تركيب الجهاز العصبي

2-1 تركيب الجهاز العصبي

Structure of the Nervous System

الأهداف

• تحدد الأجزاء الرئيسة للخلية العصبية، وتصف وظيفة كل منها.
• تفسر كيف يشبه السيال العصبي الإشارة الكهربائية، وكيف ينتقل على طول الخلية العصبية.

مراجعة المفردات

الانتشار Diffusion: حركة عشوائية للجسيمات تنتقل خلالها من الوسط الأكثر تركيزًا إلى الأقل تركيزًا؛ ليصبح التوزيع متساويًا.

المفردات الجديدة

• الخلية العصبية.
• الزوائد الشجرية.
• جسم الخلية.
• محور الخلية العصبية.
• رد الفعل المنعكس.
• جهد الفعل.
• عتبة التنبيه.
• العقدة.
• التشابك العصبي.
• النواقل العصبية.

الفكرة الرئيسية

توصل الخلايا العصبية السيالات العصبية التي تمكن الخلايا والأنسجة والأعضاء من تمييز المنبه، والاستجابة له.

الربط مع الحياة

لعلك استيقظت يومًا لصلاة الفجر، وفي طريقك إلى الوضوء اصطدمت إصبع قدمك بزاوية السرير، وقد عرفت مباشرة ما حدث. فهل أحسست بالألم خلال ثانية، أم أقل من ذلك؟ كيف وصلت هذه الرسالة إلى دماغك بسرعة كبيرة؟

الخلايا العصبية

Neurons

للكهرباء والكيمياء دور في إيصال الرسالة المتعلقة بارتطام إصبع القدم بالسرير إلى الدماغ. والخلايا العصبية neurons خلايا متخصصة أبدعها الخالق جل وعلا لكي تساعد على جمع المعلومات عن البيئة من حولنا، وتفسيرها، والاستجابة لها. وتكون الخلايا العصبية شبكة اتصالات في الجسم، تسمى الجهاز العصبي. وسوف تتعلم المزيد عن كيفية عمل شبكة الاتصالات هذه كهربائيًا وكيميائيًا لاحقًا في هذا الفصل.

يبين الشكل 2-1 أن الخلية العصبية تتكون من ثلاثة أجزاء رئيسة، هي: الزوائد الشجيرية dendrites، وجسم الخلية cell body، والمحور axon. وتستقبل الزوائد الشجيرية إشارات تسمى السيالات من الخلايا العصبية. وتحتوي الخلية العصبية أكثر من مجموعة من الزوائد الشجيرية، ويحتوي جسم الخلية العصبية النواة والكثير من العضيات. أما المحور فينقل السيالات العصبية من جسم الخلية إلى خلايا عصبية أخرى وإلى العضلات والغدد.

ماذا قرأت؟

اربط بين الشجيرات العصبية والمحاور وأجسام الخلايا العصبية.

الشكل 2-1

هناك ثلاثة أجزاء رئيسة للخلية العصبية، هي: الزوائد الشجيرية، وجسم الخلية، والمحور. والخلايا العصبية منظمة وبالغة التخصص وتكون شبكات معقدة.

بيانات الشكل

• زوائد شجيرية.
• جسم الخلية.
• النواة.
• المحور.
• نهايات المحور العصبية.

هناك ثلاثة أنواع من الخلايا العصبية: الخلية العصبية الحسية، والخلية العصبية البينية، والخلية العصبية الحركية. ترسل الخلايا العصبية الحسية إشارات من المستقبلات الموجودة في الجلد وأعضاء الحس إلى الدماغ والحبل الشوكي. وترسل الخلية العصبية الحسية إشارات إلى الخلايا العصبية البينية الموجودة في الدماغ والحبل الشوكي. كما تنقل الخلايا البينية أيضًا إشارات إلى الخلايا العصبية الحركية، ثم إلى الغدد والعضلات، بعيدًا عن الدماغ والحبل الشوكي؛ لتتم الاستجابة لها. ارجع إلى الشكل 2-2 لتتبع مسار السيال العصبي لرد فعل منعكس لا إرادي بسيط. وتكمل هذه السيالات العصبية ما يسمى رد الفعل المنعكس reflex arc، وهو مسار عصبي يتكون من خلايا عصبية حسية، وأخرى بينية، وثالثة حركية. لاحظ عدم اشتراك الدماغ في رد الفعل المنعكس هذا. ويعد رد الفعل المنعكس تركيبًا رئيسًا في الجهاز العصبي.

الشكل 2-2

يتضمن رد الفعل المنعكس البسيط خلية عصبية حسية، وخلية عصبية بينية، وخلية عصبية حركية. وتستطيع الخلايا العصبية البينية نقل السيالات إلى الدماغ.

بيانات الشكل

• خلية عصبية حسية.
• خلية عصبية حركية.
• تشابك عصبي.
• حبل شوكي.
• خلية عصبية بينية إلى الدماغ.
• خلية عصبية بينية موصلة.
• تشابك عصبي.

فسر: كيف يمكن أن يكتمل رد الفعل المنعكس قبل أن يتمكن الدماغ من تفسير الحدث؟

السيال العصبي

Nerve impulse

السيال العصبي شحنة كهربائية تنتقل على طول الخلية العصبية. وينتج السيال عن مثير كاللمس، أو عن صوت كصوت المؤذن للصلاة.

خلية عصبية وقت الراحة

Neuron at rest

يبين الشكل 2-3 خلية عصبية وقت الراحة لا توصل السيال العصبي. لاحظ وجود أيونات صوديوم Na+ خارج الخلية أكثر مما في داخلها. والعكس صحيح لأيونات البوتاسيوم K+؛ حيث توجد أيونات بوتاسيوم داخل الخلية أكثر مما في خارجها.

وتنتشر الأيونات عبر الغشاء البلازمي من الوسط الأكثر تركيزًا إلى الوسط الأقل تركيزًا. وتعوق البروتينات في الغشاء البلازمي انتشار أيونات الصوديوم والبوتاسيوم. وتسمى هذه البروتينات مضخة الصوديوم والبوتاسيوم؛ إذ تنقل أيونات الصوديوم خارج الخلية وأيونات البوتاسيوم داخلها بالنقل النشط.

ويقابل كل أيونين من البوتاسيوم يضخان إلى داخل الخلية العصبية ضخ ثلاثة أيونات صوديوم إلى خارجها، مما يؤدي إلى عدم التوازن في توزيع أيونات البوتاسيوم الموجبة، فتنتج عنه شحنة موجبة خارج الخلية العصبية، وشحنة سالبة للسيتوبلازم داخل الخلية العصبية.

الشكل 2-3

توزيع أيونات الصوديوم والبوتاسيوم، ووجود جزيئات بروتين سالبة الشحنة في السيتوبلازم، يبقي داخل الخلية مشحونًا بشحنة سالبة أكبر من خارجها عندما تكون الخلية في وقت الراحة.

بيانات الشكل

• خارج الخلية العصبية.
• داخل الخلية العصبية.
• بروتينات بشحنة سالبة.
• Na+.
• K+.

المفردات

الاستعمال العلمي مقابل الاستعمال الشائع

Channel قناة

الاستعمال العلمي: ممر تمر من خلاله المعلومات على شكل أيونات وجزيئات.

يمر السيال العصبي عبر الخلية العصبية عندما تفتح القنوات في الغشاء البلازمي.

الاستعمال الشائع: الجزء العميق من النهر أو الميناء.

تمر السفن الكبيرة عبر قناة السويس.

جهد الفعل

Action potential

جهد الفعل Action potential اسم آخر للسيال العصبي، وتسمى أقل شدة للمنبه تسبب إنتاج جهد الفعل عتبة التنبيه threshold. ولا يولد المنبه الأقوى بالضرورة جهد فعل أقوى. ويوصف عمل جهد الفعل بقانون "الكل أو العدم"؛ ويعني ذلك أن يكون السيال العصبي قويًا لدرجة تكفي لينتقل عبر المحور، أو لا يكون كذلك.

وعندما يصل المنبه إلى عتبة التنبيه تفتح قنوات في الغشاء البلازمي، فتدخل أيونات الصوديوم سريعًا داخل الخلية العصبية عبر هذه القنوات، مسببة انعكاسًا مؤقتًا للشحنات الكهربائية. ويصبح داخل الخلية مشحونًا بشحنة موجبة، مما يسمح بفتح قنوات أخرى لتنتقل أيونات البوتاسيوم عبر هذه القنوات، فيصبح خارج الخلية ذا شحنة كهربائية سالبة. ويبين الشكل 2-4 أن هذا التغير في الشحنات ينتقل على شكل موجات على طول محور الخلية العصبية.

الشكل 2-4

تتبع جهد الفعل عندما يمر على طول المحور من اليمين إلى اليسار. ولاحظ ما يحدث لأيونات الصوديوم والبوتاسيوم، وكيف يتغير فرق الشحنات الكهربائية داخل الخلية العصبية وخارجها.

بيانات الشكل

• جهد الراحة.
• جهد الفعل.
• اتجاه السيال العصبي.
• خارج الخلية.
• داخل الخلية.
• Na+.
• K+.

سرعة جهد الفعل

Speed of an action potential

تختلف سرعة جهد الفعل؛ فالعديد من محاور الخلايا العصبية مغلفة بمواد دهنية تسمى الميلين myelin، وهي تشكل طبقة عازلة حول المحور تسمى الغمد الميليني، النخاعي. وهناك العديد من الاختناقات على طول المحور تسمى العقد nodes. وكما في الشكل 2-5، لا تستطيع أيونات الصوديوم والبوتاسيوم الانتشار عبر الغمد الميليني، ولكنها تستطيع أن تصل إلى الغشاء البلازمي عند هذه العقد. ويسمح هذا لجهد الفعل بالانتقال الوثبي من عقدة إلى أخرى، مما يساعد على زيادة سرعة نقل السيال العصبي على طول المحور.

ويحوي جسم الإنسان خلايا عصبية ميلينية وأخرى غير ميلينية. فالخلايا العصبية الميلينية خلقها الله تعالى لتنقل السيال العصبي المتعلق بالآلام الخفيفة الفاترة. إذ تنتقل جهد الفعل في الخلية العصبية غير الميلينية ببطء مما هو عليه في الخلية العصبية الميلينية. ترى، أي نوع من الخلايا العصبية كان له دور في نقل الإشارة العصبية عندما ارتطم إصبع قدمك بحافة السرير؟

الشكل 2-5

سيال عصبي ينتقل من عقدة إلى أخرى عبر المحور المغلف بغمد الميلين.

بيانات الشكل

• غمد ميليني نخاعي.
• قناة.
• جهد الفعل.
• عقد.
• خلية عصبية.
• أيونات Na+.

فسر: ماذا يحدث عند العقدة عندما ينتقل سيال عصبي عبر محور ميليني؟

ماذا قرأت؟

وضح العلاقة بين عتبة التنبيه وجهد الفعل.

تجربة استهلالية

مراجعة: بناءً على ما قرأته عن السيال العصبي، وفي ضوء ما قرأته عن جهد الفعل، كيف تجيب الآن عن أسئلة التحليل؟

تجربة 2-1

استقصِ رد الفعل المنعكس لرمش العين

ما العوامل التي تؤثر في رد الفعل المنعكس لرمش العين؟

هل ركبت السيارة يومًا، ثم اصطدم شيء بالزجاج أمامك؟ لقد رمشت عيناك. يحدث رد الفعل المنعكس لرمش العين عندما تغلق جفون العين ثم تفتح مرة أخرى بسرعة، وهذا الفعل استجابة لا إرادية للمنبهات يفسرها الدماغ على أنها ضارة ومؤذية.

وتنتقل السيالات العصبية المتعلقة برد الفعل المنعكس لرمش العين مسافات قصيرة تستغرق ملي ثانية، لتسمح برد فعل منعكس سريع لمنع إلحاق ضرر بالعين.

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
• شكل مجموعة مكونة من ثلاثة طلاب. الأول يتطوع ويجلس خلف حاجز من قطعة الأكريليك مساحتها 1m²، والثاني يراقب استجابات الأول ويسجلها.
• يقف الشخص الثالث على بعد 1m من حاجز، ويقذف كرة التنس بلطف لترتطم بالحاجز.
• كرر الخطوة 3، وسجل استجابة الشخص بعد كل محاولة.
• قم بعصف ذهني للمتغيرات التي تؤثر في استجابة الشخص، وتوقع تأثير كل رد فعل منعكس لرمش العين.

التحليل

فسر البيانات. هل أدرك الطالب الأول، المتطوع، المنبهات في كل محاولة بالطريقة نفسها؟ فسر إجابتك.

جهد الفعل

Action Potential

الشكل 2-6

يحدث انقباض العضلات الإرادي عندما تحفز إشارة من الدماغ تكوين جهد فعل في خلية عصبية حركية، فينتقل جهد الفعل هذا على طول الخلية العصبية الحركية، مما يؤدي إلى تحرير مواد النواقل العصبية لتعطي إشارة للألياف العضلية لتنقبض.

بيانات الشكل

• خلية عصبية حركية.
• جهد فعل.
• محور.
• ألياف عضلية.
• عضلة.
• نواقل عصبية في حويصلات.
• خلية عصبية حركية.
• يتحرر أستيل كولين من حويصلات في التشابكات العضلية، مما ينتج عنه دخول أيونات الصوديوم للعضلات، وهذا ينتج جهد الفعل الذي ينتقل بعد ذلك عبر الليف العضلي ليتسبب بعملية من الأحداث التي تؤدي إلى انقباض العضلات.
• ينتقل جهد الفعل على طول الليف العضلي.
• تتحرر نواقل عصبية تسمى أستيل كولين من محور الخلية العصبية الحركية.
• أستيل كولين.
• مستقبل أستيل كولين.

التشابك العصبي

The Synapse

يوجد فراغ صغير بين محور خلية عصبية وشجيرات خلية عصبية أخرى يسمى التشابك العصبي synapse، وعندما يصل جهد الفعل إلى نهاية محور الخلية العصبية تلتحم أكياس صغيرة تسمى الحويصلات تحمل نواقل عصبية مع الغشاء البلازمي، وتتحرر هذه النواقل بعملية تسمى الإخراج الخلوي. وعندما تتشابك خلية عصبية حركية مع خلية عضلية، كما في الشكل 2-6، تتحرر النواقل العصبية عبر منطقة التشابك العصبي وتسبب انقباض العضلة.

النواقل العصبية neurotransmitters مواد كيميائية تنتشر عبر التشابك العصبي، وترتبط بالمستقبلات الموجودة على الزوائد الشجيرية لخلية عصبية مجاورة. ويؤدي ذلك إلى فتح قنوات في الخلية المجاورة، مسببة جهد فعل جديدًا.

وهناك أكثر من 25 نوعًا من مواد النواقل العصبية. وعندما تتحرر هذه المواد إلى التشابك العصبي لا تبقى هناك طويلًا؛ إذ يعتمد ذلك على نوع المادة العصبية الناقلة؛ فبعضها قد ينتشر سريعًا بعيدًا عن التشابك، أو يحللها إنزيم. ومن الجدير بالذكر أن بعض النواقل العصبية المستعملة يعاد تدويرها وتسترجع ثانية. ويبين الشكل 2-7 أن خلية عصبية واحدة يمكن أن تتشابك مع خلايا عصبية عديدة أخرى.

الشكل 2-7

يمكن أن تقوم خلية عصبية واحدة بعدة تشابكات مع خلايا عصبية أخرى.

التقويم 2-1

الخلاصة

• هناك ثلاثة أجزاء رئيسة للخلية العصبية.
• هناك ثلاثة أنواع من الخلايا العصبية.
• السيال العصبي شحنة كهربائية تسمى جهد الفعل.
• تستخدم الخلايا العصبية مواد كيميائية وشحنات كهربائية لنقل السيال العصبي.

فهم الأفكار الرئيسة

• الفكرة الرئيسة: قارن كيف يشبه الجهاز العصبي الإنترنت من حيث كونه شبكة اتصالات؟
• استنتج لماذا تعد الطاقة ضرورية لعكس اتجاه انتشار أيونات الصوديوم والبوتاسيوم عبر الغشاء البلازمي للخلية العصبية؟
• وضح إذا كانت الأعصاب الحسية في القدم اليمنى لشخص لا تعمل فقط، فهل يشعر بالألم إذا تعرضت قدمه لحروق شديدة؟

التفكير الناقد

• الرياضيات في علم الأحياء: يمتد العصب الوركي من أسفل الحبل الشوكي إلى القدم. إذا كان طول هذا العصب عند شخص 0.914 m، وسرعة جهد الفعل 107 m/s، فما المدة الزمنية التي يستغرقها السيال العصبي لينتقل على طول هذا العصب كاملًا؟

• خطط لتجربة يمكن أن يجريها مختص في علم الأعصاب ليثبت أن جهد الفعل ينتقل عبر محور ميليني لخلية عصبية أسرع منه عبر محور غير ميليني.