тазом. Пари збільшеної нервової тканини, позначені гангліями, фланкують спинний мозок, коли він рухається через область ребра. Ганглії є частиною периферичної нервової системи, поряд з багатьма ниткоподібними нервами, які випромінюють від спинного мозку і гангліїв через руки, живіт і ноги. — Малюнок 1. Центральна і периферична нервова система. Структури ПНС називають гангліями і нервами, які можна розглядати як окремі структури. Еквівалентні структури в ЦНС не очевидні з цієї загальної точки зору і найкраще досліджуються в підготовленій тканині під мікроскопом.

Нервова тканина, присутня як в ЦНС, так і в ПНС, містить два основних типи клітин: нейрони і гліальні клітини. Гліальна клітина - це одна з безлічі клітин, які забезпечують каркас тканини, що підтримує нейрони та їх діяльність. Нейрон є більш функціонально важливим з двох, з точки зору комунікативної функції нервової системи. Для опису функціональних відділів нервової системи важливо розуміти будову нейрона.

Нейрони - це клітини і тому мають сому, або клітинне тіло, але вони також мають розширення клітини; кожне розширення, як правило, називають процесом. Існує один важливий процес, який кожен нейрон назвав аксоном, який є клітковиною, яка з'єднує нейрон зі своєю мішенню.

Ще один тип процесу, який відгалужується від соми, - дендрит. Дендрити відповідають за отримання більшої частини вхідних даних від інших нейронів.

Дивлячись на нервову тканину, є області, які переважно містять клітинні тіла та області, які значною мірою складаються лише з аксонів. Ці дві області всередині структур нервової системи часто називають сірою речовиною (регіони з багатьма клітинними тілами та дендритами) або білою речовиною (регіони з багатьма аксонами). На малюнку 2 демонструється поява цих областей в головному і спинному мозку. Кольори, що приписуються цим регіонам, - це те, що можна було б побачити в «свіжій» або незабарвленій нервовій тканині. Сіра речовина необов'язково сіра. Він може бути рожевим через вміст крові, або навіть злегка засмаглим, в залежності від того, як довго збереглася тканина. Але біла речовина біла, оскільки аксони ізольовані багатим ліпідами речовиною під назвою мієлін. Ліпіди можуть виглядати як білий («жирний») матеріал, так само, як жир на сирому шматку курки або яловичини. Насправді, сіра речовина може мати той колір, який їй приписують, тому що поруч з білою речовиною він просто темніший - отже, сірий.

Різниця між сірою речовиною і білою речовиною найчастіше застосовується до центральної нервової тканини, яка має великі області, які можна побачити неозброєним оком. При огляді периферичних структур часто використовують мікроскоп і фарбують тканину штучними фарбами. Це не означає, що центральна нервова тканина не може бути забарвлена і розглянута під мікроскопом, але незаплямована тканина, швидше за все, з ЦНС - наприклад, фронтальний відділ головного мозку або поперечний переріз спинного мозку.

На цій фотографії зображений збільшений вигляд спинної сторони людського мозку. Праву сторону потиличної частки поголили, щоб виявити білу та сіру речовину під поверхневими кровоносними судинами. Біла речовина гілки хоча голена секція, як кінцівки дерева. Сіра речовина розгалужується і вигинається зовні білої речовини, створюючи буфер між зовнішніми краями потиличної частки і внутрішньою білою речовиною. — Малюнок 2. Сіра речовина і біла речовина. Мозок, видалений під час розтину, з видаленим частковим відділом, показує білу речовину, оточену сірою речовиною. Сіра речовина становить зовнішню кору мозку. (кредит: модифікація роботи «Сусено» /Wikimedia Commons)

Незалежно від зовнішнього вигляду забарвленої або неокрашенной тканини, клітини тіл нейронів або аксонів можуть розташовуватися в дискретних анатомічних структурах, які потрібно назвати. Ці назви специфічні для того, чи є структура центральною чи периферійною. Локалізована сукупність тіл нейронних клітин в ЦНС називають ядром. У ПНС скупчення тіл нейронних клітин іменується ганглієм. Рисунок 3 вказує на те, як термін ядро має кілька різних значень в анатомії та фізіології. Це центр атома, де знаходяться протони та нейтрони; це центр клітини, де знаходиться ДНК; і це центр певної функції в ЦНС. Існує також потенційно заплутане використання слова ганглій (множина = ганглії), яке має історичне пояснення. У центральній нервовій системі існує група ядер, які з'єднані між собою і колись називалися базальними гангліями до того, як «ганглій» став прийнятий як опис периферичної структури. Деякі джерела називають цю групу ядер «базальними ядрами», щоб уникнути плутанини.

На цьому малюнку показані дві діаграми та фотографія, позначені A, B і C. Зображення А показує атом, що складається з двох нейтронів і двох протонів, оточених туманною електронною хмарою. Ядро атома - це місце, де знаходяться протони і нейтрони. Зображення B показує клітинку у формі труби з великим овальним ядром біля вузького кінця. Це ядро клітини. Зображення С показує МРТ захоплення головного мозку. Дві червоні ділянки біля центру мозку виділені червоним кольором. Це ядра всередині мозку. — Малюнок 3. Що таке ядро? (а) Ядро атома містить його протони і нейтрони. (б) Ядро клітини - це органела, яка містить ДНК. (c) Ядро в ЦНС - це локалізований центр функції з клітинними тілами декількох нейронів, показаний тут обведеним червоним кольором. (Кредит c: «Була бджолою» /Wikimedia Commons)

Термінологія, що застосовується до пучків аксонів, також відрізняється залежно від місця розташування. Пучок аксонів, або волокон, знайдених в ЦНС, називається трактом, тоді як те ж саме в ПНС буде називатися нервом. Існує важливий момент, який слід зробити щодо цих термінів, який полягає в тому, що вони обидва можуть бути використані для позначення одного і того ж пучка аксонів. Коли ці аксони знаходяться в ПНС, термін нерв, але якщо вони є ЦНС, термін - тракт. Найбільш очевидним прикладом цього є аксони, які проектують з сітківки в мозок. Ці аксони називаються зоровим нервом, оскільки вони залишають око, але коли вони знаходяться всередині черепа, їх називають зоровим трактом. Існує певне місце, де змінюється назва, яке є оптичним хіазмом, але вони все ті ж аксони (рис. 4). Подібну ситуацію поза наукою можна описати і для деяких доріг. Уявіть собі дорогу під назвою «Брод-стріт» в містечку під назвою «Анівіль». Дорога залишає Анівіль і йде до наступного міста, який називається «Рідне місто». Коли дорога перетинає лінію між двома містами і знаходиться в рідному місті, її назва змінюється на «Головна вулиця». Це ідея, що лежить в основі іменування аксонів сітківки. У ПНС вони називаються зоровим нервом, а в ЦНС - зоровим трактом. Таблиця 1 допомагає уточнити, які з цих термінів відносяться до центральної або периферичної нервової систем.

Ця ілюстрація показує чудовий вигляд поперечного перерізу мозку. Передня сторона мозку знаходиться у верхній частині діаграми з чітко видимими двома очима. Кожне око містить лівий нервовий тракт і правий нервовий тракт. У лівому оці лівий нервовий тракт рухається прямо назад в праву сторону таламуса. Потім вона входить в ліву потиличну частку. І навпаки, правий нервовий тракт перетинається в праву частину мозку через зорову хіазму. Вона проходить через праву сторону таламуса і входить в праву потиличну частку. У правому оці все навпаки. Лівий нервовий тракт перетинається на ліву частину мозку у зорової хіазми, подорожуючи в ліву сторону таламуса і ліву сторону потиличної частки. Однак правий нервовий тракт веде прямо назад в праву сторону таламуса і праву потиличну частку. Тому оптична хіазма - це місце, де правий нервовий тракт від правого ока перетинається над лівим нервовим трактом від лівого ока. — Малюнок 4. Зоровий нерв проти зорового тракту. Цей малюнок з'єднань ока з мозком показує зоровий нерв, що проходить від ока до хіазму, де структура триває як зоровий тракт. Ті ж аксони простягаються від ока до мозку через ці два пучка волокон, але хіазма являє собою межу між периферичним і центральним.

Скільки вашого мозку ви використовуєте?

Ви коли-небудь чули твердження, що люди використовують лише 10 відсотків свого мозку? Можливо, ви бачили рекламу на веб-сайті, яка говорить про те, що є секрет розкриття повного потенціалу вашого розуму - ніби 90 відсотків вашого мозку сидить без діла, просто чекаючи, коли ви його використаєте. Якщо ви бачите таке оголошення, не натискайте. Це неправда.

Простий спосіб побачити, скільки мозку використовує людина, - це зробити вимірювання мозкової активності під час виконання завдання. Прикладом такого роду вимірювання є функціональна магнітно-резонансна томографія (ФМРТ), яка генерує карту найбільш активних областей і може бути сформована і представлена в трьох вимірах (рис. 6). Ця процедура відрізняється від стандартної методики МРТ, оскільки вона вимірює зміни в тканині в часі з експериментальним станом або подією.

Це зображення МРТ показує зернисте комп'ютерне зчитування поперечного перерізу мозку. Передня сторона мозку, розташована з правого боку зображення, має велику область, що висвітлюється жовтим кольором, що вказує на нервову стимуляцію. Дві менші області в центрі мозку також жовті. Дві невеликі ділянки знаходяться в одному відносному розташуванні, але в протилежних півкуль мозку. — Малюнок 5. фМРТ. Ця фМРТ показує активацію зорової кори у відповідь на зорові подразники. (кредит: «Суперборсук» /Вікісховище)

Основне припущення полягає в тому, що активна нервова тканина матиме більший кровотік. Змушуючи суб'єкта виконувати зорове завдання, можна виміряти активність у всьому мозку. Розглянемо цей можливий експеримент: суб'єкту кажуть подивитися на екран з чорною крапкою посередині (точка фіксації). Фотографія обличчя проектується на екран далеко від центру. Суб'єкт повинен подивитися на фотографію і розшифрувати, що це таке. Суб'єкт пройшов інструктаж

натиснути кнопку, якщо фотографія когось вони розпізнають. Фотографія може бути знаменитості, тому суб'єкт буде натискати кнопку, або це може бути випадкова людина, невідома суб'єкту, тому суб'єкт не буде натискати кнопку.

У цьому завданні зорові сенсорні зони були б активними, інтегруючі області були б активними, рухові зони, відповідальні за рух очей, були б активними, а рухові зони для натискання кнопки пальцем були б активними. Ці області розподілені по всьому мозку, і зображення fMRI демонструють активність у більш ніж 10 відсотках мозку (деякі дані свідчать про те, що близько 80 відсотків мозку використовує енергію - на основі припливу крові до тканини - під час чітко визначених завдань, подібних до запропонованих вище). Це завдання навіть не включає в себе всі функції, які виконує мозок. Немає мовної реакції, організм в основному лежить нерухомо в апараті МРТ, і він не враховує вегетативні функції, які б виконувалися на задньому плані.

Таблиця 2: Структури ЦНС і ПНС (табл. 1)
	ЦНС	PNS
Група тіл нейронних клітин (тобто сіра речовина)	Ядро	ганглій
Зв'язка аксонів (тобто біла речовина)	Урочище	Нерв

Відвідайте веб-сайт Нобелівської премії, [1]щоб грати в інтерактивну гру, яка демонструє використання цієї технології та порівнює її з іншими типами технологій візуалізації.

У 2003 році Нобелівська премія з фізіології або медицини була присуджена Паулу Лаутербуру та серу Пітеру Менсфілду за відкриття, пов'язані з магнітно-резонансною томографією (МРТ). Це інструмент для перегляду структур організму (а не тільки нервової системи), що залежить від магнітних полів, пов'язаних з певними атомними ядрами. Корисність цієї методики в нервовій системі полягає в тому, що жирова тканина і вода виглядають різними відтінками між чорним і білим. Оскільки біла речовина жирна (від мієліну), а сіра речовина - ні, їх можна легко відрізнити на знімках МРТ.

Відвідайте веб-сайт Нобелівської премії, [2]щоб грати в інтерактивну гру, яка демонструє використання цієї технології та порівнює її з іншими типами технологій візуалізації. Також результати сеансу МРТ порівнюють з знімками, отриманими з рентгенівської або комп'ютерної томографії. Як методи візуалізації, показані в цій грі, вказують на поділ білої та сірої речовини порівняно зі свіжорозсіченою тканиною, показаною раніше?