35.3: الجهاز العصبي المركزي

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196393

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

المهارات اللازمة للتطوير

حدد الحبل الشوكي والفصوص الدماغية ومناطق الدماغ الأخرى على رسم تخطيطي للدماغ
وصف الوظائف الأساسية للحبل الشوكي والفصوص الدماغية ومناطق الدماغ الأخرى

يتكون الجهاز العصبي المركزي (CNS) من الدماغ، ويظهر جزء منه في الشكل\(\PageIndex{1}\) والحبل الشوكي ومغطى بثلاث طبقات من الأغطية الواقية تسمى السحايا (من الكلمة اليونانية للغشاء). الطبقة الخارجية هي الجافية الأم (الكلمة اللاتينية لـ «الأم الصلبة»). كما تقترح اللغة اللاتينية، فإن الوظيفة الأساسية لهذه الطبقة السميكة هي حماية الدماغ والحبل الشوكي. تحتوي الأم الجافية أيضًا على هياكل تشبه الأوردة تنقل الدم من الدماغ إلى القلب. الطبقة الوسطى هي المادة العنكبوتية الشبيهة بالويب. أما الطبقة الأخيرة فهي «بيا ماتر» (الكلمة اللاتينية التي تعني «الأم الناعمة»)، والتي تلامس الدماغ والحبل الشوكي وتغطيهما بشكل مباشر مثل غلاف بلاستيكي. يمتلئ الفراغ بين العنكبوتية والشامية بالسائل النخاعي (CSF). يتم إنتاج السائل النخاعي بواسطة نسيج يسمى الضفيرة المشيمية في حجرات مليئة بالسوائل في الجهاز العصبي المركزي تسمى البطينات. يطفو الدماغ في السائل النخاعي، الذي يعمل كوسادة وممتص للصدمات ويجعل الدماغ منتعشًا بشكل محايد. يعمل CSF أيضًا على تعميم المواد الكيميائية في جميع أنحاء الدماغ وإلى الحبل الشوكي.

يحتوي الدماغ بأكمله على حوالي 8.5 ملاعق كبيرة فقط من CSF، ولكن يتم إنتاج CSF باستمرار في البطينين. يؤدي هذا إلى حدوث مشكلة عند انسداد البطين - يتراكم السائل الدماغي الشوكي ويسبب تورمًا ويتم دفع الدماغ نحو الجمجمة. تسمى حالة التورم هذه بالاستسقاء الدماغي («رأس الماء») ويمكن أن تسبب نوبات ومشاكل إدراكية وحتى الموت إذا لم يتم إدخال تحويلة لإزالة السائل والضغط.

الدماغ

الدماغ هو جزء من الجهاز العصبي المركزي الموجود في التجويف القحفي للجمجمة. وهي تشمل القشرة الدماغية والجهاز الحوفي والعقد القاعدية والمهاد وما تحت المهاد والمخيخ. هناك ثلاث طرق مختلفة يمكن من خلالها تقسيم الدماغ من أجل عرض الهياكل الداخلية: قسم سهمي يقطع الدماغ من اليسار إلى اليمين، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{2}\) (ب)، يقطع القسم الإكليلي الدماغ من الأمام إلى الخلف، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{2}\) أ، وقسم أفقي يقطع الدماغ من أعلى إلى أسفل.

قشرة مخية

الجزء الخارجي من الدماغ عبارة عن قطعة سميكة من نسيج الجهاز العصبي تسمى القشرة الدماغية، والتي يتم طيها في تلال تسمى الجيري (المفرد: التلفيف) ووديان تسمى السولسي (المفرد: التلم). تتكون القشرة من نصفي الكرة الأرضية - الأيمن والأيسر - يفصل بينهما تلم كبير. تربط حزمة من الألياف السميكة تسمى الجسم الثفني (اللاتينية: «الجسم الصلب») نصفي الكرة الأرضية وتسمح بتمرير المعلومات من جانب إلى آخر. على الرغم من وجود بعض وظائف الدماغ التي تتركز في نصف الكرة الأرضية أكثر من الآخر، إلا أن وظائف نصفي الكرة الأرضية زائدة عن الحاجة إلى حد كبير. في الواقع، في بعض الأحيان (نادرًا جدًا) تتم إزالة نصف الكرة الأرضية بأكمله لعلاج الصرع الشديد. في حين أن المرضى يعانون من بعض العجز بعد الجراحة، إلا أنهم قد يواجهون مشاكل قليلة بشكل مدهش، خاصة عندما يتم إجراء الجراحة على الأطفال الذين لديهم أجهزة عصبية غير ناضجة للغاية.

يُظهر الرسم التوضيحي المقاطع الإكليلية (الأمامية) والسهمية (الجانبية) للدماغ البشري. في القسم الإكليلي، ينقسم الجزء العلوي الكبير من الدماغ، المسمى بالقشرة الدماغية، إلى نصفي الكرة الأرضية الأيسر والأيمن. يوجد تجويف يشبه أجنحة الفراشة بين القشرة اليسرى واليمنى. الجسم الثفني هو شريط يربط نصفي الكرة الأرضية معًا، فوق هذا التجويف مباشرةً. يحتوي سطح القشرة الدماغية على نتوءات وعرة تسمى الجيري. ترتكز القشرة الدماغية على جذع الدماغ الذي يتصل بالحبل الشوكي. على جانبي جذع الدماغ المطوي تحت القشرة الدماغية يوجد المخيخ. سطح المخيخ وعر، لكنه ليس وعرًا مثل القشرة الدماغية. يكشف القسم السهمي أن القشرة الدماغية تشكل الجزء الأمامي والعلوي من الدماغ، بينما يشكل جذع الدماغ والمخيخ الجزء السفلي من الظهر. يقع المهاد البيضاوي في التجويف في منتصف القشرة الدماغية. يلتف الجسم الثفني حول الجزء العلوي من المهاد. تلتف العقد القاعدية حول الجسم الثفني، بدءًا من الجزء الأمامي السفلي من الدماغ وتستمر في ثلاثة أرباع الطريق حتى تلتقي النهاية الخلفية تقريبًا بالواجهة الأمامية. يتم فصل العقد القاعدية إلى شرائح متصلة على طول الجزء العلوي والسفلي. اللوزة هي بنية كروية في نهاية العقد القاعدية. — الشكل\(\PageIndex{2}\): تُظهر هذه الرسوم التوضيحية الأقسام (أ) الإكليلية و (ب) السهمية للدماغ البشري.

الشكل\(\PageIndex{2}\): تُظهر هذه الرسوم التوضيحية الأقسام (أ) الإكليلية و (ب) السهمية للدماغ البشري.

في العمليات الجراحية الأخرى لعلاج الصرع الشديد، يتم قطع الجسم الثفني بدلاً من إزالة نصف الكرة بأكمله. يتسبب هذا في حالة تسمى الدماغ المنقسم، والتي تعطي نظرة ثاقبة للوظائف الفريدة لنصفي الكرة الأرضية. على سبيل المثال، عندما يتم تقديم كائن إلى الحقل البصري الأيسر للمرضى، فقد لا يتمكنون من تسمية الكائن شفهيًا (وقد يزعمون أنهم لم يروا شيئًا على الإطلاق). هذا لأن المدخلات البصرية من المجال البصري الأيسر تعبر وتدخل نصف الكرة الأيمن ولا يمكنها بعد ذلك الإشارة إلى مركز الكلام، والذي يوجد عمومًا في الجانب الأيسر من الدماغ. ومن اللافت للنظر أنه إذا طُلب من مريض مصاب بانقسام الدماغ التقاط جسم معين من مجموعة من الأشياء بيده اليسرى، فسيكون المريض قادرًا على القيام بذلك ولكنه سيظل غير قادر على التعرف عليه بصوت عالٍ.

رابط إلى التعلم

راجع موقع الويب هذا لمعرفة المزيد عن مرضى انقسام الدماغ ولعب لعبة يمكنك من خلالها تصميم تجارب الدماغ المقسّم بنفسك.

يحتوي كل نصف كروي قشري على مناطق تسمى الفصوص التي تشارك في وظائف مختلفة. يستخدم العلماء تقنيات مختلفة لتحديد مناطق الدماغ التي تشارك في وظائف مختلفة: فهم يفحصون المرضى الذين يعانون من إصابات أو أمراض تؤثر على مناطق معينة ويرون كيف ترتبط هذه المناطق بالعجز الوظيفي. كما يقومون بإجراء دراسات على الحيوانات حيث يقومون بتحفيز مناطق الدماغ ومعرفة ما إذا كانت هناك أي تغييرات سلوكية. يستخدمون تقنية تسمى التحفيز عبر المغناطيسي (TMS) لتعطيل أجزاء معينة من القشرة مؤقتًا باستخدام مغناطيسات قوية موضوعة خارج الرأس؛ ويستخدمون التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) للنظر في التغيرات في تدفق الدم المؤكسج في مناطق معينة من الدماغ ترتبط بـ مهام سلوكية محددة. أعطت هذه التقنيات، وغيرها، نظرة ثاقبة لوظائف مناطق الدماغ المختلفة ولكنها أظهرت أيضًا أن أي منطقة دماغية معينة يمكن أن تشارك في أكثر من سلوك أو عملية، وأي سلوك أو عملية معينة تتضمن عمومًا الخلايا العصبية في مناطق الدماغ المتعددة. ومع ذلك، يمكن تقسيم كل نصف كرة من القشرة الدماغية للثدييات إلى أربعة فصوص محددة وظيفيًا ومكانيًا: الجبهي والجداري والصدغي والقذالي. الشكل\(\PageIndex{3}\) illustrates these four lobes of the human cerebral cortex.

Sagittal, or side view of the human brain shows the different lobes of the cerebral cortex. The frontal lobe is at the front center of the brain. The parietal lobe is at the top back part of the brain. The occipital lobe is at the back of the brain, and the temporal lobe is at the bottom center of the brain. The motor cortex is the back of the frontal lobe, and the olfactory bulb is the bottom part. The somatosensory cortex is the front part of the parietal lobe. The brainstem is beneath the temporal lobe, and the cerebellum is beneath the occipital lobe. — Figure \(\PageIndex{3}\): The human cerebral cortex includes the frontal, parietal, temporal, and occipital lobes.

The frontal lobe is located at the front of the brain, over the eyes. This lobe contains the olfactory bulb, which processes smells. The frontal lobe also contains the motor cortex, which is important for planning and implementing movement. Areas within the motor cortex map to different muscle groups, and there is some organization to this map, as shown in Figure \(\PageIndex{4}\). For example, the neurons that control movement of the fingers are next to the neurons that control movement of the hand. Neurons in the frontal lobe also control cognitive functions like maintaining attention, speech, and decision-making. Studies of humans who have damaged their frontal lobes show that parts of this area are involved in personality, socialization, and assessing risk.

Diagram shows the location of motor control for various muscle groups on the right hemisphere cerebral cortex. From the top middle of the motor cortex to the bottom right, the order of areas controlled is toes, ankles, knees, hips, trunk, shoulders, elbows, wrists, hands, fingers, thumbs, neck, eyebrows and eyelids, eyeballs, face, lips, jaw, tongue, salivation, chewing and swallowing. — Figure \(\PageIndex{4}\): Different parts of the motor cortex control different muscle groups. Muscle groups that are neighbors in the body are generally controlled by neighboring regions of the motor cortex as well. For example, the neurons that control finger movement are near the neurons that control hand movement.

The parietal lobe is located at the top of the brain. Neurons in the parietal lobe are involved in speech and also reading. Two of the parietal lobe’s main functions are processing somatosensation—touch sensations like pressure, pain, heat, cold—and processing proprioception—the sense of how parts of the body are oriented in space. The parietal lobe contains a somatosensory map of the body similar to the motor cortex.

The occipital lobe is located at the back of the brain. It is primarily involved in vision—seeing, recognizing, and identifying the visual world.

The temporal lobe is located at the base of the brain by your ears and is primarily involved in processing and interpreting sounds. It also contains the hippocampus (Greek for “seahorse”)—a structure that processes memory formation. The hippocampus is illustrated in Figure \(\PageIndex{6}\). The role of the hippocampus in memory was partially determined by studying one famous epileptic patient, HM, who had both sides of his hippocampus removed in an attempt to cure his epilepsy. His seizures went away, but he could no longer form new memories (although he could remember some facts from before his surgery and could learn new motor tasks).

Evolution Connection: Cerebral Cortex

Compared to other vertebrates, mammals have exceptionally large brains for their body size. An entire alligator’s brain, for example, would fill about one and a half teaspoons. This increase in brain to body size ratio is especially pronounced in apes, whales, and dolphins. While this increase in overall brain size doubtlessly played a role in the evolution of complex behaviors unique to mammals, it does not tell the whole story. Scientists have found a relationship between the relatively high surface area of the cortex and the intelligence and complex social behaviors exhibited by some mammals. This increased surface area is due, in part, to increased folding of the cortical sheet (more sulci and gyri). For example, a rat cortex is very smooth with very few sulci and gyri. Cat and sheep cortices have more sulci and gyri. Chimps, humans, and dolphins have even more.

Illustrations shows that brains increase in size and amount of cortical folding from rat to cat to chimpanzee to human to dolphin. — Figure \(\PageIndex{5}\): Mammals have larger brain-to-body ratios than other vertebrates. Within mammals, increased cortical folding and surface area is correlated with complex behavior.

Basal Ganglia

Interconnected brain areas called the basal ganglia (or basal nuclei) play important roles in movement control and posture. Damage to the basal ganglia, as in Parkinson’s disease, leads to motor impairments like a shuffling gait when walking. The basal ganglia also regulate motivation. For example, when a wasp sting led to bilateral basal ganglia damage in a 25-year-old businessman, he began to spend all his days in bed and showed no interest in anything or anybody. But when he was externally stimulated—as when someone asked to play a card game with him—he was able to function normally. Interestingly, he and other similar patients do not report feeling bored or frustrated by their state.

Thalamus

The thalamus (Greek for “inner chamber”), illustrated in Figure \(\PageIndex{6}\), acts as a gateway to and from the cortex. It receives sensory and motor inputs from the body and also receives feedback from the cortex. This feedback mechanism can modulate conscious awareness of sensory and motor inputs depending on the attention and arousal state of the animal. The thalamus helps regulate consciousness, arousal, and sleep states. A rare genetic disorder called fatal familial insomnia causes the degeneration of thalamic neurons and glia. This disorder prevents affected patients from being able to sleep, among other symptoms, and is eventually fatal.

Hypothalamus

Below the thalamus is the hypothalamus, shown in Figure \(\PageIndex{6}\). The hypothalamus controls the endocrine system by sending signals to the pituitary gland, a pea-sized endocrine gland that releases several different hormones that affect other glands as well as other cells. This relationship means that the hypothalamus regulates important behaviors that are controlled by these hormones. The hypothalamus is the body’s thermostat—it makes sure key functions like food and water intake, energy expenditure, and body temperature are kept at appropriate levels. Neurons within the hypothalamus also regulate circadian rhythms, sometimes called sleep cycles.

Limbic System

The limbic system is a connected set of structures that regulates emotion, as well as behaviors related to fear and motivation. It plays a role in memory formation and includes parts of the thalamus and hypothalamus as well as the hippocampus. One important structure within the limbic system is a temporal lobe structure called the amygdala (Greek for “almond”), illustrated in Figure \(\PageIndex{6}\). The two amygdala are important both for the sensation of fear and for recognizing fearful faces. The cingulate gyrus helps regulate emotions and pain.

Cerebellum

The cerebellum (Latin for “little brain”), shown in Figure \(\PageIndex{3}\), sits at the base of the brain on top of the brainstem. The cerebellum controls balance and aids in coordinating movement and learning new motor tasks.

Brainstem

The brainstem, illustrated in Figure \(\PageIndex{3}\), connects the rest of the brain with the spinal cord. It consists of the midbrain, medulla oblongata, and the pons. Motor and sensory neurons extend through the brainstem allowing for the relay of signals between the brain and spinal cord. Ascending neural pathways cross in this section of the brain allowing the left hemisphere of the cerebrum to control the right side of the body and vice versa. The brainstem coordinates motor control signals sent from the brain to the body. The brainstem controls several important functions of the body including alertness, arousal, breathing, blood pressure, digestion, heart rate, swallowing, walking, and sensory and motor information integration.

Spinal Cord

Connecting to the brainstem and extending down the body through the spinal column is the spinal cord, shown in Figure \(\PageIndex{3}\). The spinal cord is a thick bundle of nerve tissue that carries information about the body to the brain and from the brain to the body. The spinal cord is contained within the bones of the vertebrate column but is able to communicate signals to and from the body through its connections with spinal nerves (part of the peripheral nervous system). A cross-section of the spinal cord looks like a white oval containing a gray butterfly-shape, as illustrated in Figure \(\PageIndex{7}\). Myelinated axons make up the “white matter” and neuron and glial cell bodies make up the “gray matter.” Gray matter is also composed of interneurons, which connect two neurons each located in different parts of the body. Axons and cell bodies in the dorsal (facing the back of the animal) spinal cord convey mostly sensory information from the body to the brain. Axons and cell bodies in the ventral (facing the front of the animal) spinal cord primarily transmit signals controlling movement from the brain to the body.

The spinal cord also controls motor reflexes. These reflexes are quick, unconscious movements—like automatically removing a hand from a hot object. Reflexes are so fast because they involve local synaptic connections. For example, the knee reflex that a doctor tests during a routine physical is controlled by a single synapse between a sensory neuron and a motor neuron. While a reflex may only require the involvement of one or two synapses, synapses with interneurons in the spinal column transmit information to the brain to convey what happened (the knee jerked, or the hand was hot).

In the United States, there around 10,000 spinal cord injuries each year. Because the spinal cord is the information superhighway connecting the brain with the body, damage to the spinal cord can lead to paralysis. The extent of the paralysis depends on the location of the injury along the spinal cord and whether the spinal cord was completely severed. For example, if the spinal cord is damaged at the level of the neck, it can cause paralysis from the neck down, whereas damage to the spinal column further down may limit paralysis to the legs. Spinal cord injuries are notoriously difficult to treat because spinal nerves do not regenerate, although ongoing research suggests that stem cell transplants may be able to act as a bridge to reconnect severed nerves. Researchers are also looking at ways to prevent the inflammation that worsens nerve damage after injury. One such treatment is to pump the body with cold saline to induce hypothermia. This cooling can prevent swelling and other processes that are thought to worsen spinal cord injuries.

In the cross section the gray matter forms an X inside the oval white matter. The legs of the X are thicker than the arms. Each leg is called a ventral horn, and each arm is called a dorsal horn. — Figure \(\PageIndex{7}\): A cross-section of the spinal cord shows gray matter (containing cell bodies and interneurons) and white matter (containing axons).

Summary

The vertebrate central nervous system contains the brain and the spinal cord, which are covered and protected by three meninges. The brain contains structurally and functionally defined regions. In mammals, these include the cortex (which can be broken down into four primary functional lobes: frontal, temporal, occipital, and parietal), basal ganglia, thalamus, hypothalamus, limbic system, cerebellum, and brainstem—although structures in some of these designations overlap. While functions may be primarily localized to one structure in the brain, most complex functions, like language and sleep, involve neurons in multiple brain regions. The spinal cord is the information superhighway that connects the brain with the rest of the body through its connections with peripheral nerves. It transmits sensory and motor input and also controls motor reflexes.

Glossary

amygdala: structure within the limbic system that processes fear

arachnoid mater: spiderweb-like middle layer of the meninges that cover the central nervous system

basal ganglia: interconnected collections of cells in the brain that are involved in movement and motivation; also known as basal nuclei

basal nuclei: see basal ganglia

brainstem: portion of the brain that connects with the spinal cord; controls basic nervous system functions like breathing, heart rate, and swallowing

cerebellum: brain structure involved in posture, motor coordination, and learning new motor actions

cerebral cortex: outermost sheet of brain tissue; involved in many higher-order functions

choroid plexus: spongy tissue within ventricles that produces cerebrospinal fluid

cingulate gyrus: helps regulate emotions and pain; thought to directly drive the body’s conscious response to unpleasant experiences

corpus callosum: thick fiber bundle that connects the cerebral hemispheres

cerebrospinal fluid (CSF): clear liquid that surrounds the brain and spinal cord and fills the ventricles and central canal; acts as a shock absorber and circulates material throughout the brain and spinal cord.

dura mater: tough outermost layer that covers the central nervous system

frontal lobe: part of the cerebral cortex that contains the motor cortex and areas involved in planning, attention, and language

gyrus: (plural: gyri) ridged protrusions in the cortex

hippocampus: brain structure in the temporal lobe involved in processing memories

hypothalamus: brain structure that controls hormone release and body homeostasis

limbic system: connected brain areas that process emotion and motivation

meninge: membrane that covers and protects the central nervous system

occipital lobe: part of the cerebral cortex that contains visual cortex and processes visual stimuli

parietal lobe: part of the cerebral cortex involved in processing touch and the sense of the body in space

pia mater: thin membrane layer directly covering the brain and spinal cord

proprioception: sense about how parts of the body are oriented in space

somatosensation: sense of touch

spinal cord: thick fiber bundle that connects the brain with peripheral nerves; transmits sensory and motor information; contains neurons that control motor reflexes

sulcus: (plural: sulci) indents or “valleys” in the cortex

temporal lobe: part of the cerebral cortex that processes auditory input; parts of the temporal lobe are involved in speech, memory, and emotion processing

thalamus: brain area that relays sensory information to the cortex

ventricle: cavity within brain that contains cerebrospinal fluid