動物解剖學和生理學/神經系統

目標

完成本節後，您應該瞭解

神經系統在協調動物對環境反應中的作用
神經系統收集、整理和儲存資訊並啟動運動
神經元的結構和功能
突觸和神經遞質的結構和功能
稱為反射的神經通路及其示例
訓練可以培養動物的條件反射
神經系統可以分為中樞神經系統和周圍神經系統
大腦周圍有稱為腦膜的膜
大腦的基本組成部分以及大腦半球、下丘腦、垂體、小腦和延髓的功能
脊髓的結構和功能
周圍神經系統由腦神經、脊神經和自主神經系統組成
自主神經系統由交感神經和副交感神經組成，它們具有不同的功能

協調

動物必須能夠感知和響應它們所生存的環境才能生存。例如，它們需要能夠感知周圍環境的溫度，以便避開炎熱的陽光。它們還必須能夠識別食物和逃避捕食者。

身體的各個系統和器官也必須相互關聯，以便協同工作。例如，一旦捕食者識別出合適的獵物，它就必須抓住它。這需要協調肌肉的收縮，以便捕食者能夠奔跑，然後必須增加血液供應到肌肉，為其提供氧氣和營養。與此同時，呼吸速率必須提高，以供應氧氣並清除因這種增加的活動而產生的二氧化碳。一旦獵物被抓住並吃掉，消化系統就必須被啟用，以消化它。

動物對環境變化的反應調整以及這種反應所涉及的複雜身體過程的聯絡被稱為協調。動物的協調涉及兩個系統。分別是神經系統和內分泌系統。第一個系統透過神經纖維上的電脈衝起作用，第二個系統透過從腺體釋放特殊化學物質或激素到血液中起作用。

神經系統的功能

神經系統具有三個基本功能

1. 感覺功能 - 感知體內外變化（稱為刺激）。例如，眼睛感知光線變化，耳朵對聲波有反應。在體內，胃中的牽張感受器表明胃已滿，血管中的化學感受器監測血液的酸度。

2. 整合功能 - 處理從感覺器官接收到的資訊。這些器官的脈衝被分析並存儲為記憶。來自不同來源的許多不同的脈衝被分類、同步和協調，並啟動適當的反應。整合、記憶和應用經驗的能力使高階動物在很大程度上優於其他動物。

3. 運動功能 - 第三項功能是對刺激的反應，導致肌肉收縮或腺體分泌。

所有神經組織都由神經細胞或神經元組成。它們傳遞高速訊號，稱為神經衝動。神經衝動可以認為類似於電流。

神經元

神經元是適應傳遞神經衝動的細胞。典型的神經元有一個含有細胞核的細胞體，一個或多個被稱為樹突的分支絲，它們將神經衝動傳導到細胞體，以及一條長纖維，即軸突，它將衝動傳導離開細胞體。許多軸突周圍包有一層稱為髓鞘的脂肪物質。這會加快神經衝動沿神經傳播的速度（參見圖 14.1）。

圖 14.1 - 運動神經元

神經元的細胞體通常位於大腦或脊髓中，而軸突延伸到它供應的器官的整個距離。例如，將脈衝從脊髓傳導到馬的後腿或尾巴的神經元可以長達幾英尺。神經是軸突的束。

感覺神經元是一種神經細胞，它將脈衝從感覺感受器（如眼睛或耳朵中的感受器）傳遞到大腦或脊髓。運動神經元是一種神經細胞，它將脈衝從大腦或脊髓傳遞到肌肉或腺體。中繼神經元連線感覺神經元和運動神經元，並位於大腦或脊髓中（參見圖 14.1 和 14.2）。

圖 14.2 - 感覺神經元、中繼神經元和運動神經元之間的關係

神經元之間的連線

相鄰神經元之間的連線被稱為突觸。這裡兩個神經細胞並沒有真正接觸，因為它們之間有一個微小的間隙。突觸前神經元中的電脈衝會刺激被稱為神經遞質（如乙醯膽鹼）的化學物質的產生，這些物質會分泌到間隙中。

神經遞質化學物質擴散穿過間隙，當它們接觸下一個神經細胞的膜時，會刺激新的神經衝動（參見圖 14.3）。衝動過去後，化學物質會被破壞，突觸就準備好接收下一個神經衝動。

圖 14.3 - 神經和突觸的放大圖

反射

反射是對刺激的快速自動反應。當你無意中接觸到一個熱的物體並自動地縮回你的手時，這是一種反射行為。它發生在你沒有思考的情況下。動物在物體靠近眼睛時會自動眨眼，貓在空中墜落時會扭轉身體，以便四肢著地。（請不要在家用你的寵物貓測試這個！）。

吞嚥、打噴嚏和在強光下瞳孔的收縮也是反射行為。動物中反射行為的其他一些例子包括因寒冷而發抖以及聽到突然的響亮聲音時張開嘴巴。

神經衝動在反射中所走的路徑被稱為反射弧。大多數反射弧只涉及三個神經元（參見圖 14.4）。刺激（爪子上的針）會刺激皮膚的痛覺感受器，從而在感覺神經元中引發衝動。這會傳導到脊髓，在那裡透過突觸傳導到位於脊髓中的連線神經元，稱為中繼神經元。中繼神經元又與一個或多個運動神經元形成突觸，運動神經元將衝動傳導到肢體肌肉，導致它們收縮，將爪子從尖銳物體上移開。反射不需要大腦參與，儘管你意識到正在發生的事情，並且在某些情況下，你可以阻止它們發生。動物天生就有反射。你可以把它們想象成硬接線。

圖 14.4 - 反射弧

條件反射

在大多數反射中，刺激和反應是相關的。例如，口腔中的食物會引起唾液腺分泌唾液。然而，可以訓練動物（和人類）對不同的、通常是無關的刺激做出反應。這被稱為**條件反射**。

一位名叫巴甫洛夫的俄羅斯生物學家進行了經典的實驗，以證明這種反射，他訓練狗在聽到鈴聲時分泌唾液。幾乎每個寵物主人都能識別他們已在動物身上訓練出來的反射。也許你訓練過你的貓將食物與冰箱門的開啟聯絡起來，或者讓你的狗習慣你在帶它散步之前要做的例行公事。

神經系統的組成部分

當我們描述脊椎動物的神經系統時，我們通常將其分為兩個部分（見圖 14.5）。

1. **中樞神經系統**（**CNS**）由腦和脊髓組成。

2. **周圍神經系統**（**PNS**）由連線到腦和脊髓的神經（腦神經和脊神經）以及**自主**（或不自主）神經系統組成。

圖 14.5 - 馬的神經系統

中樞神經系統

**中樞神經系統**由腦和脊髓組成。它充當一種“電話交換機”，在那裡建立了大量交叉連線。

當你看腦或脊髓時，一些區域看起來是乳白色（**白質**），而其他區域看起來是灰色（**灰質**）。白質由大量的神經軸突組成，灰質由神經細胞的胞體組成。在大腦中，灰質位於外部，在脊髓中，它位於內部（見圖 14.2）。

大腦

大腦的主要部分位於被稱為**顱骨**的堅固的“盒子”的顱腔內。圍繞著脆弱的腦組織（和脊髓）的是被稱為**腦膜**的保護膜（見圖 14.6），以及一種清澈的液體，稱為**腦脊液**，它保護和滋養腦組織。這種液體也充滿了大腦內的四個空腔或**腦室**。

腦組織非常活躍，即使動物在休息時，它也會消耗掉肺吸入的氧氣的 20%。**頸動脈**是主動脈背側的一個分支，為它提供所需的氧氣和營養。如果腦組織缺氧 4-8 分鐘，就會發生腦損傷。

大腦由三個主要區域組成

1. **前腦**，包括**大腦半球**、**下丘腦**和**垂體**；

2. **後腦**或**腦幹**，包含**延髓**和**腦橋**；

3. **小腦**或“小腦”（見圖 14.6）。

圖 14.6 - 狗腦的縱切面

繪製大腦地圖

在人類和一些動物中，大腦皮層不同區域的功能已被繪製出來（見圖 14.7）。

圖 14.7 - 人類大腦皮層區域的功能

前腦

**大腦半球**是大腦頂部的腦組織團塊。表面摺疊成脊和溝，稱為**腦溝**（單數為腦溝）。它們使大腦的這一部分看起來有點像一個非常大的核桃仁。兩個半球被一條深溝隔開，儘管它們透過一束粗厚的神經纖維在內部連線起來。每個半球的外層被稱為**大腦皮層**，大腦半球的主要功能在這裡執行。

與其他脊椎動物相比，哺乳動物的大腦皮層很大，而且很複雜，人類的大腦皮層最大，因為這是與記憶、學習、推理和智力有關的所謂“高階中樞”所在的地方。

來自眼睛、耳朵、鼻子和皮膚的神經將感覺衝動傳遞到皮層，在那裡被解釋。在過去事件記憶的啟發下，這裡會啟動適當的自願運動。

皮層的不同區域負責特定的感覺和運動功能，例如視覺、聽覺、味覺、嗅覺或移動前肢、後肢或尾巴。例如，當狗嗅到氣味時，來自鼻腔嗅覺器官的感覺衝動透過嗅覺神經傳遞到大腦半球的嗅覺中樞，在那裡衝動被解釋和協調。

在人類和一些動物中，大腦皮層不同區域的功能已被繪製出來（見圖 14.8）。

圖 14.8 - 大腦皮層區域的功能

**下丘腦**位於大腦底部，並透過一個“柄”連線到“主要”激素生成腺體**垂體**（見第 16 章）。下丘腦可以被認為是神經系統和內分泌（激素生成）系統之間的橋樑。它產生一些從垂體釋放的激素，並控制垂體中其他激素的釋放。

它也是控制動物內部環境和維持穩態的重要中樞。例如，它有助於調節食物透過腸道的運動以及血液的溫度、血壓和濃度。它還負責飢餓或口渴的感覺，並控制睡眠模式和性慾。

後腦

**延髓**位於大腦底部，是脊髓的延續。它承載著脊髓和大腦之間的所有訊號，幷包含控制重要身體功能的中心，如基本的呼吸節律、心跳速度和腸道的活動。延髓也協調吞嚥、嘔吐、咳嗽和打噴嚏。

小腦

**小腦**（小腦）看起來很像一個較小版本的大腦半球，附著在大腦的後部。它接收來自內耳平衡器官（前庭器官）以及來自肌肉和肌腱的牽張感受器的衝動。透過協調這些，它調節行走和跑步時的肌肉收縮，並幫助維持動物的姿勢和平衡。當小腦功能障礙時，會導致震顫和運動不協調。

脊髓

脊髓是一條神經組織索，從後腦沿椎骨的通道向下延伸到尾巴末端。當成對的**脊神經**從脊髓通向身體各個部位時，它會逐漸變小。保護膜或腦膜覆蓋著脊髓，並封閉腦脊液（見圖 14.9）。

圖 14.9 - 脊髓

如果你橫切脊髓，你會看到它由外部的白質和內部呈 H 形或蝴蝶形的灰質組成。

周圍神經系統

**周圍神經系統**由連線到腦（**腦神經**）的神經以及連線到脊髓（**脊神經**）的神經組成。**自主神經系統**也是周圍神經系統的一部分。

腦神經

有十二對從大腦出來的腦神經。每條神經都穿過顱骨（腦殼）上的一個洞。其中最重要的神經是嗅神經、視神經、聽神經和迷走神經。

**嗅神經** - （嗅覺）將來自鼻腔嗅覺器官的衝動傳遞到大腦。

**視神經** - （視覺）將來自眼睛視網膜的衝動傳遞到大腦。

聽覺（聲學）神經 - （聽覺）將內耳耳蝸的衝動傳送到大腦。

迷走神經 - 控制引起吞嚥的肌肉。它還控制心臟、氣道、肺、胃和腸的肌肉（見圖 14.5）。

脊神經

脊神經連線脊髓到身體的感官、肌肉和腺體。成對的脊神經離開脊髓，並在每對相鄰椎骨之間出現（見圖 14.9）。

坐骨神經是人體最大的脊神經（見圖 14.5）。它離開脊髓作為幾條神經，這些神經連線起來形成一條扁平的神經組織帶。它沿著大腿向下傳遞，朝向後腿，在那裡它向這條肢體的各種肌肉發出分支。

自主神經系統

自主神經系統控制不受意識控制的內部身體功能。例如，當獵物動物被捕食者追趕時，自主神經系統會自動加快呼吸和心跳速度。它擴張將血液輸送到肌肉的血管，從肝臟釋放葡萄糖，並進行其他調整以應對活動量的突然增加。當動物逃脫並再次安全時，神經系統會減緩所有這些過程，並恢復所有正常的身體活動，例如食物的消化。

自主神經系統的神經起源於脊髓，並透過椎骨之間的間隙傳遞，以服務於各種器官（見圖 14.10）。自主神經系統有兩個主要部分——交感神經系統和副交感神經系統。

交感神經系統刺激“逃跑、驚恐、戰鬥”反應，使動物能夠面對攻擊者或迅速離開。它會增加心跳和呼吸頻率，以及流向骨骼肌的血液量，而流向腸道和皮膚等不太重要的區域的血液量會減少。它還會導致瞳孔擴張。請注意，交感神經系統的影響類似於腎上腺素激素的影響（見第 16 章）。

副交感神經系統的作用與交感神經系統相反。它保持放鬆身體的正常功能。這些有時被稱為“日常事務”功能。它促進有效的消化，刺激排便和排尿，並維持規律的心跳和呼吸頻率。

圖 14.10 - 交感神經和副交感神經系統的作用

總結

神經元是神經系統的基本單位。它由細胞體（含有一個細胞核）、稱為樹突的細絲和稱為軸突的長纖維組成，軸突通常被髓鞘包圍。
神經是軸突的束。
大腦和脊髓中的灰質主要由腦細胞組成，而白質由軸突的集合組成。
神經衝動沿著軸突傳遞。
相鄰的神經元在突觸處相互連線。
反射是對刺激的自動反應。參與反射的神經衝動所經過的路徑稱為反射弧。大多數反射弧涉及 3 個神經元 - 感覺神經元、中間神經元和運動神經元。一個刺激（例如，腳掌上的針）會在感覺神經元中引發衝動，該衝動透過突觸傳遞到位於脊髓的中間神經元，然後透過另一個突觸傳遞到運動神經元。這將衝動傳遞到肌肉，使其收縮並從針上移開腳掌。
神經系統分為兩個部分：中樞神經系統，包括大腦和脊髓；周圍神經系統，包括連線到大腦和脊髓的神經。自主神經系統被認為是周圍神經系統的一部分。
大腦由三個主要區域組成：1. 前腦，包括大腦半球（或大腦）、下丘腦和垂體；2. 後腦或腦幹，包含延髓；3. 小腦。
稱為腦膜的保護性膜包圍著大腦和脊髓。
有 12 對顱神經，包括視神經、嗅神經、聽神經和迷走神經。
脊髓是由神經組織組成的索狀結構，被腦膜包圍，從大腦延伸到尾部末端。脊神經透過每個椎骨之間的腹根和背根出現，並將脊髓與器官和肌肉連線起來。
自主神經系統控制不受意識控制的內部身體功能。它分為兩個部分，具有兩種不同的功能：交感神經系統，參與逃跑和戰鬥反應，包括心跳加速、支氣管擴張、瞳孔擴張和腸道活動減少。副交感神經系統與心跳減慢、瞳孔收縮和腸道活動增加有關。