การแลกเปลี่ยนก๊าซ (Gas exchange in animals)

การแลกเปลี่ยนก๊าซ (Gas exchange in animals)

        1.  เหงือก : อวัยวะสำหรับการแลกเปลี่ยนแก๊ซในสัตว์น้ำ

     ·   มี  gills (เหงือก) เป็นอวัยวะในการแลกเปลี่ยนก๊าซ เหงือกมีลักษณะต่างๆ กันไปในสัตว์น้ำแต่ละชนิด       

     ·   ในสัตว์น้ำมีกระบวนการเรียกว่า  การหล่อเลี้ยง/หรือระบายด้วยลม (ventilation)  ซึ่งเป็นการเพิ่มการไหลเวียนของน้ำ (ซึ่งมี O₂ อยู่น้อย)  ให้มากขึ้น  ตัวอย่างไหลเวียนของน้ำผ่านเหงือกในปลา
    · ในปลาน้ำที่ผ่านเหงือกจะมีทิศทางการไหลเวียนตรงข้ามกับทิศทาง การไหลของเลือดทำให้การถ่ายเอา O₂ ออกจากน้ำได้ถึง 80 %     

2.  ระบบท่อลม (tracheal  systems) และปอดในสัตว์บก

         ·   O₂ และ CO₂ มีการแพร่ได้รวดเร็วในอากาศ  สัตว์บกจึงไม่จำเป็นต้องมีระบบการหล่อ เลี้ยงด้วยลม (ventilation)     ในทางกลับกัน  ปัญหาที่สำคัญของสัตว์บกคือ  ต้องรักษาความชื้นในอวัยวะที่มีการแลกเปลี่ยนก๊าซ  เนื่องจากว่ามีการเสียน้ำไปกับอากาศที่หายใจเข้ามาตลอดเวลา

2.1 ระบบท่อลม (tracheal  systems)

    · ในแมลงระบบท่อลม (tracheal  system)  จะมีท่อลำเลียงอากาศที่แตกแขนงไปตามร่างกาย     ท่อที่ใหญ่ที่สุดเรียกว่า  trachea  ซึ่งจะเปิดสู่ภายนอกได้  ท่อลำเลียงอากาศเล็กๆ จะแตกกิ่งก้านไปยังเซลล์ต่างๆ  ก๊าซออกซิเจนจะแพร่ผ่านเนื้อเยื่อบุผิว (epithelium)  ที่อยู่ปลายสุดของระบบท่อลม

2.2  Lungs (ปอด)

                        ·   มีเส้นเลือดฝอย (capillaries) โยงใยอยู่หนาแน่น

                        ·   เป็นที่แลกเปลี่ยนก๊าซ

                        ·   พบใน  แมงมุม  หอยทาก  สัตว์มีกระดูสันหลัง

                  2.3    ระบบหายใจในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม

          ·   ปอดอยู่บริเวณอก (chest ) คล้ายฟองน้ำ  มีพื้นที่ประมาณ 100  ตารางเมตรในคน

       ·   อากาศผ่านจากการหายใจเข้าทางจมูกสู่  pharynx ไป larynx ไป trachea (ท่อลม) ไป bronchus ไป bronchioles ไป alveoli  ซึ่งเป็นที่ๆ มีการแลกเปลี่ยน O₂ กับ CO₂  

          ·    คนเราดึงอากาศเข้ามาในปอดด้วย negative pressure breathing = ดูดอากาศลงมาที่ปอด

        ·   ปอดที่ขยายขึ้นเกิดจากการหดตัวของกล้ามเนื้อซี่โครงและ diaphragm ซึ่งเป็นแผ่นกล้ามเนื้อด้านล่าง  ช่องว่างอกเลื่อนลง
       ·   ปริมาณอากาศที่เราหายใจเข้า-ออก 1 ครั้ง เรียกว่า tidal volume  ซึ่งประมาณ 500 ml  ในคน

       ·   ปริมาณอากาศที่เราสามารถหายใจเข้าออกได้มากที่สุดเรียกว่า  vital  capacity  ซึ่งจะประมาณ 3400 ml  และ  4800  ml  ในผู้หญิงและผู้ชายตามลำดับ

          ·   อย่างไรก็ตามอากาศใน  alveoli จะไม่หมดไปเลยที่เดียว เมื่อเราหายใจออก  อากาศที่เหลือ จากที่เราพยายามหายใจออกให้มากที่สุดแล้วเรียกว่า  residual  volume

         ·   นกมีถุงลม 8 – 9 ถุง  ซึ่งจะต่อเข้าไปในส่วนบริเวณ  ท้อง  คอ  จนถึงปีก  ถุงลมช่วยในการผ่านอากาศสู่ปอด  และช่วยในการบิน  ในนกมีท่อเล็กๆ เรียก  parabronchi แทนที่จะเป็น  alveoli

3.  การควบคุมการหายใจ

     ·   Breathing  control  centers  อยู่ที่สมองส่วน  Medulla  oblongata  กับ Pons

     ·   Medulla’s  center  ควบคุมจังหวะการหายใจพื้นฐานร่วมกับ   pons เมื่อเราหายใจลึกๆ  จะมีตัว sensors ที่  lung  tissue  ส่งกระแสประสาทมาที่  medulla  ยังยั้ง  breathing  control  center  ไม่ให้ปอดขยายมากเกินไป

    ·   Medulla’s control center  ยังคอยรักษาระดับ CO₂   ซึ่งจะมีค่า  pH  ในเลือดเป็นตัวบอก (CO₂ + H₂O ® carbonic  acid (H₂CO₃) ® pH ลดลง  ถ้า  pH  ในเลือดลดลงจะทำให้หายใจเพิ่มขึ้น

4.  การแพร่ของก๊าซในปอดและอวัยวะต่างๆ

     ·   partial pressure  ของ  O₂ = ความดันมาตรฐานระดับน้ำทะเล

        (760  mm Hg) ´ % O₂ ในอากาศ  

                                                    = 760 ´ 0.21 = 160 mm ปรอท

     ·   ก๊าซจะมีแพร่จากที่ๆ higher partial  pressure  ไปใน  lower  partial  pressure

     ·   partial pressure  ของ  O₂ ที่เราหายใจเข้า (inhaled air) เท่ากับ 160 mm ปรอท 

5.  การขนส่งก๊าซโดย  respiratory  pigments

5.1    การขนส่ง O₂

       ·   ใน arthropods  และ  mollusks  เลือดมีสีน้ำเงินเกิดจาก hemocyanin (ที่มี Cu2+ เป็นสีฟ้า) ซึ่งเป็นโปรตีนที่คอยขนส่ง O₂ ในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง  ส่วนในสัตว์มีกระดูกสันหลังมี hemoglobin  ซึ่งประกอบด้วย 4 subunits  ย่อยๆ แต่ละ subunit จับกับ 1 cofactor (heme) ซึ่งจะเรียกเป็น  1 hemogroup  และจะมี ion atom (Fe2+) อยู่ที่ศูนย์กลาง hemogroup ด้วย     แต่ละ  hemoglobin  molecule  สามารถจับกับ O₂ ได้ 4 โมเลกุล (molecules)

     ·   ถ้า  pH  ในเลือดลดลง  การจับของ hemoglobin กับ O₂ จะลดลงด้วย  เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า  Bohr  shift

                  

5.2   การขนส่ง  CO₂

      ·   hemoglobin ยังช่วยขนส่ง  CO₂  และรักษาระดับ pH ในเลือด

                  ·   70 % ของ  CO₂ ในเลือดอยู่ในรูปของ  bicarbonate ions (HCO₃-) เมื่อมีการแพร่ของ CO2 ออกจากเลือดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสมดุลย์ทางเคมี  ทำให้ H₂CO₃ เปลี่ยนเป็น CO₂ เมื่อเลือดเคลื่อนเข้าสู่เส้นเลือดฝอย capillaries

                      

         6.  สัตว์บางชนิดมีการเก็บ O₂ ไว้ได้

                 ·   แมวน้ำสามารถเก็บ O₂ ไว้ได้
          · แมวน้ำมีเลือดถึง 24 ลิตรสามารถเก็บ O₂ ไว้ได้มากกว่าเรา ดำน้ำได้เกือบ 1 ชั่วโมง

              ·   คนในปอดมี O₂  36 % ในเลือดมี O₂  51 %  เทียบกับแมวน้ำซึ่งมี O₂ ในปอด  5 %  ในเลือด  70 %  อาจเนื่องมาจากแมวน้ำมีเลือดมากกว่าเรา 2 เท่า  เมื่อเทียบตามน้ำหนักตัวและมีม้ามที่เก็บเลือดได้ถึง 24 ลิตร

                 ·   นอกจากนี้สัตว์ที่ดำน้ำได้เก่งๆ จะมีโปรตีนชื่อ myoglobin  ในกล้ามเนื้อ  ซึ่งเป็นที่เก็บ  O₂ ซึ่งในแมวน้ำสามารถเก็บ O₂ ไว้ในกล้ามเนื้อนี้ประมาณ 25 % เทียบกับคนเพียงแค่ 13 %

                 ·  นอกจากนี้ hemoglobin ของทารกในครรภ์ยังจับกับ O₂ ได้ดีกว่า

          _______________________________________________________________________

ระบบไหลเวียนเลือด (Circulatory system)

ระบบไหลเวียนเลือด

 (Circulatory system)

1.      ระบบไหลเวียนเลือดใน animals

1.1  สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังส่วนมากมีช่องกลวงกลางลำตัว (gastrovascular  cavity) ดังนั้นการแลกเปลี่ยนสารต่างๆกับสิ่งแวดล้อมเป็นระบบไหลเวียนเลือดแบบเปิด (open circular system) เลือดจะปล่อยเข้าสู่ พื้นที่ที่อวัยวะต่างๆอยู่เรียกพื้นที่นั้นว่า sinuses และถ้าเรียกให้ถูก   เลือดนี้จะเรียกว่า hemolymph     ที่ sinuses นี้เองจะมีการแลกเปลี่ยนสารเคมีระหว่าง hemolymph กับอวัยวะต่างๆ  ระบบไหลเวียนเลือดแบบเปิดพบในไฮดร้า แมงกระพรุน พยาธิตัวแบน และแมลง เป็นต้น   ระบบไหลเวียนเลือดแบบเปิด (closed  circulatory  system)  เลือดจะไหลอยู่ภายในหลอดเลือดเท่านั้น การแลกเปลี่ยนก๊าซจะเกิดขึ้นระหว่างเลือดกับเซลล์     พบในไส้เดือน ปลาหมึกและสัตว์มีกระดูกสันหลัง

1.2  วิวัฒนาการของระบบหัวใจและหลอดเลือด (cardiovascular system)

·       Closed  circulatory  system  เรียกอีกอย่างว่า cardiovascular  system  ซึ่งประกอบด้วยหัวใจ (heart), เส้นเลือด (blood  vessels) และเลือด(blood)  หัวใจมีห้องหัวใจ atrium (รับ) และ ventricle (ปั๊มออก) อย่างละ1-2 ห้อง

Blood vescels มี

1. arteries  เส้นเลือดใหญ่จากหัวใจ ไปยังอวัยวะต่างๆ

2. arterioles เส้นเลือดเล็กแยกมาจาก arteries อยู่ตามอวัยวะต่างๆ

3. Capillaries เส้นเลือดฝอยแตกมาจาก arteries

4. venules เส้นเลือดดำที่รับเลือดมาจาก capillaries เพื่อกลับเข้าหัวใจ

5. veins เส้นเลือดดำใหญ่ที่รับเลือดมาจาก venules ส่งเลือดเข้าสู่หัวใจ

·       หัวใจของสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ สัตว์เลื้อยคลาน และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม  

1) หัวใจช่อง right ventricle ปั้มเลือดไปปอดผ่าน

2) pulmonary arteries

3) เลือดไหลผ่าน capillaries ในปอด เลือดเอา O2 มา และให้ CO2 ไป

4) เลือดที่มี O2 มาก  ไหลกลับหัวใจเข้ามาที่ left atrium 

5) เลือดที่มี O2 มาก ไหลเข้ามาที่ left ventricle

6) เลือดที่มี O2 มาก ไหลออกจากหัวใจทางเส้นเลือด aorta ไปที่

7) capillaries ที่ศรีษะและแขน

8) capillaries ที่ลำตัวและขา จากนั้น

9)  เลือดที่มี O2 น้อย  จะไหลผ่าน superior vena cava ไปที่ right atrium

10) และ เลือดที่มี O2 น้อย  จะไหลผ่าน inferior vena cava ไปที่ right atrium เช่นกัน

11) right atrium

  

1.3  หัวใจในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

·       cardiac  cycle         หัวใจหดตัว    = systole

                                    หัวใจคลายตัว = diastole

·       stroke  volume  ปริมาณของเลือดที่ปั๊มออกไปจาก left  ventricle  ประมาณ 75 ml/ครั้ง คนที่มี stroke  เท่านี้ หัวใจจะเต้นประมาณ 70 ครั้งต่อนาที  ดังนั้นจะมี cardiac  output (หรือปริมาณเลือดที่ปั๊มออกจาก left  venticle) เท่ากับ 5.25 ลิตร/นาที ซึ่งเท่ากับปริมาณเลือดทั้งหมดในตัวคน

1.4  โครงสร้างของ arteries ,arteries , veins  และ  carpillaries vessels

·       capillaries ประกอบด้วย ชั้น endothelium  ซึ่งจะมีผิวเรียบ ทำให้ เลือดไหลได้เร็วและมีผนังบาง

·       เส้นเลือด artery และ vein มีผนัง 3 ชั้นเหมือนกันประกอบด้วย 1) connective tissue 2) smooth muscle และ 3) endothlium แต่เส้นเลือด vein มีขนาดรูใหญ่กว่าของ artery

·       เส้นเลือด capillary มีผนังชั้นเดียวเป็น endothlium และมี basement membrane หุ้มอยู่นอกสุดเหมือนกับ artery และ vein

·       blood  pressure  = แรงดันเลือด 

ใน arteries มีแรงดันเลือดมากก่าใน veins         ใน venticular  system  เลือดจะไหลจากที่ ที่มีความดันสูง (high  pressure)  ไปที่ที่มีความดันต่ำ (low  pressure) เมื่อวางมือกดเส้นที่ข้อมือ (ด้านนิ้วหัวแม่มือ) จะรู้สึก blood  pressure ที่เต้นเป็นจังหวะเดียวกับหัวใจเต้น

1.5  การแลกเปลี่ยนสารต่างๆ ในเลือดเกิดขึ้นที่ thin  walls ของ capillaries

·       capillary  beds คือบริเวณที่มีเครือข่ายของ capillaries

·       เลือดที่ไหลสู่ capillary  beds ถูกควบคุมด้วย precapillary sphincters

· ในภาวะที่ precapillary sphincters คลายตัว  เลือดจะไหลเข้า capillary  bed และผ่าน thoroughfare channel  (เส้นเลือด capillary ที่เลือดสามารถไหลมาจาก arteriole สู่ venule ได้โดยตรง )

·       ตรงกันข้าม ในภาวะที่ precapillary  sphincters หดตัว เลือดที่ไหลเข้าสู่ capillary  bed ก็จะถูกลดจำนวนลง  

·       ของเหลวในเลือด (sugers, salts, oxgen และ urea)  ไหลออกจาก  capillary  บริเวณทางด้านที่อยู่ติด arteriole  ของเหลวที่อยู่ในช่วงระหว่างเซลล์จะไหลเข้ามาได้ใน capilly บริเวณที่ติดกับ venule  เนื่องจาก  blood  presure  ลดลง  แรงดันภายนอก (osmotic  presure) มากกว่า 

     (ดูรูปที่ 7)   การแลกเปลี่ยนของเหลวขึ้นอยู่กับ  hydrostatic pressure (blood pressure) และ osmotic pressure   ปกติ blood pressure จะดันของเหลว (fluid) ออกจาก capillary   ส่วน osmotic pressure มักจะทำให้นำ้เข้ามาใน capillary (เนื่องจากเลือดมีความเข้มข้นสูง)

1.6 ระบบน้ำเหลือง (lymphatic  system)  ถ่ายของเหลวสู่กระแสเลือดและช่วยในการสร้างภูมิคุ้มกัน

·   เมื่อเลือดไหลสู่ capilavies  มีการสูญเสียสารต่างๆ และโปรตีนด้วย  แต่สารต่างๆ ที่สูญเสียไปนี้จะกลับเข้าสู่กระแสเลือดผ่าน lymphatic  system

·   ของเหลวในช่องระหว่างเซลล์ เข้าสู่  lymphatic  system  ที่ lymph  capillaries  เมื่อของเหลวนี้เข้ามาอยู่ใน lymphatic  system  แล้วจะเรียกว่า  lymph

·   lymphatic  system  ต่อกับเส้นเลือด  veins  

·   ที่  lymph  vessel มี lymph  nodes  ทำหน้าที่กรอง  lymph  ภายใน  lymph  nodes  มีเซลล์เม็ดเลือดขาวอยู่มากมาย              เมื่อร่างกายเกิดการติดเชื้อ  เซลล์นี้จะเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็วทำให้  lymph  nodes  บวมขึ้น

      1.7  Blood (เลือด)

·   เลือดจัดอยู่ในหมู่  connective  tissue  มีเซลล์ต่างๆ อยู่ในสารเหลว เรียกว่า  plasma  ซึ่งสามารถแยกโดยการปั่นเหวี่ยง  ซึ่งจะได้เซลล์ต่างๆ ตกอยู่ในหลอดเป็น 45 %  ส่วนของเหลวชั้นบนที่มีสีเหลืองก็คือ  plasma  นั่นเอง

1.7.1  Plasma

          ·   เป็นน้ำ 90 %  มีเกลืออนินทรีย์ (inorganic  salts)  เป็นตัวรักษา  osmotic  balance  ในเลือด  และยังคอยรักษา  pH  ให้อยู่ที่ 7.4 (ในคน) ไอออน ต่างๆ ใน plasma  ยังจำเป็นในการหดยืดตัวของกล้ามเนื้อในร่างกายเราด้วย

          ·   มีโปรตีนพวก  immunoglobulins  เป็น  antibodies  ช่วยในการต่อสู้กับสิ่งแปลกปลอมที่เข้ามาในร่างกาย และโปรตีนพวก  fibrinogens  เป็น  clotting  factors ช่วยให้เลือดแข็งตัว

          ·   serum  คือ  plasma  ที่ไม่มี  fibrinogens

         ·   นอกจากนี้แล้วยังมีสารอาหารและของเสียจากกระบวนการเมตาบอลิซึม เช่น ฮอร์โมน  แก๊ส  เป็นต้น

1.7.2  Cellular  Elements ส่วนที่เป็นเซลล์

                          ·   มี 3 ชนิด คือ     1. Red  blood  cells     2. White  bloods  cells   

                               3. platelets 

                              1.   Red  blood  cells  หรือ  erythrocytes

-          มีประมาณ  25  พันล้านเซลล์ในร่างกายเรา

-          biconcave  disk  ไม่มี  nucleus  ไม่มี  mitochondria

-          ทำหน้าที่ขนส่ง  O₂            

-          มี hemoglobin ซึ่ง เป็นโปรตีนที่ใช้ขนส่ง O₂ 

                              2.   White  blood  cells  หรือ  leukocytes

                                    -   มี 5 ชนิดคือ     1. Monocytes         2. Neutrophils                        

     3. Basophils         4. eosinophils        5. Lymphocytes

- ทั้ง 5 ชนิดนี้มีหน้าที่ต่อสู้กับการติดเชื้อโรคด้วยวิธีต่างๆ กันไป  เช่น  monocytes กับ neutrophils จะมีกระบวนการ phagocytosis กินสิ่งแปลกปลอมที่เข้ามาในร่างกาย หรือกินเซลล์ที่ตายแล้ว

      3.   Platelets

-          เป็น  fragment  of  cells  เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ  2 – 3 mm

-          ไม่มี  nucleus  เกิดมาจาก  bone  marrow

-          หน้าที่ใน  การแข็งตัวของเลือด (blood  clotting)

1.7.3 Stem  cells  และการสร้างทดแทนของเซลล์ใน  blood

              ·   Erythrocytes  อยู่ในกระแสเลือด 3 –4 เดือน  แล้วถูกกินโดย  phagocytic cells  ในตับและม้าม

            ·   Erthrocytes, levkocytes  และ  platelets  พัฒนามาจาก  pluripotent  stem  cells  ที่  red  marrow  ในกระดูก (pluripotent cells หมายถึงเซลล์ที่มีศักยภาพในการเจริญไปเป็นเซลล์เม็ดเลือดแดง)

            ·   ถ้าเนื้อเยื่อต่างๆ ได้รับ O₂ ไม่เพียงพอ  ไตจะเปลี่ยน  plasma  protein  ไปเป็นฮอร์โมนชื่อ  erythropoietin ซึ่งจะไปกระตุ้นการสร้าง  erythrocyte  ถ้าในเลือดมี O₂ เพิ่มขึ้น erythropoietin ก็ลดลง และ การสร้าง erythrocyte ก็ลดด้วย

1.7.4      การแข็งตัวของเลือด (blood  clotting)

            ·   อย่างที่กล่าวมาแล้วนั้น  fibrinogen  เป็นตัวที่คอยปิดบริเวณที่  vessels  ถูกทำลาย   การแข็งตัวของเลือดเกิดจาก  fibrinogen (inactive  form)  เปลี่ยนเป็น  fibrin (active  form) แล้วเกาะตัวกัน  อุดบริเวณที่ถูกตัวลาย

·   hemophilia  โรคทางพันธุกรรมที่เมื่อคนเป็นโรค เมื่อเกิดแผลเป็นจะทำให้เลือดไหลไม่หยุด  เนื่องจากขาดปัจจัยที่ทำให้เลือดแข็งตัว (clotting  factors) บางอย่าง

·   thrombus  ก้อนเลือดที่แข็งตัวแล้วอุดตันการไหลของเลือด  ทำให้เกิดโรคเส้นเลือดหัวใจอุดตันได้

            1.7.5   Cardiovascular  disease  (โรคในหัวใจและเส้นเลือด)

                        ·   cardio  vascular  disease  ทำให้เกิดหัวใจวาย  หัวใจหยุดเต้นได้

                        ·   stroke = เป็นการตายของ  nervous  tissue  ที่สมอง  เกิดจากเส้นเลือดอุดตันที่สมอง

           ·   artherosclerosis หรือ โรคท่อเลือดแดงและหลอดเลือดแดงแข็ง = เป็น chronic  cardiovascular disease  เกิดจากมีเนื้อเยื่อเกิดในที่ผนังชั้นในของ  arteries  ทำให้รูของ  arteries  เล็กลง  เลือดเดินไม่สะดวก  บางครั้งการก่อตัวของเนื้อเยื่อมี  calcium  เข้าไปเกาะด้วยทำให้เกิดโรค  artherosclerosis ได้

                        ·   Hypertension = ความดันสูง  ทำให้เกิด atherosclerosis  เนื่องจากความดันเลือดที่สูงทำให้เกิดความเสียหายของ  endothelium  ใน arteries  ทำให้เกิดการฟอร์มของเนื้อเยื่อหนาขึ้น

                        ·   LDLs (low – density lipoproteins) ทำให้เกิดการสะสมของ chloresterol  ในเส้นเลือด

                        ·   HDLs  (high–density lipoproteins) ช่วยลดปริมาณ  cholesterol  ที่เกาะอยู่ในเส้นเลือด    จริงแล้ว cholesterol ได้จากการรับประทาน 20% ส่วนอีก 80% สังเคราะห์จากตับ

                        ·   การออกกำลังกายช่วยเพิ่ม HDL ขณะที่การสูบบุหรี่จะทำให้มี LDL เพิ่มขึ้น
                              

    ___________________________________________________________________

กลไกรับความรู้สึก และการเคลื่อนที่ (Sensory and Motor Mechanisms)

กลไกรับความรู้สึกและการเคลื่อนที่ (Sensory and Motor Mechanisms)

     1.  บทนำการรับรู้ความรู้สึก (Introduction to sensory reception)

·                ความสามารถในการแยกแยะชนิดของสัญญาณกระตุ้น (stimulus) เช่น การเห็นภาพและเสียงนั้นขึ้นอยู่กับสมองส่วนไหนของเรานั้นได้รับสัญญาณ (signal) นั้น ๆ นั่นคือ สำคัญก็คือ บริเวณที่ที่สัญญาณนั้น ๆ ไป ไม่ใช้ตัวสัญญาณเอง

·              Sensation = การรับสัญญาณ

·              Perception = การรับรู้ (สมองแปลสัญญาณที่เข้ามาทำให้รู้ว่าสัญญาณนั้นคืออะไร เช่น สี กลิ่น เสียง และรส

1.1   เซลล์ประสาทรับพลังงานของสัญญาณกระตุ้นส่งต่อสัญญาณไปยังระบบประสาท 

·    Sensory receptor = เซลล์ประสาทพิเศษ หรือเซลล์ที่อยู่เป็นเซลล์เดี่ยว ๆ หรืออยู่เป็นกลุ่มกับเซลล์อื่น ๆ ที่อวัยวะรับความรู้สึกซึ่งได้แก่ ตา และ หู

·       Exteroreceptors = เป็นเซลล์ที่คอยตรวจจับสัญญาณจากภายนอกร่างกายเรา เช่น ความร้อน แสง ความดัน และสารเคมี

·       interoreceptors = เป็นเซลล์ที่คอยตรวจจับสัญญาณภายในร่างกายเรา เช่น ความดันเลือด และตำแหน่งของร่างกายเรา

·    สัญญาณกระตุ้น (stimuli) เป็นรูปแบบของพลังงานอย่างหนึ่ง และหน้าที่ของเซลล์รับสัญญาณ (receptor cells) ก็คือ เปลี่ยนพลังงานของสัญญาณกระตุ้นให้เป็น membrane potential (การเปลี่ยนแปลงกระแสสัญญาณไฟฟ้า (voltage) ที่ membrane ซึ่งจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นหรือความแรงของสัญญาณกระตุ้น) แล้วส่งต่อสัญญาณนี้ไปยังระบบประสาท (nervous system) ซึ่งกระบวนการทั้งหมดนี้ประกอบด้วยการทำงาน 4 ประเภท คือ

1.       Sensory transduction

2.       Amplification

3.       Transmission

4.       Integration

1.1.1  Sensory transduction

·   Sensory transduction  คือ กระบวนการเปลี่ยนแปลงพลังงานของสัญญาณกระตุ้น (stimulus energy potential) ที่ receptor cell

·       Receptor potential คือ การเปลี่ยนแปลง Membrane potential ที่ receptor cells

·    ยกตัวอย่าง อย่างกรณีที่สัญญาณกระตุ้นที่เป็นแรงกดจะทำให้ membrane ยืดตัวและทำให้เกิดการเพิ่มการไหลของไอออน (increase ion flow)

1.1.2  Amplification

·    Amplification คือ การเพิ่มสัญญาณกระตุ้นที่มีสัญญาณอ่อน ให้มีพลังงานมากขึ้น เช่น คลื่นเสียงที่เราได้ยินนั้นจริง ๆ แล้วถูก amplify มากกว่า 20 เท่า ก่อนจะเข้าถึง receptors ในหูชั้นใน (inner ear)

1.1.3  Transmission

·    Transmission คือ การส่งสัญญาณที่เซลล์รับสัญญาณ (receptor potential) ต่อไปยังระบบประสาทส่วนกลาง (central nervous system or CNS)

1.1.4  Integration

·       Integration = the processing of information = การประมวลข้อมูล

·    ยกตัวอย่างกระบวนการการประมวลข้อมูลของเซลล์รับสัญญาณชนิดหนึ่งเรียกว่า กระบวนการ sensory adaptation ซึ่งคือ การลดการตอบสนองของสัญญาณการกระตุ้นที่เข้ามา หรือได้รับอย่างต่อเนื่อง ถ้าไม่มี sensory adaptation เราทุกคนจะได้รู้สึกถึง ทุก ๆ จังหวะของหัวใจเราที่เต้น และรู้สึกถึงทุกสัมผัสของเสื้อผ้า เราเมื่อเสื้อผ้าที่เราสวมใส่นั้นสัมผัสกับผิวหนังเรา

·    การประมวลข้อมูลการรับสัญญาณ (Sensory integration) ยังเกี่ยวข้องกับความไว (sensitivity) ของการรับรู้ อย่างเช่น การรับรู้ของ Glucose receptors ที่ปากของเรา สามารถรับรู้ความหวานของน้ำตาลขึ้นอยู่กับปริมาณของน้ำตาลที่เราทานเข้าไปและลักษณะของอาหารนั้น ๆ

1.2   เซลล์รับสัญญาณประสาทแบ่งได้ตามพลังงานที่เซลล์นั้นๆรับส่ง

·       Sensory receptors มี 5 ชนิด คือ

1.     Mechanoreceptors

2.     Pain receptors

3.     Thermoreceptors

4.     Chemoreceptors (gustatory (taste) and olfactory (small) receptors)

5.   Electromagnetic receptors (detect electromagnetic energy เช่น แสงไฟฟ้า และแม่เหล็ก (เช่น photoraceptors)

2.  เซลล์รับแสง (Photoreceptors)

·       การตรวจจับแสงมีการวิวัฒน์ในอาณาจักรสัตว์

·       Photoreceptors ประกอบด้วยโมเลกุลสี (pigment molecules) ที่คอยดุดซับ (absorb) แสงตรวจจับแสงที่มีการพัฒนาในอาณาจักรสัตว์

2.1  ความหลากหลายของเซลล์รับแสงมีการวิวัฒน์ในหมู่สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง

·    พลานาเรีย(planaria) มีเซลล์รับแสง (photoreceptor cells) อย่างง่าย เป็น eye cup ซึ่งทำหน้าที่เป็นเพียงวัดความเข้มข้นขอแสง (light intensity) และทิศทางของแสงเท่านั้น(ไม่มีภาพ) (รูปที่ 4)และพลานาเรีย จะเคลื่อนที่หนีแสงโดยวัดความเข้มขอแสงที่มากระทบกับตาทั้ง 2 ข้าง เพื่อหาทิศทางที่แสงมากระทบ กับตาทั้ง 2 ข้าง เท่า ๆ กัน แล้วเคลื่อนที่หนีไปตามทิศทางนั้น

·       ดวงตาภาพที่สร้างรูปได้มีการวิวัฒน์ในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง (แมลงที่จะเลี้ยงลูกด้วยนม)

·    Compound eyes พบในแมลงและสัตว์ที่มีเปลือกหุ้มแข็ง(crustaceans) compound eyes ประกอบด้วย light detectors เรียกว่า ommatidia ซึ่งแต่ละอันจะมีเลนส์รวมแสง (light-focusing len) เป็นของตัวเอง 

·    ตาของคนเราสามารถแยกแยะแสงกระพริบ (light flashes) ได้ประมาณ 50 Flashes ต่อ 1 วินาที (ภาพยนตร์ >50 flashes ต่อวินาที) ผึ้งสามารถมองเห็น UVspectrum ได้

·    Single-lens eyes พบใน แมงกะพรุน ปลาหมึก แมงมุม mollusks ซึ่ง single-lens eyes ทำงานในลักษณะเดียวกับกล้องถ่ายรูป

2.2  สัตว์มีกระดูกสันหลังมีตาแบบเลนส์เดียว (Vertebrates have single-lens eyes)

·       สัตว์มีกระดูกสันหลังมีตาเป็นแบบ single-lens eyes 

·       ลูกตา (eye ball) ของสัตว์มีกระดูกสันหลังประกอบด้วย

1.       Sclera =  ผนังของ connective tissue หนาชั้นนอก

2.       Choroid  =  ผนังชั้นต่อมาของ eye ball รองมาจาก sclera เป็นชั้นที่มี pigment อยู่

3.       Conjunctiva =  เป็น epithelial cells ที่ปกคลุม sclera ช่วยรักษาความชุ่มชื้น (moist) ของตา

4.       Cornea =sclera ที่ใสอยู่ด้านหน้าของลูกตา ทำหน้าที่เป็นเสมือน lens ในส่วนนี้ไม่มี conjuncitva

5.       Iris =choroid ส่วนหน้าของลูกตาที่ฟอร์มเป็นรูปโดนัท (ส่วนที่เห็นเป็นสีของตา) หดขยายปรับรับแสงได้

6.       Pupil = รู (hole) ตรงกลาง iris

7.    Retina = ผนังชั้นในสุดถัดมาจาก choroid ประกอบด้วย photoreceptor cells ข้อมูลภาพและแสงออกจาก photoreceptors ผ่าน optic disc ซึ่งเป็นบริเวณที่มี optic nerve มายึดติดอยู่เนื่องจากบริเวณ optic disc ที่มี optic nerves มาเกาะติดตั้งจะไม่มี photoreceptors จึงเรียกบริเวณนี้ว่า blind spot ซึ่งไม่สามารถ detect แสงได้

8.    Lens และ ciliary body = เป็นส่วนที่ทำให้ลูกตาแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ ช่องว่าง ส่วนหน้าที่อยู่ระหว่าง lens และ cornea และช่องว่างส่วนที่อยู่หลัง lens ทั้งหมดของลูกตา ciliary body สร้างน้ำใส ๆ ชื่อว่า aqueous humor ออกมาที่ช่องว่างส่วนหน้า ในส่วนช่องว่างส่วนหลังจะมีสารเจลเรียกว่า vitreous humor ซึ่งเป็นเสมือน liquid lenses ช่วยรวมแสงสู่ retina การ focus ภาพนั้นเกิดจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเล็นส์ (lens) เมื่อวัตถุอยู่ไกลเล็นส์ จะแบนและวัตถุอยู่ใกล้เล็นส์จะเป็นรูปกลม การเปลี่ยนรูปทรงนี้เรียกว่า accommodation 

·    ที่ retina ของคนเราประกอบด้วย เซลล์รูปแท่ง (rod cells) ประมาณ 125 ล้านเซลล์ และเซลล์รูปโคน (cone cells) ประมาณ 6 ล้านเซลล์

·    Rods จะมีความไวแต่แสง แต่ไม่สามารถแยกแยะสีได้ cones จะไม่ทำงานในที่มืด แต่จะสามารถแยกแยะสีได้ในที่ที่มีแสงเท่านั้น

·       พบว่าที่ตาของคนเรา มี rods อยู่มากบริเวณรอบนอกของ retina ยกเว้นบริเวณ fovea

2.3  เม็ดสีที่ดูดซับแสงชื่อ rhodopsin ทำงานผ่านสัญญาณเหนี่ยวนำ

·    Rod cell และ cone cell มีส่วนที่เป็น outer segment ซึ่งประกอบด้วย โครงสร้างรูป discs เรียงซ้อนกันอยู่ ในแต่ละ disc นี้จะประกอบด้วยโมเลกุลที่ใช้ในการดูดกลืนแสง (light-absorbing pigment molecule) เรียกว่า retinal (เป็น Vitamin A derivative) ติดอยู่กับ membrane protein ชื่อ opsin

·       Rods มี opsin ชนิดหนึ่งบกกับ retinal ได้เป็น rhodopsin 

·       Retinal มี 2 รูป คือ cis และ trans retinal

·       การมองเห็นสีเกิดจากการใช้ cones 3ชนิด คือ red, green และ blue cones ซึ่งจะดูดกลืนสีได้ต่าง ๆ กันตามชื่อของ cones

2.4  ม่านตา (retina) ช่วยเปลือกสมอง (cerebral cortex) ในการประมวลผลข้อมูลภาพ

·    ส่วน axons ของ rods และ cones จะเชื่อมช่องต่อ (synapse) กับ เซลล์ประสาท (neurons) ชื่อ bipolar cells ซึ่งจะต่ออยู่กับ ganglion cells 

·    นอกจากนี้ แล้วเซลล์ประสาทที่ retina ยังมี horizontal cells และ amacrine cells ซึ่งจะช่วย integrate ข้อมูลสัญญาณก่อนที่จะส่งต่อไปยังสมองผ่าน optic nerve

·    Optic nerve จะมีการฟอร์มเป็น optic chiasm บริเวณกลางล่างของสมองส่วน cerebral cortex เพื่อให้ภาพจากตาข้างขวาถูกส่งไปที่สมองด้านซ้าย และภาพจากตาข้างซ้ายถูกส่งไปที่สองด้านขวา 

·    นักวิทยาศาสตร์คาดเดาว่า มีเซลล์ประสาท ถึง 100 ล้านเซลล์ ในการ process ทำให้เห็นภาพ ๆ หนึ่ง และการศึกษาว่าการเกิดภาพต่าง ๆ เหล่านี้ก็ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยอยู่

3.  การได้ยินและความสมดุล (Hearing and equilibrium)

3.1  อวัยวะได้ยินของเลี้ยงลูกด้วยนมอยู่ในหูชั้นใน

·       หูของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมสามารถแยกได้เป็น 3 ส่วนคือ

1.    Outer ear มีช่องหู (auditory canal)ส่งคลื่นเสียงไปที่ trympanic membrane (eardrum) ซึ่งเป็นแผ่นปิดแยกหูชั้นนอกกับชั้นกลาง

2.    Middle ear คลื่นเสียงจะถูกส่งผ่านกระดูกเล็ก ๆ (ossicles)3 ชิ้น คือ malleus chammer), Incus canvil) และ stapes (stirrup) และสุดท้ายคลื่นเสียงจะถูกส่งไปที่ oval window ซึ่งเป็นเมมเบรน ใต้ stapes  และ middle ear ยังต่อกับ Eustachian tube ซึ่งเป็นท่อต่อกับ pharynx เพื่อไว้ปรับความดัน

3.    Inner ear ประกอบด้วย cochlea (Latin=snail) Cochlear ประกอบด้วย vestibular , tympanic duct มี ของเหลว edolymph อยู่ ที่พื้นของ cochlear เรียกว่า basilar membrane มีอวัยวะเรียกว่า organ of Corti ซึ่งจะมี receptor cells อยู่เป็น hair cells ต่อกับ auditory nerve ซึ่ง hair cells นี้ จะสัมผัสอยู่กับ tectorial membrane

· คลื่นเสียงเข้ามากระทบ tympanic membrane --> สั่น (Vibrate) ด้วยความถี่เดียวกับเสียง --> malleus, incus และ stapes --> คลื่นเสียงจะถูกส่งไปที่  oval window -->ไป  pressure waves in the fluid --> vestibular canal --> tympanic canal --> strikes --> round window -->แล้วคลื่นเสียงจะหายไป 

· Pressure waves ทำให้ vestibular canal หดและคลาย --> basilar membrane -->สั่น -->hair cells เลื่อนขึ้นลง --> neurotransmitter ถูกปล่อยออกมา -->ส่งสัญญาณไป auditory nerve

· แต่ละส่วนของ basilar membrane จะตอบสนองต่อเสียงที่มีคลื่นความถี่ต่างกัน

3.2    นอกจากนี้หูชั้นในยังมีอวัยวะของสมดุล

·       ด้านหลัง oval window มีส่วนที่เรียกว่า vestibule ซึ่งประกอบด้วย ห้องส่วนที่เรียกว่า utricle และ saccule

·       Utricle แบ่งเป็น 3 semicircular  cannals 

                          

·       Hair cells ใน utricle และ saccule ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของตำแหน่งของศีรษะเรา

·       Hair cells นั้นจะชี้ขึ้นไปในสารละลายคล้าย ๆ เจล ซึ่งเป็น calcium carbonate particles เรียกว่า otoliths (ear stones)

·    เมื่อเราอยู่ท่าในมุมต่าง ๆ --> hair cells ก็จะอยู่ในท่าและมุมต่าง ๆ ด้วย --> ทำให้เกิด neurotransmitter --> สมองแปลข้อมูล

4.  รสชาติและกลิ่น (Chemoreception – taste and smell)

·       การรับรู้กลิ่นและรสขึ้นอยู่กับ chemoreceptors

·       แมลงรับรู้รสจาก tasting hair ที่ขาและปาก ซึ่ง hair นี้จะมี chemoreceptor cells อยู่

·       คนเรามี receptor cells ซึ่งเป็น modified epithelial cells ซึ่งจับกลุ่มกันเป็น taste buds อยู่ที่ลิ้นและในปาก

·       การรับรู้รสมี 4 แบบ คือ หวาน sweet, เปรี้ยว sour, เค็ม salty และ ขม bitter

·    การรับรสขึ้นอยู่กับโครงสร้างของโมเลกุลที่เรารับรู้รส เช่นน้ำตาลหวาน--> glucose โมเลกุลเป็นวงแหวน 6 เหลี่ยมและเติมเกลือเป็น Na ซึ่งจะจับกับ receptor cells ที่เฉพาะ

·    การรับรู้กลิ่น ก็ทำงานในลักษณะเดียวกัน คือ โมเลกุลของกลิ่น แต่ละกลิ่นก็จะจับกับ receptor molecules ที่ plasma membrane ของ chemoreceptor cells ต่างกัน --> ทำให้เกิด action potentials -->เซลล์ประสาทที่ olfactory bulb -->ส่งสัญญาณไปที่สมอง

                          

_____________________________________________________________