Download Nervous system

1
Nervous System
• หน้ าทีท่ วั่ ไป 3 อย่าง คือ
1. Sensory input รวบรวม information จาก sensory
receptorโดยการกระตุน้ จากสิ่ งแวดล้อม
2. Integration หรื อ analyze information ใน central
nervous system ซึ่ งได้แก่ brain และ spinal cord
3. Motor output นาส่ ง command signals ไปควบคุม
และ
coordinate กิจกรรมของร่ างกาย ที่ effector cells
เป็ น
การตอบสนองต่อการกระตุน้
2
Overview ของ Vertebrate Nervous system
SENSORY INPUY
3
• ประกอบด้วย
1. Neurons : conduct messages ไปตาม
communication pathway ของ nervous system
2. Supporting cells : structure, protection, insulation
ระบบและ ส่ งอาหาร
Human Nervous System
complex
หลายพันล้านเซลล์
ทัว่ ร่ างกาย
4
Topics:
1. Nerve cells and and Nervous System
2. Brain
3. Sense Organs
5
Neuron (nerve cell proper)
&
Supporting cells (Glia)
6
Neuron - เซลล์ประสาท
• เป็ น Functional unit ของ nervous system และเป็ น
Specialized cell
• นาสาส์น - message ในรู ปของ Impulse เคลื่อนที่ไปตาม
transmission line ด้วยความเร็ วกว่า 100 เมตร ต่อ วินาที่
(225 miles / hr)
• ในร่ างกายมีกว่า 100 พันล้าน neurons
• ทุกชนิดมีลกั ษณะ common คือ ประกอบด้วย 3 ส่ วนตาม
โครงสร้าง
1. Cell body
2. Axon
3. Dendrite
7
Typical Nerve
Cell
8
Cell body
• บริ เวณที่มี nucleus และ organelles อื่น
• เป็ น trophic part ของ neuron
• รับ-ส่ ง signal และ สังเคราะห์สาร neurotransmitters
• Nerve cell bodies ที่รวมกันเป็ น functional cluster ใน brain
เรี ยกว่า Nucleus
• Nerve cell bodies ที่รวมกันเป็ น functional cluster ใน
peripheral nervous system เรี ยกว่า Ganglion
• Dendrites
• ส่ วนของ cytoplasm ออกจาก cell body ช่วงสั้นๆ และจานวน
มาก คล้าย fibers หรื อ processes
• รับ signal จากเซลล์ อื่นเข้า cell body เท่านั้น
9
Axon หรื อ Nerve fiber
• ส่ วนของเซลล์ที่ยนื่ ออกเป็ น fiber เดี่ยวจาก cell body ณ
บริ เวณ Axon hillock
• ส่ วนนี้ไม่มี nucleus แต่มี mitochondria และ motile filaments
• ตอนปลาย axon แยกแขนงย่อยจานวนมากเพื่อเป็ น Synaptic
terminals
• ใน vertebrates axon มี supporting
cell ห่อหุ ม้ เป็ นเปลือก (หรื อไม่เป็ น)
Myelin sheath
– supporting cell ใน CNS คือ Oligodendrocyte
– supporting cell ใน PNS คือ Schwann cell
10
Basic Neuron Types
•
•
•
•
จาแนกโดยพื้นฐานของส่ วนประกอบได้เป็ น 3 ชนิด
ดูจากการจัดของ Axon & dendrties เทียบกับ cell body
Multiple neuron : dendrite จานวนมากออกจาก cell body
เช่น interneuron, motor neuron
Bipolar neuron : dendrite เดียวออกจาก cell body และตรง
ข้าม axon เช่น receptor neuron ของ sense organs
Pseudo-unipolar neuron : dendrite & axon ออกจาก cell
body พร้อมกัน โดย fusion เป็ น stem จาก cell body แล้ว
แยกออกจากกันภายหลัง เช่น sensory neuron
11
12
Basic Neuron Types
จาแนกโดยหน้าที่ ได้เป็ น 3 ประเภท
1. Sensory neurons
2. Interneurons
3. Motor neurons
13
1. Sensory neuron (Afferent neuron)
• นาข้อมูลจากภายนอกและภายใน ไปยัง central nervous system
2. Interneuron (Associated / connector / internuncial neurons)
• Transmit impulse จากส่ วนหนึ่งของ CNS ไปยังอีกส่ วนหนึ่ง
หรื อ
• Integrate ข้อมูลจานวนมากที่ผา่ นเข้า CNS
3. Motor neuron (Efferent neurons)
• Conduct impulse ออกจาก CNS ไปยังร่ างกายส่ วนต่าง ๆ ให้
เกิดผล stimulation หรื อ Inhibition
• muscleให้มี contraction หรื อ ไม่ให้มี contraction
• glands ให้มี secretion หรื อไม่ให้มี secretion
14
Supporting Cells (Glia)
• Associated cells ของ CNS, nonconducting
• Protect, nourish,
support cells ของ CNS
• เป็ นส่ วนประกอบของ
structure ของ nervous
system และมีมากกว่า
neuron ~ 10-50 เท่า
• 4 major types
15
1. Astrocytes : structural & metabolic support, form Blood
Brain Barrier (BBB) ควบคุมการผ่านเข้า-ออก ของสารเคมีใน
neurons
2. Oligodendrocytes : เป็ น myelin sheath, supporting
framework, supply nutrition ให้ neurons
3. Microglial cells : support กรณี มี stress เช่น บาดแผล กาจัด
ของเสี ยของ neurons
4. Ependymal cells : บุตามผนังช่องว่างใน CNS, ผลิต
ของเหลวใน CNS ซึ่ งเรี ยกว่า cerebrospinal fluid
16
17
การสร้าง และนา กระแสประสาท
• Living cells ทั้งหมดมีประจุไฟฟ้าระหว่าง plasma membrane 2
ด้านแตกต่างกัน ทาให้เกิด Electrical voltage gradient ข้าม
membrane ที่วดั ได้เรี ยกว่า ความต่างศักย์ - Membrane potential
• Membrane potential ใน animal cell ปกติ ~ -50 ถึง - 100 mV
• กาหนดให้ voltage ด้านนอก membrane เป็ น สู ญ (0) และ ด้าน
ในเซลล์เป็ น ลบ (-)
• Membrane potential เกิดจากความแตกต่างของ ions ของสาร
ใน intracellular & extracellular fluids
• Selective permeability ของ membrane เป็ น barrier ระหว่าง
fluids 2 ด้าน รักษา ความต่างศักย์ของ ions เหล่านี้ไว้
18
• ด้านในเซลล์
– ions ประจุบวก (+) หลัก คือ K+ และ มี Na + เล็กน้อย
– ions ประจุลบ (-) หลั
ก คือ protein, amino acid, sulfate,
phosphate, และ Cl เล็กน้อย
• ด้านนอกเซลล์
– ions ประจุบวก (+) หลัก คือ Na + และ มี K + เล็กน้อย
– ions ประจุลบ (-) หลัก คือ Cl- และ A- อื่นๆ
+
+
• เซลล์ปกติจะ permeable ต่อ K มากกว่าต่อ Na ~ 50 เท่า
• Permeability ของ membrane ของ nerve cell
เพราะมี selective channels 2 types คือ
(1) Leak channels และ
(2) Gated channels
19
20
Resting Membrane Potential
• คือศักย์ของ membrane ขณะพัก (resting stage) หรื อ
ขณะ neuron ไม่ส่ง impulse วัดจาก membrane ภายในเซลล์
• เกิดจาก Ions ที่เกี่ยวข้องกับการเกิด และ ส่ ง nerve impulse
ที่สาคัญมี 2 ชนิด คือ K+ และ Na• Resting neuron บริ เวณที่ไม่มี myeline sheath เป็ น
กระแสไฟฟ้าได้ประมาณ -70 mVolts
21
• เกิดจาก
– K + diffuse ออกนอกเซลล์ จานวนมาก ทาง K-leak
channels
– ในขณะที่ A- คงอยูภ่ ายในเซลล์ ทาให้ผวิ membrane ด้าน
ใน เป็ น ลบ กว่า หรื อ เกิดความต่างศักย์ Potential difference
ระหว่าง membrane ทั้งสองด้าน
• ภายใน Net negative charge
• ภานนอก Net positive charge
– ขณะไม่มีกระแสประสาท membrane ของ neuron จึงมีข้ วั
หรื อ อยูใ่ นภาวะ Polarization แต่มีกระแสไฟฟ้า -70
mVolts
22
23
Action potential
หรื อ การเกิด Nerve Impulse
• Neuron (และ muscle cell) เป็ น Excitable cell เกิดจากการ
เปลี่ยน resting potential ของ membrane
• การเกิด nerve impulse เป็ น All-or-None event คือต้องมีการ
เปลี่ยนแปลงจนถึงขีดเพียงพอที่จะเกิด หรื อ Threshold จึงเกิด
• เมื่อมี stimulation ที่ resting neuron
+
– Na gate เปิ ดให้ Na เข้าเซลล์ --> ภายในเซลล์เป็ น ลบ
น้อยลง เรี ยกว่า Depolarization
24
• Depolarize จนถึงจุด Threshold = เกิด หรื อไม่เกิด
+
– Depolarize เพิ่มขึ้นอีกเลยระดับ threshold --> Na ไหล
ทะลักเข้าเซลล์ (inflow) --> ภายในเป็ น บวก สู งถึง + 50
mV
– แล้ว Na-gate ปิ ด และ
+
– K-gate เปิ ด --> K ไหลออกนอกเซลล์ ได้ในเซลล์เป็ น ลบ
อีกครั้ง เรี ยกว่า Repolarization
• การเปลีย่ น potential ตั้งแต่ Depolarization จนถึง
Repolarization เรียกว่ า Action potential
25
26
หลัง Action potential
• Na + ที่ inflow และ K + ที่ outflow จะถูกนากลับให้คืนสู่สภาพ
resting โดย Active transport
– Na-pump และ K-pump
• K+ จะไหลออกมากกว่าระดับ resting ภายเซลล์เป็ นลบมากขึ้น
เรี ยกว่า Hyperpolarization (undershoot) แล้วจึงปรับเข้าสู่
ระดับ resting
• ถ้ามี stimulus อันที่ 2 มากระทาต่อ neuron ขณะ
hyperpolarization จะไม่สามารถเกิด action potential ได้จนกว่า
neuron จะกลับสู่ ระดับ resting potential เรี ยกระยะนี้วา่
Refractory period
27
การเคลื่อนที่ (Propagation) ของ Action Potential
• Action potential เกิด ณ จุดหนึ่ง บน
neuron คือ จุด Spark ซึ่ งทาให้เกิด
nerve impulse
• Action potential ณ site นั้นจะชักนาให้
เกิด Depolarization ที่ site ข้างเคียง เกิด
action potential อันใหม่
• Action potential จึงเคลี่อนที่เป็ น wave
ไปบน axon อย่างต่อเนื่อง
28
•
•
•
•
ความเร็ วของ impulse ขึ้นกับชนิดของ nerve fiber
Myelinated nerve fibers : motor nerve
Non-myelinated nerve fibers : sensory nerve
Motor nerve: action potential
จะเคลื่อนที่แบบกระโดดข้ าม
myelin sheath ไประหว่าง
nodes of Ranvier ซึ่งเป็ น
บริ เวณไม่มี sheath เรี ยกการเคลี่อนที่เช่นนี้
ว่า Saltatory conduction ความเร็ ว ~ 120 เมตร/msec
• Sensory nerve เป็ น non-myelinated nerve ความเร็ วของ impulse
ช้ากว่า myelinated nerve 20 เท่า
29
การส่ งต่อกระแสประสาท
30
Neurotransmission
• การส่งต่อ impulse ข้ามจาก neuron ไปยัง target cell ณ บริ เวณ
ที่ 2 เซลล์ชิดกัน ซึ่ งเรี ยกว่า Synapse
• Synapse เป็ น 2 ชนิดอยูด่ ว้ ยกัน คือ Electrical synapse และ
Chemical synapse
• เซลล์ส่ง impulse เรี ยกว่า Presynaptic cell
• เซลล์รับ impulse เรี ยกว่า Postsynaptic cell
• ช่องว่างระหว่างเซลล์ เรี ยกว่า Synaptic cleft ระยะ ~ 20-40 nm
– Impulse ข้ามช่องว่างนี้โดยตรงไม่ได้
– แต่มี Neurotransmitters เป็ นสื่ อกลาง
31
32
Neurotransmitters
• เป็ นสารเคมีที่ถูกสร้าง บรรจุใน synaptic vesicle ส่ งมาที่
synaptic terminal (knob) และปล่อยออกจาก presynaptic
neuron ที่ synapse เพื่อกระตุน้ postsynaptic cell
• เมื่อ impulse มาถึงปลาย presynaptic membrane
• Ca2+ มีบทบาทในการปล่อย neurotransmitter ออกจากเซลล์
• Depolarization ที่ presynaptic membrane
2+
– เปิ ด Ca-channels ให้ Ca ไหลเข้า synaptic knob
– กระตุน้ vesicle fuse กับ presynaptic membrane
– เกิด exocytosis ปล่อย neurotransmitter ออกมาที่ synaptic
33
cleft
• neurotransmitter diffuse ข้าม gap ไปจับกับ receptor ซึ่งเป็ น
proteins บน post-synaptic membrane
+
+
• receptor ทาให้ ion channels เปิ ด --> Na , K , หรื อ Cl ข้าม
membrane เกิด action potential
• Neurotransmitter ให้ผล stimulation หรื อ inhibition แล้วแต่
ชนิดของ receptor บน target cell และ ion channels ที่ receptor
ควบคุมอยู่
• stimulation : excite membrane potential ให้ใกล้ threshold
• inhibition : hyperpolarize membrane ให้ potential ต่ากว่า
resting
• neurotransmitter ถูกย่อยด้วย enzyme เพื่อให้ action หยุด 34
35
Major Types of Neurotransmitters
• Acetylcholine: ทัว่ ไปใน vertebrates and invertebrates,
ควบคุมการทางานของกล้ ามเนื ้อ
• Biogenic amines: อนุพนั ธ์ของ amino acids เช่น dopamine
and serotonin ถ้ าไม่สมดุลทาให้ มีปัญหาระบบประสาท
• Neuropeptides: สายของ amino acids ขนาดสัน้ เช่น
substance P (for pain)
36
37
Recovery ของ Target หลัง Excitation
• Chemical excitation จะ lock target cell ไว้ตลอดไป
• Target cell จึงถูกป้องกันการ response ค้าง 2 วิธี
– Destruction : Enzyme ทาลาย neurotransmitter
ทันทีหลัง react กับ receptor
– Reuptake : Enzyme ขน neurotransmitter กลับเข้า
neuron เดิม
• ผลทาให้ effect คงอยูไ่ ม่เกิน 2-3 mseconds
38
39
Reflex Arc : Basic Type of Nerve Circuit
• เป็ น Neural loop แบบง่าย เชื่อมต่อระหว่าง สิ่ งกระตุน้
(stimulus) กับการตอบสนอง (response) ในทางตรง ทาให้เกิด
พฤติกรรมการอยูร่ อด (ชีวติ )
• การตอบสนอง รวดเร็ ว, involuntary และ เกือบเหมือนกันทุก
ครั้งที่เกิดซ้ า
• ไม่ตอ้ งการคาสัง่ จากสมอง
• เช่น เดินเท้าเปล่าแล้วเหยียบเข็มหมุด จะดึงขาหนีทนั ทีก่อน
อย่างไม่รู้ตวั (unconscious) เป็ น reflex arc
• จากนั้นข้อมูลจึงถูกส่ งไป รวบรวม และรับรู ้ที่สมอง เป็ น
perception ที่รู้ตวั เป็ น conscious
40
41
การเกิด Reflex arc ต้องการ neuron 2-3 ชนิด
• Sensory neuron: รับข้อมูลจากภายนอก และภายในร่ างกาย
• Interneurons: ใน Dorsal root ganglion รับ impulse จาก
sensory neuron ส่ งต่อ รวบรวมและประสานข้อมูลระหว่าง
neurons ทั้งเข้าและออก (บาง reflex arc ไม่มี interneuron)
– บางแขนงของ interneuron ส่ ง signals ไป segment อื่นของ
spinal cord และ brain เพื่อให้เกิด complex response
• Motor neuron: ส่ งคาสัง่ จากไขสันหลังไปกล้ามเนื้อ ให้
ตอบสนองอย่างทันทีทนั ใด
• Neuron ทั้งสามชนิดต่อกันหลายรู ปแบบของ networks ทา
ให้เกิดพฤติกรรมตอบสนองต่างๆ กัน
42
Knee Jerk Reflex
• Knee jerk reflex วงจรถึง
spinal cord และ ให้เกิด
reflex actions อื่นๆ ร่ วม
กับให้ เกิดการตอบสนอง
ทังหมดของร่
้
างกาย
• จึงใช้ Knee jerk reflex
ในการตรวจสุขภาพ เช่น
บอกการรักษาท่าทาง,
การยืนตรง, การอย่าง
มัน่ คงโดยไม่ต้องตังใจ
้
43