สมองของมนุษย์ประกอบด้วยอะไร? ห้องสมุดวิทยาศาสตร์ - บทคัดย่อ - หลักการของการส่งข้อมูลและการจัดระเบียบโครงสร้างของสมอง การส่งและรับข้อมูลเข้าสู่สมอง

บุคคลสามารถสัมผัสและรับรู้โลกวัตถุประสงค์ได้ด้วยกิจกรรมพิเศษของสมอง อวัยวะรับสัมผัสทั้งหมดเชื่อมต่อกับสมอง อวัยวะเหล่านี้แต่ละส่วนตอบสนองต่อสิ่งเร้าบางอย่าง: อวัยวะที่มองเห็น - ต่ออิทธิพลของแสง, อวัยวะในการได้ยินและสัมผัส - ต่ออิทธิพลทางกล, อวัยวะรับรสและกลิ่น - ต่ออิทธิพลทางเคมี อย่างไรก็ตาม สมองเองก็ไม่สามารถรับรู้ถึงอิทธิพลประเภทนี้ได้ มันเพียง "เข้าใจ" สัญญาณไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับแรงกระตุ้นของเส้นประสาทเท่านั้น เพื่อให้สมองตอบสนองต่อสิ่งเร้า ประสาทสัมผัสแต่ละรูปแบบจะต้องแปลงพลังงานทางกายภาพที่สอดคล้องกันเป็นสัญญาณไฟฟ้าก่อน จากนั้นจึงเคลื่อนไปตามเส้นทางของสมองไปยังสมอง กระบวนการแปลนี้ดำเนินการโดยเซลล์พิเศษในอวัยวะรับความรู้สึกที่เรียกว่าตัวรับ ตัวอย่างเช่น ตัวรับการมองเห็นจะอยู่ในชั้นบาง ๆ ด้านในของดวงตา ตัวรับการมองเห็นแต่ละตัวมีสารเคมีที่ทำปฏิกิริยากับแสง และปฏิกิริยานี้กระตุ้นให้เกิดเหตุการณ์ต่างๆ ที่ส่งผลให้เกิดแรงกระตุ้นของเส้นประสาท ตัวรับการได้ยินคือเซลล์ขนบาง ๆ ที่อยู่ลึกเข้าไปในหู การสั่นสะเทือนของอากาศซึ่งเป็นตัวกระตุ้นเสียงทำให้เซลล์ขนเหล่านี้โค้งงอส่งผลให้เกิดแรงกระตุ้นเส้นประสาท กระบวนการที่คล้ายกันเกิดขึ้นในรูปแบบทางประสาทสัมผัสอื่นๆ

ตัวรับ- เป็นเซลล์ประสาทเฉพาะหรือเซลล์ประสาท เมื่อตื่นเต้นก็จะส่งสัญญาณไฟฟ้าไปยังเซลล์ประสาทภายใน สัญญาณนี้จะเดินทางจนกว่าจะถึงเขตรับสัญญาณในเปลือกสมอง โดยรูปแบบการรับความรู้สึกแต่ละแบบจะมีโซนรับความรู้สึกของตัวเอง ที่ไหนสักแห่งในสมอง - บางทีในเปลือกสมองรับหรือบางทีในบางส่วนของเปลือกนอก - สัญญาณไฟฟ้าทำให้เกิดประสบการณ์การรับรู้ความรู้สึก ดังนั้นเมื่อเราสัมผัสได้ ความรู้สึกจึง "เกิดขึ้น" ในสมอง ไม่ใช่บนผิวหนัง ยิ่งไปกว่านั้น แรงกระตุ้นทางไฟฟ้าที่ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในความรู้สึกสัมผัสโดยตรงนั้นเกิดจากแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในตัวรับการสัมผัสซึ่งอยู่ในผิวหนัง ในทำนองเดียวกัน ความรู้สึกรสขมไม่ได้เกิดขึ้นที่ลิ้น แต่เกิดที่สมอง แต่แรงกระตุ้นของสมองที่เป็นสื่อกลางความรู้สึกในการรับรสนั้นเกิดจากแรงกระตุ้นไฟฟ้าจากปุ่มรับรสของลิ้น

สมองไม่เพียงรับรู้ถึงผลกระทบของสิ่งเร้าเท่านั้น แต่ยังรับรู้ถึงคุณลักษณะหลายประการของสิ่งเร้าด้วย เช่น ความรุนแรงของสิ่งเร้า ดังนั้นตัวรับจะต้องมีความสามารถในการเข้ารหัสความเข้มข้นและพารามิเตอร์เชิงคุณภาพของสิ่งเร้า พวกเขาทำมันได้อย่างไร?

เพื่อตอบคำถามนี้ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องทำการทดลองหลายชุดเพื่อบันทึกกิจกรรมของเซลล์ตัวรับเดี่ยวและวิถีทางระหว่างการนำเสนอสัญญาณอินพุตหรือสิ่งเร้าต่างๆ แก่ผู้รับการทดลอง

7.2. ประเภทของความรู้สึก

มีแนวทางที่แตกต่างกันในการจำแนกความรู้สึก เป็นเรื่องปกติมานานแล้วที่จะแยกแยะระหว่างความรู้สึกหลักห้าประเภท (ตามจำนวนอวัยวะรับสัมผัส) ได้แก่ กลิ่น รส สัมผัส การมองเห็น และการได้ยิน การจำแนกความรู้สึกตามรูปแบบหลักนี้ถูกต้องแม้ว่าจะไม่ครบถ้วนสมบูรณ์ก็ตาม บี.จี. Ananyev พูดถึงความรู้สึกสิบเอ็ดประเภท เอ.อาร์. Luria เชื่อว่าการจำแนกความรู้สึกสามารถดำเนินการได้ตามหลักการพื้นฐานอย่างน้อยสองข้อ - เป็นระบบและทางพันธุกรรม (กล่าวอีกนัยหนึ่งตามหลักการของกิริยาท่าทางในด้านหนึ่งและตามหลักการของความซับซ้อนหรือระดับของพวกเขา การก่อสร้างอีกทางหนึ่ง)

เชอร์ริงตัน ชาร์ลส สก็อตต์ (1857-1952)- นักสรีรวิทยาและนักจิตวิทยาชาวอังกฤษ เขาสำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในปี พ.ศ. 2428 จากนั้นทำงานในมหาวิทยาลัยที่มีชื่อเสียงเช่นลอนดอน ลิเวอร์พูล ออกซ์ฟอร์ด และเอดินบะระ ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2457 ถึง พ.ศ. 2460 เขาเป็นศาสตราจารย์วิจัยด้านสรีรวิทยาที่ Royal Institution ในบริเตนใหญ่ ผู้ได้รับรางวัลโนเบล.

เขากลายเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางจากการวิจัยเชิงทดลองซึ่งเขาดำเนินการตามแนวคิดของระบบประสาทในฐานะระบบหนึ่ง. เขาเป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่พยายามตรวจสอบการทดลองทฤษฎีเจมส์-ลางจ์ และแสดงให้เห็นว่าการแยกระบบประสาทเกี่ยวกับอวัยวะภายในออกจากระบบประสาทส่วนกลางไม่ได้เปลี่ยนพฤติกรรมทั่วไปของสัตว์ในการตอบสนองต่ออิทธิพลทางอารมณ์

Ch. Sherrington อยู่ในการจำแนกประเภทของตัวรับเป็นตัวรับภายนอก proprioceptors และตัวรับระหว่างกัน นอกจากนี้เขายังแสดงให้เห็นการทดลองถึงความเป็นไปได้ของต้นกำเนิดของตัวรับที่อยู่ห่างไกลจากตัวสัมผัส

การจำแนกประเภทอย่างเป็นระบบความรู้สึกถูกเสนอโดยนักสรีรวิทยาชาวอังกฤษ ซี. เชอร์ริงตัน- เขาแบ่งกลุ่มความรู้สึกที่ใหญ่ที่สุดและสำคัญที่สุดออกเป็นสามประเภทหลัก:

แบบสอดประสาน - รวมสัญญาณที่มาถึงเราจากสภาพแวดล้อมภายในของร่างกาย เกิดขึ้นเนื่องจากตัวรับภายในที่อยู่บนผนังกระเพาะอาหารและลำไส้ระบบหัวใจและระบบไหลเวียนโลหิตและอวัยวะภายในอื่น ๆ กลุ่มความรู้สึกที่เก่าแก่ที่สุดและพื้นฐานที่สุด อยู่ในรูปแบบความรู้สึกที่มีสติน้อยที่สุดและกระจายมากที่สุด และมักจะรักษาความใกล้ชิดกับสภาวะทางอารมณ์อยู่เสมอ

proprioceptive - ส่งข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งของร่างกายในอวกาศและตำแหน่งของระบบกล้ามเนื้อและกระดูก จัดให้มีการควบคุมการเคลื่อนไหว รวมถึงความรู้สึกสมดุล หรือความรู้สึกคงที่ เช่นเดียวกับการเคลื่อนไหวหรือความรู้สึกทางการเคลื่อนไหวร่างกาย ตัวรับส่วนปลายของความไวต่อการรับรู้อากัปกิริยาจะอยู่ในกล้ามเนื้อและข้อต่อ (เส้นเอ็น, เอ็น) และเรียกว่า Paccini corpuscles ตัวรับความรู้สึกสมดุลจะอยู่ที่ช่องครึ่งวงกลมของหูชั้นใน

นอกรีต รู้สึก - ส่งสัญญาณจากโลกภายนอกและสร้างพื้นฐานสำหรับพฤติกรรมที่มีสติของเรา กลุ่ม นอกรีต ความรู้สึกแบ่งออกเป็นสองกลุ่มตามอัตภาพ: การสัมผัสและความรู้สึกที่ห่างไกล

ความรู้สึกสัมผัส เกิดจากการกระทบโดยตรงของวัตถุต่อประสาทสัมผัส: รสและสัมผัส

ห่างไกล รู้สึก สะท้อนถึงคุณสมบัติของวัตถุที่อยู่ในระยะห่างจากประสาทสัมผัส: การได้ยินและการมองเห็น

กลิ่น, ตามที่ผู้เขียนหลายคนระบุว่ามันครอบครองตำแหน่งกึ่งกลางระหว่างการสัมผัสและความรู้สึกที่ห่างไกลเนื่องจากความรู้สึกรับกลิ่นอย่างเป็นทางการเกิดขึ้นที่ระยะห่างจากวัตถุ แต่ในเวลาเดียวกันโมเลกุลที่แสดงลักษณะของกลิ่นของวัตถุซึ่งตัวรับกลิ่นสัมผัส ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเป็นของวัตถุนี้

นี่คือความเป็นคู่ของตำแหน่งที่ถูกครอบครองโดยความรู้สึกของกลิ่นในการจำแนกความรู้สึก

เนื่องจากความรู้สึกเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการกระทำของสิ่งเร้าทางกายภาพจำเพาะต่อตัวรับที่สอดคล้องกัน การจำแนกประเภทของความรู้สึกเบื้องต้นจึงมาจากประเภทของตัวรับที่ให้ความรู้สึกตามคุณภาพที่กำหนดหรือ "กิริยาท่าทาง"

มีความรู้สึกที่ไม่สามารถเชื่อมโยงกับกิริยาเฉพาะใดๆ ได้ - การขนส่งระหว่างทาง - เหล่านี้ได้แก่ ความไวต่อการสั่นสะเทือน ซึ่งเชื่อมต่อทรงกลมของมอเตอร์สัมผัสกับทรงกลมทางการได้ยิน

ความรู้สึกสั่นสะเทือน - นี่คือความไวต่อการสั่นสะเทือนที่เกิดจากร่างกายที่เคลื่อนไหว นักวิจัยส่วนใหญ่ระบุว่า ความรู้สึกสั่นสะเทือนเป็นรูปแบบสื่อกลางที่เปลี่ยนผ่านระหว่างความไวต่อการสัมผัสและการได้ยิน

ความไวต่อการสั่นสะเทือนมีความสำคัญในทางปฏิบัติเป็นพิเศษในกรณีที่เกิดความเสียหายต่อการมองเห็นและการได้ยิน มันมีบทบาทสำคัญในชีวิตของคนหูหนวกและคนหูหนวกตาบอด คนหูหนวกตาบอดต้องขอบคุณการพัฒนาความไวต่อการสั่นสะเทือนที่สูงทำให้ได้เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการใช้รถบรรทุกและการขนส่งประเภทอื่น ๆ ในระยะไกล ในทำนองเดียวกัน คนหูหนวกตาบอดจะรู้ว่าเมื่อมีคนเข้ามาในห้องด้วยความรู้สึกสั่นสะเทือน ด้วยเหตุนี้ ความรู้สึกซึ่งเป็นกระบวนการทางจิตที่ง่ายที่สุดจึงมีความซับซ้อนมากและยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างถี่ถ้วน

การจำแนกทางพันธุกรรม, เสนอโดยนักประสาทวิทยาชาวอังกฤษ X. หัวหน้า- ช่วยให้เราแยกแยะความไวได้สองประเภท:

โปรโตพาธี (ดั้งเดิมกว่า อารมณ์แตกต่างน้อยกว่าและเป็นภาษาท้องถิ่น) ซึ่งรวมถึงความรู้สึกตามธรรมชาติ (ความหิวกระหาย ฯลฯ );

มหากาพย์ (ความแตกต่างอย่างละเอียดมากขึ้น, คัดค้านและมีเหตุผล) ซึ่งรวมถึงความรู้สึกของมนุษย์ประเภทหลัก อายุน้อยกว่าทางพันธุกรรม ควบคุมความไวของโปรโตพาธี

การจัดหมวดหมู่นักจิตวิทยาในประเทศที่มีชื่อเสียง บี.เอ็ม. เทปโลวา -แบ่งตัวรับทั้งหมดออกเป็นสองกลุ่มใหญ่:

ตัวรับภายนอก (ตัวรับภายนอก) ที่อยู่บนพื้นผิวของร่างกายหรือใกล้กับร่างกายและเข้าถึงสิ่งเร้าภายนอกได้

ตัวดักฟัง (ตัวรับภายใน) ที่อยู่ลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อ เช่น กล้ามเนื้อ หรือบนพื้นผิวของอวัยวะภายใน กลุ่มความรู้สึกที่เราเรียกว่า Teplov ถือว่ามันเป็นความรู้สึกภายใน

ที่นี่เราจะพูดถึงข้อมูลด้วย แต่เพื่อไม่ให้สับสนกับการตีความคำเดียวกันที่แตกต่างกัน เรามากำหนดข้อมูลที่เราจะพูดถึงให้ชัดเจนในทันที ดังนั้น สมองจึงสามารถบันทึกเฉพาะการเชื่อมต่อเท่านั้น สมองจะจดจำข้อมูลประเภทนี้ (การเชื่อมต่อ) กระบวนการที่ทำสิ่งนี้เรียกว่ากระบวนการ "ความจำ" แต่เราคุ้นเคยกับการเรียกข้อมูลซึ่งสมองไม่รู้ว่าจะจำอย่างไร สิ่งเหล่านี้เป็นวัตถุที่มีอยู่จริงของโลกรอบตัวเรา นี่คือทั้งหมดที่เราต้องเรียนรู้ที่โรงเรียนหรือวิทยาลัย นี่คือข้อมูลที่เราจะพูดถึงในตอนนี้ เรามาดูกันว่าสมองมีปฏิกิริยาอย่างไรต่อวัตถุจริง ข้อมูลที่เป็นข้อความ และข้อมูลประเภทพิเศษ - ข้อมูลเชิงสัญลักษณ์ (หรือแม่นยำ) สมองไม่สามารถจดจำประเภทของข้อมูลที่ระบุไว้ได้ - วัตถุจริง ข้อความ หมายเลขโทรศัพท์ (และ ข้อมูลที่คล้ายกัน) แต่ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าเรายังคงสามารถจดจำบางสิ่งข้างต้นได้ การท่องจำและทำซ้ำข้อมูลดังกล่าวเกิดขึ้นได้อย่างไร?

1. รูปภาพ 2. ข้อมูลข้อความ 3. ข้อมูลลายเซ็น

ขั้นแรก เรามาวิเคราะห์ปฏิกิริยาของสมองต่อวัตถุในชีวิตจริงกันก่อน สมองจะจัดการสืบพันธุ์ได้อย่างไร หากไม่มีนักวิจัยคนใดสามารถตรวจจับภาพที่มองเห็นในสมองได้ ธรรมชาติทำตัวมีไหวพริบมาก ออบเจ็กต์ที่มีอยู่จริงๆ มีการเชื่อมต่อภายใน สมองสามารถระบุและจดจำการเชื่อมต่อเหล่านี้ได้ คุณเคยสงสัยบ้างไหมว่าทำไมคนเราถึงต้องการอวัยวะรับสัมผัสหลายอัน? เหตุใดเราจึงสามารถดมกลิ่น ลิ้มรส เห็นวัตถุ และได้ยินมันได้ (ถ้ามันส่งเสียง) วัตถุในชีวิตจริงจึงส่งสัญญาณทางกายภาพและเคมีออกสู่อวกาศ นี่คือแสงที่สะท้อนหรือปล่อยออกมาจากมัน สิ่งเหล่านี้คือการสั่นสะเทือนในอากาศ วัตถุสามารถมีรสชาติได้ และโมเลกุลของวัตถุนี้สามารถบินไปไกลจากมันได้ หากบุคคลมีอวัยวะรับสัมผัสเพียงอวัยวะเดียว ระบบความจำของสมองซึ่งบันทึกการเชื่อมต่อก็จะไม่สามารถจดจำสิ่งใดได้เลย แต่ช่องข้อมูลทั่วไปหนึ่งช่องจากวัตถุหนึ่งถูกแบ่งโดยสมองของเราออกเป็นหลายส่วน ข้อมูลเข้าสู่สมองผ่านช่องทางการรับรู้ต่างๆ เครื่องวิเคราะห์ภาพจะถ่ายทอดโครงร่างของวัตถุ (ปล่อยให้เป็นแอปเปิ้ล) เครื่องวิเคราะห์การได้ยินรับรู้เสียงที่เกิดจากวัตถุ: เมื่อคุณกัดแอปเปิ้ลจะได้ยินเสียงกระทืบที่เป็นลักษณะเฉพาะ เครื่องวิเคราะห์รสชาติรับรู้รสชาติ จมูกสามารถตรวจจับโมเลกุลที่ปล่อยออกมาจากแอปเปิ้ลสุกได้ในระยะไม่กี่เมตร ข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับวัตถุสามารถเข้าสู่สมองผ่านทางมือ (สัมผัส) ผลของการแบ่งข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุออกเป็นส่วนๆ สมองจึงสามารถสร้างการเชื่อมโยงได้ และการเชื่อมต่อเหล่านี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ทุกสิ่งที่อยู่ในจิตสำนึก ณ จุดหนึ่งมีความสัมพันธ์กันนั่นคือจดจำ ผลก็คือ ในขณะที่เรากำลังศึกษาแอปเปิ้ล ในขณะที่เรากำลังมองมัน หมุนมันในมือของเรา และชิมมัน สมองจะระบุลักษณะที่แตกต่างกันของวัตถุทางธรรมชาตินี้ และสร้างการเชื่อมโยงระหว่างพวกมันโดยอัตโนมัติ ไม่มีคุณลักษณะใด ๆ ในตัวมันเองเลย จำได้ จำได้เฉพาะการเชื่อมต่อเท่านั้น ในอนาคต เมื่อจมูกของเราได้กลิ่นแอปเปิ้ล - นั่นคือสิ่งกระตุ้นเข้าสู่สมอง - การเชื่อมต่อที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้จะทำงานและสมองจะสร้างลักษณะอื่น ๆ ของวัตถุนี้ในจิตสำนึกของเรา เราจะจำภาพแอปเปิ้ลทั้งหมดได้ กลไกของการท่องจำตามธรรมชาตินั้นชัดเจนมากจนเป็นเรื่องแปลกที่จะพูดถึงมัน วิธีการท่องจำนี้เปิดโอกาสให้เรารับรู้วัตถุของโลกรอบตัวเราจากข้อมูลส่วนเล็ก ๆ เกี่ยวกับสิ่งเหล่านั้นเท่านั้น

องค์ประกอบของสมองมนุษย์ประกอบด้วยเซลล์ประสาทที่เชื่อมต่อระหว่างโครงสร้างและหน้าที่ อวัยวะของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมนี้ ขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ มีเซลล์ประสาทตั้งแต่ 100 ล้านถึง 100 พันล้านเซลล์ประสาท

เซลล์ประสาทของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมแต่ละเซลล์ประกอบด้วยเซลล์ - หน่วยโครงสร้างเบื้องต้น เดนไดรต์ (กระบวนการสั้น) และแอกซอน (กระบวนการยาว) ร่างกายของหน่วยโครงสร้างเบื้องต้นประกอบด้วยนิวเคลียสและไซโตพลาสซึม

แอกซอนออกจากตัวเซลล์และมักเกิดกิ่งก้านเล็กๆ จำนวนมาก ก่อนถึงปลายประสาท

เดนไดรต์ขยายออกจากร่างกายเซลล์ประสาทและรับข้อความจากหน่วยอื่นของระบบประสาท

ไซแนปส์– สิ่งเหล่านี้คือจุดสัมผัสที่เซลล์ประสาทหนึ่งเชื่อมต่อกับอีกเซลล์ประสาทหนึ่ง เดนไดรต์ถูกปกคลุมไปด้วยไซแนปส์ที่เกิดจากปลายแอกซอนจากหน่วยโครงสร้างและหน้าที่อื่นๆ ของระบบ

องค์ประกอบของสมองมนุษย์ประกอบด้วยเซลล์ประสาท 86 พันล้านเซลล์ ประกอบด้วยน้ำ 80% และออกซิเจนประมาณ 20% ที่มีไว้สำหรับทั้งร่างกาย แม้ว่ามวลของสมองจะเป็นเพียง 2% ของน้ำหนักตัวก็ตาม

สัญญาณถูกส่งเข้าสู่สมองอย่างไร

เมื่อหน่วยของระบบการทำงานหรือเซลล์ประสาท ได้รับและส่งข้อความ พวกมันจะส่งแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าไปตามแอกซอน ซึ่งอาจมีความยาวแตกต่างกันไปตั้งแต่หนึ่งเซนติเมตรถึงหนึ่งเมตรหรือมากกว่านั้น เห็นได้ชัดว่ามันซับซ้อนมาก

แอกซอนจำนวนมากถูกปกคลุมไปด้วยเปลือกไมอีลินหลายชั้น ซึ่งช่วยเร่งความเร็วในการส่งสัญญาณไฟฟ้าไปตามแอกซอน เปลือกนี้ถูกสร้างขึ้นด้วยความช่วยเหลือของหน่วยโครงสร้างพื้นฐานพิเศษของ glia ในระบบประสาทส่วนกลาง glia เรียกว่า oligodendrocytes และในระบบประสาทส่วนปลายเรียกว่าเซลล์ Schwann ไขกระดูกมีเกลียมากกว่าหน่วยระบบประสาทอย่างน้อยสิบเท่า Glia ทำหน้าที่หลายอย่าง ความสำคัญของ glia ในการขนส่งสารอาหารไปยังเซลล์ประสาท การทำความสะอาด การประมวลผลของเซลล์ประสาทที่ตายแล้วบางส่วน

ในการส่งสัญญาณ หน่วยการทำงานของระบบร่างกายของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะไม่ทำงานเพียงลำพัง ในวงจรประสาท กิจกรรมของหน่วยประถมศึกษาหนึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อหน่วยอื่น ๆ อีกมากมาย เพื่อทำความเข้าใจว่าปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ควบคุมการทำงานของสมองอย่างไร นักประสาทวิทยาจึงศึกษาความเชื่อมโยงระหว่างเซลล์ประสาท และวิธีการส่งสัญญาณในสมองและการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป การศึกษานี้อาจทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจดีขึ้นว่าระบบประสาทพัฒนาอย่างไร เสี่ยงต่อโรคหรือการบาดเจ็บ และขัดขวางจังหวะธรรมชาติของการเชื่อมต่อของสมอง ด้วยเทคโนโลยีการถ่ายภาพแบบใหม่ ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถมองเห็นวงจรที่เชื่อมต่อส่วนต่างๆ และองค์ประกอบของสมองมนุษย์ได้ดีขึ้น

ความก้าวหน้าในเทคนิค กล้องจุลทรรศน์ และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เริ่มสร้างแผนผังการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ในสัตว์ได้ดีกว่าที่เคยเป็นมา

ด้วยการศึกษาองค์ประกอบของสมองมนุษย์อย่างละเอียด นักวิทยาศาสตร์สามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับความผิดปกติของสมองและข้อผิดพลาดในการพัฒนาเครือข่ายประสาท รวมถึงออทิสติกและโรคจิตเภท

หลักการส่งข้อมูลและการจัดระเบียบโครงสร้างของสมอง

วางแผน

การแนะนำ

หลักการส่งข้อมูลและการจัดระเบียบโครงสร้างของสมอง

การเชื่อมต่อในระบบประสาทอย่างง่าย

โครงข่ายประสาทเทียมที่ซับซ้อนและการทำงานของสมองที่สูงขึ้น

โครงสร้างของเรตินา

รูปแบบและการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาท

ร่างกายเซลล์ เดนไดรต์ แอกซอน

วิธีการระบุเซลล์ประสาทและติดตามการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาท องค์ประกอบที่ไม่ใช่ประสาทของสมอง

การจัดกลุ่มเซลล์ตามฟังก์ชัน

ชนิดย่อยและการทำงานของเซลล์

การบรรจบกันและความแตกต่างของการเชื่อมต่อ

วรรณกรรม

การแนะนำ

คำว่า "ประสาทชีววิทยา" และ "ประสาทวิทยาศาสตร์" ถูกนำมาใช้ในช่วงทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 เมื่อ Stephen Kuffler ก่อตั้งแผนกแรกที่ Harvard Medical School ซึ่งมีเจ้าหน้าที่รวมถึงนักสรีรวิทยา นักกายวิภาคศาสตร์ และนักชีวเคมี พวกเขาทำงานร่วมกันเพื่อแก้ไขปัญหาการทำงานและการพัฒนาระบบประสาท และสำรวจกลไกระดับโมเลกุลของสมอง

ระบบประสาทส่วนกลางเป็นกลุ่มเซลล์ที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง ซึ่งรับข้อมูล วิเคราะห์ ประมวลผล และตัดสินใจอย่างต่อเนื่อง สมองยังสามารถริเริ่มและสร้างการหดตัวของกล้ามเนื้อที่ประสานกันและมีประสิทธิภาพสำหรับการเดิน การกลืน หรือร้องเพลง เพื่อควบคุมพฤติกรรมหลายๆ ด้านและควบคุมทั้งร่างกายทั้งทางตรงและทางอ้อม ระบบประสาทจึงมีเส้นการสื่อสารจำนวนมากที่มาจากเซลล์ประสาท (เซลล์ประสาท) เซลล์ประสาทเป็นหน่วยพื้นฐานหรือหน่วยการสร้างของสมอง

การเชื่อมต่อในระบบประสาทอย่างง่าย

เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการนำปฏิกิริยาตอบสนองแบบง่ายไปใช้สามารถตรวจสอบและวิเคราะห์โดยละเอียดได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อเอ็นข้อเข่าถูกกระแทกด้วยค้อนขนาดเล็ก กล้ามเนื้อและเส้นเอ็นของต้นขาจะถูกยืดออก และแรงกระตุ้นไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปตามเส้นใยประสาทรับความรู้สึกไปยังไขสันหลัง ซึ่งเป็นที่ที่เซลล์ยนต์เกิดความตื่นเต้น ทำให้เกิดแรงกระตุ้นและกระตุ้นการหดตัวของกล้ามเนื้อ ผลลัพธ์ที่ได้คือการยืดขาตรงข้อเข่า วงจรที่เรียบง่ายดังกล่าวมีความสำคัญมากในการควบคุมการหดตัวของกล้ามเนื้อที่ควบคุมการเคลื่อนไหวของแขนขา ในการสะท้อนกลับแบบง่าย ๆ ซึ่งสิ่งเร้านำไปสู่ผลลัพธ์ที่เฉพาะเจาะจง บทบาทของสัญญาณและการโต้ตอบของเซลล์เพียงสองประเภทก็สามารถวิเคราะห์ได้สำเร็จ

โครงข่ายประสาทเทียมที่ซับซ้อนและการทำงานของสมองที่สูงขึ้น

การวิเคราะห์อันตรกิริยาของเซลล์ประสาทในวิถีที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับเซลล์ประสาทหลายล้านตัวนั้นยากกว่าการวิเคราะห์ปฏิกิริยาตอบสนองแบบธรรมดาอย่างมีนัยสำคัญ อีกครั้ง-

การให้ข้อมูลแก่สมองเพื่อการรับรู้เสียง สัมผัส กลิ่น หรือการมองเห็น จำเป็นต้องอาศัยการมีส่วนร่วมของเซลล์ประสาทต่อเซลล์ประสาทตามลำดับ เช่นเดียวกับเมื่อทำการเคลื่อนไหวโดยสมัครใจง่ายๆ ความท้าทายที่สำคัญในการวิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ของเซลล์ประสาทและโครงสร้างเครือข่ายเกิดขึ้นจากการที่เซลล์ประสาทหนาแน่น ความซับซ้อนของการเชื่อมต่อระหว่างกัน และความหลากหลายของประเภทเซลล์ สมองมีโครงสร้างแตกต่างจากตับซึ่งประกอบด้วยเซลล์จำนวนใกล้เคียงกัน หากคุณค้นพบว่าส่วนใดส่วนหนึ่งของตับทำงานอย่างไร แสดงว่าคุณมีความรู้เกี่ยวกับตับโดยรวมมากพอสมควร อย่างไรก็ตาม การรู้เกี่ยวกับสมองน้อยไม่ได้บอกอะไรคุณเกี่ยวกับการทำงานของเรตินาหรือส่วนอื่นใดของระบบประสาทส่วนกลาง

แม้ว่าระบบประสาทจะมีความซับซ้อนอย่างมาก แต่ตอนนี้สามารถวิเคราะห์วิธีการต่างๆ ที่เซลล์ประสาทโต้ตอบระหว่างการรับรู้ได้ ตัวอย่างเช่น โดยการบันทึกกิจกรรมของเซลล์ประสาทตามเส้นทางจากตาไปยังสมอง มันเป็นไปได้ที่จะติดตามสัญญาณในเซลล์ที่ตอบสนองต่อแสงโดยเฉพาะเป็นอันดับแรก จากนั้นทีละขั้นตอนผ่านสวิตช์ต่อเนื่องไปยังจุดศูนย์กลางที่สูงขึ้นของ สมอง.

คุณลักษณะที่น่าสนใจของระบบการมองเห็นคือความสามารถในการแยกแยะภาพ สี และการเคลื่อนไหวที่ตัดกันในช่วงความเข้มของสีที่หลากหลาย ขณะที่คุณอ่านหน้านี้ สัญญาณภายในดวงตาจะทำให้ตัวอักษรสีดำโดดเด่นบนหน้ากระดาษสีขาวในห้องที่มีแสงสลัวๆ หรือในแสงแดดจ้า การเชื่อมต่อเฉพาะในสมองจะทำให้เกิดเป็นภาพเดียว แม้ว่าดวงตาทั้งสองข้างจะตั้งอยู่ก็ตาม แยกและสแกนพื้นที่ต่างๆ ของโลกภายนอก นอกจากนี้ยังมีกลไกที่รับประกันความสม่ำเสมอของภาพ (แม้ว่าสายตาของเราจะเคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา) และให้ข้อมูลที่แม่นยำเกี่ยวกับระยะห่างจากหน้าเพจ

การเชื่อมต่อของเซลล์ประสาททำให้เกิดปรากฏการณ์ดังกล่าวได้อย่างไร? แม้ว่าเราจะยังไม่สามารถให้คำอธิบายที่ครบถ้วนได้ แต่ขณะนี้เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าคุณสมบัติของการมองเห็นเหล่านี้ถูกสื่อกลางโดยโครงข่ายประสาทเทียมอย่างง่ายในดวงตาและระยะการเปลี่ยนภาพในระยะเริ่มแรกในสมองได้อย่างไร แน่นอนว่ายังมีคำถามมากมายเกี่ยวกับความเชื่อมโยงระหว่างคุณสมบัติของเส้นประสาทและพฤติกรรม ดังนั้นเพื่อที่จะอ่านหน้ากระดาษ คุณต้องรักษาตำแหน่งของร่างกาย ศีรษะ และมือไว้ นอกจากนี้ สมองต้องให้แน่ใจว่าลูกตาได้รับน้ำอย่างต่อเนื่อง การหายใจอย่างต่อเนื่อง และการทำงานอื่น ๆ ที่ไม่สมัครใจและควบคุมไม่ได้

การทำงานของเรตินาเป็นตัวอย่างที่ดีของหลักการพื้นฐานของระบบประสาท

ข้าว. 1.1. ทางเดินจากตาไปยังสมองผ่านเส้นประสาทตาและทางเดินตา

โครงสร้างของเรตินา

การวิเคราะห์โลกแห่งการมองเห็นขึ้นอยู่กับข้อมูลที่มาจากเรตินาซึ่งเป็นขั้นตอนแรกของการประมวลผลที่เกิดขึ้น ซึ่งเป็นการกำหนดขอบเขตการรับรู้ของเรา ในรูป รูปที่ 1.1 แสดงเส้นทางจากดวงตาไปยังศูนย์กลางสมองด้านบน ภาพที่เข้าสู่เรตินาจะกลับด้าน แต่ในแง่อื่นๆ มันแสดงถึงการนำเสนอโลกภายนอกโดยสุจริต ภาพนี้ถูกส่งไปยังสมองของเราผ่านสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในเรตินาแล้วเดินทางไปตามเส้นประสาทตาได้อย่างไร?

รูปแบบและการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาท

ในรูป รูปที่ 1.2 แสดงเซลล์ประเภทต่างๆ และตำแหน่งของเซลล์ในเรตินา แสงที่เข้าสู่ดวงตาจะผ่านชั้นของเซลล์โปร่งใสและไปถึงเซลล์รับแสง สัญญาณที่ส่งจากดวงตาไปตามเส้นใยของเส้นประสาทตาเป็นสัญญาณข้อมูลเพียงอย่างเดียวที่ใช้การมองเห็นของเรา

โครงการสำหรับการส่งข้อมูลผ่านเรตินา (รูปที่ 1.2A) ถูกเสนอโดย Santiago Ramon y Cahal1) ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 เขาเป็นหนึ่งในนักวิจัยที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเกี่ยวกับระบบประสาทและทำการทดลองกับสัตว์หลากหลายชนิด เขาได้สรุปลักษณะทั่วไปที่สำคัญว่ารูปร่างและการจัดเรียงของเซลล์ประสาท ตลอดจนบริเวณต้นกำเนิดและเป้าหมายสุดท้ายของสัญญาณประสาทในเครือข่าย ให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับการทำงานของระบบประสาท

ในรูป รูปที่ 1.2 แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าเซลล์ในเรตินา เช่นเดียวกับส่วนอื่นๆ ของระบบประสาทส่วนกลาง (CNS) มีการรวมตัวกันหนาแน่นมาก ในตอนแรก นักสัณฐานวิทยาต้องฉีกเนื้อเยื่อประสาทเพื่อดูเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ เทคนิคที่ทำให้เซลล์ประสาททั้งเซลล์เปื้อนนั้นแทบจะไม่มีประโยชน์ในการตรวจสอบรูปร่างและการเชื่อมต่อของเซลล์ เนื่องจากโครงสร้างเช่นเรตินาปรากฏเป็นแผ่นสีเข้มของเซลล์และกระบวนการที่พันกัน ไมโครกราฟอิเล็กตรอนในรูป รูปที่ 1.3 แสดงให้เห็นว่าพื้นที่นอกเซลล์รอบเซลล์ประสาทและเซลล์รองรับมีความกว้างเพียง 25 นาโนเมตร ภาพวาดส่วนใหญ่ของรามอน อี กาฮาลใช้วิธีย้อมสีกอลกี ซึ่งทำให้เกิดรอยเปื้อนโดยกลไกที่ไม่ทราบสาเหตุ มีเพียงเซลล์ประสาทแบบสุ่มเพียงไม่กี่ตัวจากประชากรทั้งหมด แต่เซลล์ประสาทไม่กี่เซลล์เหล่านี้มีรอยเปื้อนอย่างสมบูรณ์

ข้าว. 1.2. โครงสร้างและการเชื่อมต่อของเซลล์ในเรตินาของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม (A) แผนผังทิศทางของสัญญาณจากตัวรับไปยังเส้นประสาทตาตาม Ramon y Cajal (B) การกระจายของ Ramon y Cajal ขององค์ประกอบเซลล์จอประสาทตา (C) ภาพวาดแท่งและกรวยของเรตินาของมนุษย์

ข้าว. 1.3. การอัดแน่นของเซลล์ประสาทในเรตินาของลิง มีป้ายกำกับว่าแท่งหนึ่งอัน (R) และกรวยหนึ่งอัน (C)

โครงการในรูป รูปที่ 1.2 แสดงหลักการจัดเรียงเซลล์ประสาทในเรตินาอย่างเป็นระเบียบ แยกแยะได้ง่ายระหว่างเซลล์รับแสง เซลล์ไบโพลาร์ และเซลล์ปมประสาท ทิศทางของการส่งผ่านคือจากอินพุตไปยังเอาต์พุต จากเซลล์รับแสงไปจนถึงเซลล์ปมประสาท นอกจากนี้ เซลล์อีกสองประเภท ได้แก่ เซลล์แนวนอนและอะมาครีน ยังก่อให้เกิดการเชื่อมต่อที่เชื่อมโยงเส้นทางที่แตกต่างกัน เป้าหมายประการหนึ่งของประสาทชีววิทยาที่มีอยู่ในภาพวาดของ Ramon y Cajal คือความปรารถนาที่จะเข้าใจว่าแต่ละเซลล์มีส่วนร่วมในการสร้างภาพของโลกที่เราสังเกตเห็นอย่างไร.

ร่างกายเซลล์ เดนไดรต์ แอกซอน

ปมประสาทเซลล์ที่แสดงในรูปที่. 1.4 แสดงลักษณะโครงสร้างของเซลล์ประสาทที่มีอยู่ในเซลล์ประสาททั้งหมดของระบบประสาทส่วนกลางและระบบประสาทส่วนปลาย ร่างกายเซลล์ประกอบด้วยนิวเคลียสและออร์แกเนลล์ในเซลล์อื่นๆ ที่พบได้ทั่วไปในทุกเซลล์ ส่วนต่อยาวที่ออกจากตัวเซลล์และเชื่อมต่อกับเซลล์เป้าหมายเรียกว่าแอกซอน คำว่าเดนไดรต์ ตัวเซลล์ และแอกซอนใช้กับกระบวนการที่เส้นใยที่เข้ามาสร้างจุดสัมผัสซึ่งทำหน้าที่เป็นสถานีรับการกระตุ้นหรือการยับยั้ง นอกจากปมประสาทเซลล์แล้ว ในรูป รูปที่ 1.4 แสดงเซลล์ประสาทประเภทอื่น คำที่ใช้อธิบายโครงสร้างของเซลล์ประสาท โดยเฉพาะเดนไดรต์ ค่อนข้างขัดแย้งกัน แต่ก็ยังสะดวกและใช้กันอย่างแพร่หลาย

เซลล์ประสาทบางชนิดไม่สอดคล้องกับโครงสร้างเซลล์อย่างง่ายที่แสดงในรูปที่ 1 1.4. เซลล์ประสาทบางชนิดไม่มีแอกซอน บ้างก็มีแอกซอนที่เกิดการเชื่อมต่อกัน มีเซลล์บางเซลล์ที่เดนไดรต์สามารถนำแรงกระตุ้นและสร้างการเชื่อมต่อกับเซลล์เป้าหมายได้ แม้ว่าเซลล์ปมประสาทจะเป็นไปตามพิมพ์เขียวของเซลล์ประสาทมาตรฐานที่มีเดนไดรต์ ตัวเซลล์ และแอกซอน แต่เซลล์อื่นๆ ก็ไม่เป็นไปตามมาตรฐานนี้ ตัวอย่างเช่น เซลล์รับแสง (รูปที่ 1.2C) ไม่มีเดนไดรต์ที่ชัดเจน กิจกรรมของเซลล์รับแสงไม่ได้เกิดจากเซลล์ประสาทอื่น แต่ถูกกระตุ้นโดยสิ่งเร้าภายนอก เช่น แสงสว่าง ข้อยกเว้นอีกประการหนึ่งในเรตินาคือการไม่มีแอกซอนของตัวรับแสง

วิธีการระบุเซลล์ประสาทและติดตามการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาท

แม้ว่าเทคนิค Golgi ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่วิธีการใหม่ ๆ มากมายได้อำนวยความสะดวกในการระบุการทำงานของเซลล์ประสาทและการเชื่อมต่อซินแนปติก โมเลกุลที่เปื้อนเซลล์ประสาททั้งหมดสามารถถูกฉีดผ่านไมโครปิเปต ซึ่งจะบันทึกสัญญาณไฟฟ้าไปพร้อมๆ กัน เครื่องหมายเรืองแสง เช่น สีเหลืองลูซิเฟอร์ ช่วยให้มองเห็นกระบวนการที่ดีที่สุดในเซลล์ที่มีชีวิต เครื่องหมายภายในเซลล์ เช่น เอนไซม์มะรุมเปอร์ออกซิเดส (HRP) หรือไบโอไซตินสามารถนำมาใช้ได้ เมื่อแก้ไขแล้วจะเกิดเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นสูงหรือเรืองแสงสว่างจ้าภายใต้แสงฟลูออเรสเซนต์ เซลล์ประสาทสามารถย้อมด้วยมะรุมเปอร์ออกซิเดสและการใช้งานนอกเซลล์ เอนไซม์จะถูกจับและขนส่งเข้าสู่ร่างกายของเซลล์ สีย้อมคาร์โบไซยานิกเรืองแสงเมื่อสัมผัสกับเยื่อหุ้มเซลล์ประสาท จะละลายและกระจายไปทั่วพื้นผิวของเซลล์

ข้าว. 1.4. รูปร่างและขนาดของเซลล์ประสาท

ข้าว. 1.5. กลุ่มของเซลล์ไบโพลาร์ที่ย้อมด้วยแอนติบอดีสำหรับเอนไซม์ฟอสโฟไคเนสซี เฉพาะเซลล์ที่มีเอนไซม์ย้อมเท่านั้น

เทคนิคเหล่านี้มีความสำคัญมากในการติดตามการผ่านของแอกซอนจากระบบประสาทส่วนหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่ง

แอนติบอดีถูกใช้เพื่อระบุลักษณะเฉพาะของเซลล์ประสาท เดนไดรต์ และไซแนปส์โดยการเลือกติดฉลากส่วนประกอบภายในเซลล์หรือเมมเบรน แอนติบอดีถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในการติดตามการย้ายถิ่นและความแตกต่างของเซลล์ประสาทในระหว่างการสร้างเซลล์ต้นกำเนิด วิธีการเพิ่มเติมในการจำแนกลักษณะของเซลล์ประสาทคือการผสมพันธุ์ ในแหล่งกำเนิด:โพรบที่มีป้ายกำกับโดยเฉพาะจะติดป้าย mRNA ของเซลล์ประสาทที่เข้ารหัสการสังเคราะห์ช่องสัญญาณ ตัวรับ เครื่องส่ง หรือองค์ประกอบโครงสร้าง

องค์ประกอบที่ไม่ใช่ประสาทของสมอง

เกลียลเซลล์. ต่างจากเซลล์ประสาทตรงที่ไม่มีแอกซอนหรือเดนไดรต์ และไม่เชื่อมต่อโดยตรงกับเซลล์ประสาท มีเซลล์เกลียจำนวนมากในระบบประสาท พวกมันทำหน้าที่ต่าง ๆ มากมายที่เกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณ ตัวอย่างเช่น แอกซอนของเซลล์ปมประสาทจอประสาทตาซึ่งประกอบเป็นเส้นประสาทตานำกระแสกระตุ้นอย่างรวดเร็วมาก เนื่องจากพวกมันถูกล้อมรอบด้วยเปลือกไขมันที่เป็นฉนวนที่เรียกว่าไมอีลิน ไมอีลินถูกสร้างขึ้นโดยเซลล์เกลียที่พันรอบแอกซอนระหว่างการพัฒนาออนโทเจเนติกส์ เซลล์เกลียในเรตินาเรียกว่าเซลล์มุลเลอร์

การจัดกลุ่มเซลล์ตามฟังก์ชัน

คุณสมบัติที่โดดเด่นของเรตินาคือการจัดเรียงเซลล์ตามการทำงาน ตัวเซลล์ของเซลล์รับแสง เซลล์แนวนอน เซลล์ไบโพลาร์ เซลล์อะมาครีน และเซลล์ปมประสาท ถูกจัดเรียงเป็นชั้นๆ ที่แตกต่างกัน มีการสังเกตการแบ่งชั้นที่คล้ายกันทั่วทั้งสมอง ตัวอย่างเช่น โครงสร้างที่เส้นใยประสาทตาไปสิ้นสุด (ร่างกายที่มีอุ้งเชิงกรานด้านข้าง) ประกอบด้วยเซลล์ 6 ชั้น ซึ่งแยกแยะได้ง่ายแม้ด้วยตาเปล่า ในหลายพื้นที่ของระบบประสาท เซลล์ที่มีหน้าที่คล้ายกันจะถูกจัดกลุ่มเป็นโครงสร้างทรงกลมที่เรียกว่านิวเคลียส (เพื่อไม่ให้สับสนกับนิวเคลียสของเซลล์) หรือปมประสาท (เพื่อไม่ให้สับสนกับเซลล์ปมประสาทจอประสาทตา)

ชนิดย่อยและการทำงานของเซลล์

ปมประสาท เซลล์แนวนอน เซลล์สองขั้ว และอะมาครีนมีหลายประเภทที่แตกต่างกัน โดยแต่ละประเภทมีลักษณะทางสัณฐานวิทยา ความจำเพาะของเครื่องส่งสัญญาณ และคุณสมบัติทางสรีรวิทยา ตัวอย่างเช่น เซลล์รับแสงถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทที่สามารถแยกแยะได้ง่าย - เซลล์รูปแท่งและเซลล์รูปกรวย - ซึ่งทำหน้าที่ต่างกัน แท่งยาวมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงแสงเพียงเล็กน้อย ขณะที่คุณอ่านหน้านี้ แสงโดยรอบสว่างเกินไปสำหรับด้ามสแกน ซึ่งจะทำงานเฉพาะในที่มีแสงน้อยหลังจากอยู่ในความมืดเป็นเวลานานเท่านั้น โคนตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางสายตาในที่มีแสงสว่างจ้า ยิ่งไปกว่านั้น กรวยยังถูกจำแนกเพิ่มเติมอีกเป็นชนิดย่อยของตัวรับแสงที่ไวต่อแสงสีแดง เขียว หรือสีน้ำเงิน เซลล์อะมาครีนเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของความหลากหลายของเซลล์ โดยสามารถแยกแยะได้มากกว่า 20 ชนิดตามเกณฑ์ทางโครงสร้างและสรีรวิทยา

จอประสาทตาจึงแสดงให้เห็นถึงปัญหาที่ลึกที่สุดของชีววิทยาทางระบบประสาทสมัยใหม่ ไม่มีใครรู้ว่าเหตุใดจึงจำเป็นต้องมีเซลล์อะมาไครนหลายประเภท และเซลล์แต่ละประเภทมีหน้าที่แตกต่างกันอย่างไร เป็นเรื่องน่าเศร้าที่ตระหนักว่าการทำงานของเซลล์ประสาทส่วนใหญ่ในระบบประสาทส่วนกลาง อุปกรณ์ต่อพ่วง และอวัยวะภายในนั้นยังไม่ทราบแน่ชัด ในเวลาเดียวกัน ความไม่รู้นี้ชี้ให้เห็นว่าหลักการพื้นฐานหลายประการของสมองหุ่นยนต์ยังไม่เป็นที่เข้าใจ

การบรรจบกันและความแตกต่างของการเชื่อมต่อ

ตัวอย่างเช่น มีจำนวนเซลล์ที่เกี่ยวข้องลดลงอย่างมากตามเส้นทางจากตัวรับไปยังเซลล์ปมประสาท ผลลัพธ์ของตัวรับมากกว่า 100 ล้านตัวมาบรรจบกันที่เซลล์ปมประสาท 1 ล้านเซลล์ ซึ่งเป็นแอกซอนที่ประกอบเป็นเส้นประสาทตา ดังนั้น เซลล์ปมประสาทจำนวนมาก (แต่ไม่ใช่ทั้งหมด) จึงได้รับข้อมูลจากเซลล์รับแสงจำนวนมาก (การบรรจบกัน) ผ่านทางเซลล์ระหว่างคาลารี ในทางกลับกัน เซลล์ปมประสาทหนึ่งเซลล์จะแตกแขนงอย่างเข้มข้นและไปสิ้นสุดที่เซลล์เป้าหมายหลายเซลล์

นอกจากนี้ ลูกศรควรชี้ออกไปด้านนอกซึ่งต่างจากแผนภาพแบบง่ายเพื่อระบุปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์ในชั้นเดียวกัน (การเชื่อมต่อด้านข้าง) และแม้แต่ในทิศทางตรงกันข้าม - ตัวอย่างเช่น กลับจากเซลล์แนวนอนไปยังเซลล์รับแสง (การเชื่อมต่อซึ่งกันและกัน) อิทธิพลของการลู่เข้า การลู่ออก ด้านข้าง และการเกิดขึ้นซ้ำเป็นคุณสมบัติคงที่ของวิถีประสาทส่วนใหญ่ตลอดทั้งระบบประสาท ดังนั้นการประมวลผลสัญญาณแบบทีละขั้นตอนอย่างง่ายจึงมีความซับซ้อนโดยการโต้ตอบแบบขนานและแบบย้อนกลับ

ชีววิทยาระดับเซลล์และโมเลกุลของเซลล์ประสาท

เช่นเดียวกับเซลล์ประเภทอื่นๆ ในร่างกาย เซลล์ประสาทมีกลไกของเซลล์ของกิจกรรมการเผาผลาญและการสังเคราะห์โปรตีนของเมมเบรนอย่างสมบูรณ์ (เช่น โปรตีนและตัวรับช่องไอออน) นอกจากนี้ โปรตีนของช่องไอออนและตัวรับจะถูกส่งไปยังตำแหน่งเฉพาะในเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรง ช่องเฉพาะของโซเดียมหรือโพแทสเซียมจะอยู่บนเมมเบรนของแอกซอนเซลล์ปมประสาทในกลุ่มที่แยกจากกัน (กระจุก) ช่องทางเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการริเริ่มและการดำเนินการของ PD

ส่วนปลายพรีไซแนปติกเกิดขึ้นจากกระบวนการของเซลล์รับแสง เซลล์ไบโพลาร์ และเซลล์ประสาทอื่นๆ มีช่องเฉพาะในเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งแคลเซียมไอออนสามารถผ่านไปได้ การเข้ามาของแคลเซียมจะกระตุ้นให้มีการปล่อยตัวส่งสัญญาณ เซลล์ประสาทแต่ละประเภทสังเคราะห์ จัดเก็บ และปล่อยตัวส่งสัญญาณเฉพาะประเภทหนึ่ง ต่างจากโปรตีนเมมเบรนอื่นๆ ตรงที่ตัวรับของสารสื่อประสาทจำเพาะนั้นอยู่ในตำแหน่งที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ นั่นคือเยื่อโพสซินแนปติก ในบรรดาโปรตีนเมมเบรนโปรตีนปั๊มหรือโปรตีนการขนส่งเป็นที่รู้จักกันว่ามีบทบาทในการรักษาความคงตัวของเนื้อหาภายในเซลล์

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเซลล์ประสาทและเซลล์ประเภทอื่นๆ ในร่างกายคือการมีแอกซอนยาว เนื่องจากแอกซอนไม่มี "ครัว" ทางชีวเคมีสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน โมเลกุลที่จำเป็นทั้งหมดจึงต้องถูกขนส่งไปยังส่วนปลายโดยกระบวนการที่เรียกว่าการขนส่งแอกซอน ซึ่งมักจะเดินทางในระยะทางที่ไกลมาก โมเลกุลทั้งหมดที่จำเป็นในการรักษาโครงสร้างและการทำงาน เช่นเดียวกับโมเลกุลของช่องเยื่อหุ้มเซลล์ จะเดินทางออกจากตัวเซลล์ผ่านวิถีทางนี้ ในทำนองเดียวกัน โมเลกุลที่เยื่อหุ้มส่วนปลายจับจะเดินทางกลับไปยังตัวเซลล์โดยใช้การขนส่งแบบแอกซอน

เซลล์ประสาทยังแตกต่างจากเซลล์ส่วนใหญ่ตรงที่พวกมันไม่สามารถแบ่งตัวได้ โดยมีข้อยกเว้นบางประการ ซึ่งหมายความว่าในสัตว์ที่โตเต็มวัย เซลล์ประสาทที่ตายแล้วไม่สามารถถูกแทนที่ได้

การควบคุมการพัฒนาระบบประสาท

การจัดระเบียบโครงสร้างในระดับสูง เช่น จอประสาทตาทำให้เกิดปัญหาใหม่ หากสมองของมนุษย์เป็นสิ่งจำเป็นในการสร้างคอมพิวเตอร์ ก็ไม่มีใครควบคุมสมองในขณะที่สมองพัฒนาและเชื่อมโยงกัน ยังคงเป็นปริศนาว่าการ “ประกอบ” ส่วนต่างๆ ของสมองอย่างถูกต้องทำให้เกิดลักษณะเฉพาะของสมองได้อย่างไร

ในเรตินาที่เจริญเต็มที่ เซลล์แต่ละประเภทจะอยู่ในชั้นหรือชั้นย่อยที่สอดคล้องกัน และก่อให้เกิดการเชื่อมต่อที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดกับเซลล์เป้าหมายที่เกี่ยวข้อง อุปกรณ์ดังกล่าวเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการทำงานที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น สำหรับการพัฒนาปมประสาทปกติ เซลล์ต้นกำเนิดจะต้องแบ่ง ย้ายไปยังตำแหน่งเฉพาะ แยกความแตกต่างออกเป็นรูปร่างเฉพาะ และสร้างการเชื่อมต่อไซแนปติกเฉพาะ

แอกซอนของเซลล์นี้จะต้องค้นหาชั้นของเซลล์เป้าหมายบางชั้นในจุดเชื่อมต่อถัดไปของซินแนปติกสวิตชิ่งผ่านระยะห่างพอสมควร (เส้นประสาทตา) กระบวนการที่คล้ายกันเกิดขึ้นในทุกส่วนของระบบประสาท ส่งผลให้เกิดโครงสร้างที่ซับซ้อนและมีหน้าที่เฉพาะ

การศึกษากลไกการก่อตัวของโครงสร้างที่ซับซ้อนเช่นเรตินาเป็นหนึ่งในปัญหาสำคัญของชีววิทยาระบบประสาทสมัยใหม่ การทำความเข้าใจว่าการเชื่อมต่อที่ซับซ้อนของเซลล์ประสาทเกิดขึ้นได้อย่างไรในระหว่างการพัฒนาส่วนบุคคล (การสร้างเซลล์ต้นกำเนิด) สามารถช่วยอธิบายคุณสมบัติและต้นกำเนิดของความผิดปกติของสมองจากการทำงานได้ โมเลกุลบางชนิดอาจมีบทบาทสำคัญในการสร้างความแตกต่างของเส้นประสาท การเจริญเติบโต การโยกย้าย การสร้างไซแนปส์ และการอยู่รอด ปัจจุบันมีการอธิบายโมเลกุลดังกล่าวบ่อยขึ้นเรื่อยๆ เป็นที่น่าสนใจที่จะสังเกตว่าสัญญาณไฟฟ้าควบคุมสัญญาณโมเลกุลที่กระตุ้นการเติบโตของแอกซอนและการสร้างการเชื่อมต่อ กิจกรรมมีบทบาทในการสร้างรูปแบบการเชื่อมโยง

วิธีการทางพันธุกรรมช่วยให้สามารถระบุยีนที่ควบคุมความแตกต่างของอวัยวะทั้งหมด เช่น ดวงตาโดยรวม Hering และเพื่อนร่วมงานศึกษาการแสดงออกของยีน ตาบอดในแมลงวันผลไม้ แมลงหวี่ซึ่งควบคุมพัฒนาการของดวงตา การนำยีนนี้ออกจากจีโนมจะทำให้ดวงตาไม่พัฒนา ยีนที่คล้ายคลึงกันในหนูและมนุษย์ (เรียกว่า ตาเล็กและ อะนิริเดีย)มีโครงสร้างคล้ายคลึงกัน ถ้าเป็นยีนที่คล้ายคลึงกัน ตาบอดสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมได้รับการผสมเทียมและแสดงออกในแมลงวัน จากนั้นสัตว์ชนิดนี้ก็จะพัฒนาดวงตาเพิ่มเติม (ที่มีโครงสร้างเหมือนแมลงวัน) บนหนวด ปีก และขา นี่แสดงให้เห็นว่ายีนนี้ควบคุมการก่อตัวของดวงตาในลักษณะเดียวกันในแมลงวันหรือหนู แม้ว่าจะมีโครงสร้างและคุณสมบัติของดวงตาของแมลงและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงก็ตาม

การสร้างระบบประสาทใหม่หลังการบาดเจ็บ

ระบบประสาทไม่เพียงสร้างการเชื่อมต่อระหว่างการพัฒนาเท่านั้น แต่ยังซ่อมแซมการเชื่อมต่อบางส่วนหลังจากเกิดความเสียหายได้ (คอมพิวเตอร์ของคุณไม่สามารถทำได้) ตัวอย่างเช่น แอกซอนในมือสามารถงอกหลังจากได้รับบาดเจ็บและสร้างการเชื่อมต่อ มือสามารถขยับและสัมผัสได้อีกครั้ง ในทำนองเดียวกัน ในกบ ปลา หรือสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง หลังจากถูกทำลายในระบบประสาท จะมีการสังเกตการงอกใหม่ของแอกซอนและการฟื้นฟูการทำงาน หลังจากตัดเส้นประสาทตาในกบหรือปลา เส้นใยจะงอกขึ้นมาใหม่และสัตว์จะมองเห็นได้ อย่างไรก็ตามความสามารถนี้ไม่มีอยู่ในระบบประสาทส่วนกลางของสัตว์มีกระดูกสันหลังที่โตเต็มวัย - ไม่มีการฟื้นฟูในพวกมัน ยังไม่ทราบสัญญาณระดับโมเลกุลที่ขัดขวางการงอกใหม่และความสำคัญทางชีวภาพต่อการทำงานของระบบประสาท

ข้อสรุป

∙ เซลล์ประสาทเชื่อมต่อถึงกันในลักษณะที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด

∙ ข้อมูลถูกส่งจากเซลล์หนึ่งไปอีกเซลล์หนึ่งผ่านไซแนปส์

∙ ในระบบที่ค่อนข้างเรียบง่าย เช่น จอตา คุณสามารถติดตามการเชื่อมต่อทั้งหมดและเข้าใจความหมายของสัญญาณระหว่างเซลล์ได้

∙ เซลล์ประสาทของสมองเป็นองค์ประกอบสำคัญของการรับรู้

∙ สัญญาณในเซลล์ประสาทมีลักษณะเหมารวมอย่างมากและเหมือนกันในสัตว์ทุกตัว

∙ ศักยภาพในการดำเนินการสามารถเดินทางระยะไกลได้โดยไม่สูญเสีย

∙ ศักยภาพแบบค่อยเป็นค่อยไปในท้องถิ่นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางไฟฟ้าแบบพาสซีฟของเซลล์ประสาท และแพร่กระจายในระยะทางสั้นๆ เท่านั้น

∙ โครงสร้างพิเศษของเซลล์ประสาทจำเป็นต้องมีกลไกเฉพาะสำหรับการขนส่งโปรตีนและออร์แกเนลตามแอกซอนเข้าและออกจากร่างกายของเซลล์

∙ ในระหว่างการพัฒนารายบุคคล เซลล์ประสาทจะย้ายไปยังตำแหน่งสุดท้ายและสร้างการเชื่อมต่อกับเป้าหมาย

∙ สัญญาณระดับโมเลกุลควบคุมการเติบโตของแอกซอน

บรรณานุกรม

Penrose R. จิตใจใหม่ของกษัตริย์ เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ การคิด และกฎฟิสิกส์

Gregory R.L. ตาอัจฉริยะ

Lekah V. A. กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจสรีรวิทยา

Gamow G. , Ichas M. Mr. Tompkins ในตัวเขาเอง: การผจญภัยในชีววิทยาใหม่

Kozhedub R. G. เมมเบรนและการดัดแปลงโดยย่อในการสำแดงหลักการพื้นฐานของการทำงานของสมอง