الدماغ البشري (1)

تكوين الدماغ البشري معقد، وآلية عمله أعقد، ولكنني في هذا الموضوع سأحاول أن أبسط الأمور.

أنا افترضت في مقال سابق أن آلية عمل الدماغ من حيث المبدأ هي نفس آلية عمل الكومبيوتر، أي أن مكونات الدماغ الأساسية هي ما يلي:

  • أجهزة الإدخال والإخراج
  • الذاكرة
  • المعالج

بالإضافة إلى هذه المكونات هناك شيء مهم يجب أن نضيفه هو مصدر الطاقة power supply. مصدر الطاقة لدى أجهزة الكومبيوتر هو تيار الكهرباء. بالنسبة للدماغ البشري فالمسألة فيها بعض التعقيد، لأن الدماغ هو موجود داخل جسم حي، والدماغ نفسه مكون من خلايا حية.

جهاز الكومبيوتر هو مكون من قطع غير حية. هذه القطع لا تحتاج للطاقة لكي تستمر في الوجود. جهاز الكومبيوتر يحتاج الطاقة فقط لكي يعمل، أي أن الطاقة الكهربائية عمليا لا تغذي جهاز الكومبيوتر ولكنها تغذي الوظائف التي يقوم بها جهاز الكومبيوتر. من الممكن أن نفصل الطاقة كليا عن جهاز الكومبيوتر ورغم ذلك فإنه لن يتلف. كل ما سيحصل هو أن وظائفه ستتوقف.

الدماغ البشري هو مكون من خلايا حية (هي الخلايا العصبية التي تسمى “نيورونات” neurons). هذه الخلايا تحتاج للطاقة بشكل دائم فقط لكي تستمر في الوجود. لو أننا قطعنا الطاقة عن الدماغ فهو سيتلف خلال دقائق. إذن الدماغ البشري يحتاج الطاقة لكي يوجد وليس فقط لكي يعمل.

الكومبيوتر فيه دارة واحدة كبيرة تغذيه بالطاقة الكهربائية، وهذه الدارة تعطي عددا من الدارات الفرعية الأصغر. الدماغ البشري يعمل وفق مبدأ مشابه، ولكن الفرق هو أن الدماغ البشري يحوي عددا هائلا من الدارات الفرعية هو تقريبا 100 مليار دارة. هذا العدد هو عدد الخلايا العصبية المكونة للجهاز العصبي. كل خلية عصبية (وكل خلية حية) تحوي دارة أو دارات خاصة لإنتاج الطاقة اللازمة لعمل الخلية. سبب هذا النظام المعقد هو أن الكائنات الحية كانت في الأصل تتكون من خلية واحدةunicellular . لاحقا ظهرت الكائنات متعددة الخلايا multicellular عن طريق التكاثر الخلوي والالتصاق بين الخلايا الناتجة. إذن الكائن متعدد الخلايا هو في الأصل مجموعة من الكائنات الملتصقة مع بعضها والمتحدة وظيفيا. هذا المبدأ يشبه نوعا ما مبدأ التوائم السيامية.

فكرة الكائنات متعددة الخلايا تشبه من حيث المبدأ فكرة التوائم السيامية

مصدر طاقة الخلايا الحيوانية (الخلايا المكونة لأجسام الحيوانات) هو الطاقة الكيميائية المختزنة في جزيئات المركبات العضوية organic. مصدر المركبات العضوية هو الخلايا الحية (سواء النباتية أم الحيوانية أم غير ذلك). الحيوانات تعتمد في غذائها بشكل كامل على المركبات العضوية المكونة في أجسام الكائنات الحية الأخرى. الخلايا الحيوانية تقوم بتحطيم الجزيئات العضوية الكبيرة (السكريات والبروتينات والدهون) إلى جزيئات صغيرة (عملية التحطيم تسمى “تفاعلات الهدم” catabolism). عملية التحطيم تؤدي إلى تحرير الطاقة الكيمائية المختزنة في الجزيئات العضوية الكبيرة. هذه الطاقة تستخدم لتغذية تفاعلات كيميائية من أنواع أخرى (منها مثلا “التفاعلات البنائية” anabolism). إذن ما يحصل داخل الخلايا الحية هو أشبه بدورة كيميائية يتم خلالها تحطيم جزيئات عضوية كبيرة للحصول على الطاقة واستخدام هذه الطاقة لتغذية تفاعلات عضوية أخرى تفيد الخلايا الحية والكائن الحي. هذه الدورة هي عمليا “الحياة”. أي جسم يحوي في داخله دورة كيميائية كهذه الدورة ويملك القدرة على التكاثر هو “كائن حي”.

بالنسبة للخلايا العصبية فهي تعتمد بشكل أساسي على الجزيئات السكرية كمصدر للطاقة—تحديدا هي تعتمد على جزيئات سكر الغلوكوز glucose. جزيئات الغلوكوز تصل إلى الخلايا العصبية عبر الدم (الدورة الدموية). لو انقطع وصول جزيئات الغلوكوز إلى الخلايا العصبية لأي سبب (مثلا توقف الدورة الدموية) فهذا سيؤدي إلى تلف الخلايا العصبية وتوقفها عن العمل بشكل نهائي خلال دقائق قليلة. لا يمكن بعد ذلك إعادة الحياة إلى الخلايا العصبية أو تعويضها بخلايا أخرى (لأن الخلايا العصبية هي غير قابلة للتجدد عبر الانقسام، بخلاف خلايا الجلد مثلا).

أجهزة الإدخال والإخراج

أجهزة الإدخال المتصلة مع الدماغ هي “أعضاء الحس” sense organs. هذه الأعضاء توصل البيانات من خارج الدماغ إلى داخله. شعبيا هناك خمسة أعضاء حسية مشهورة هي العينان والأذنان والأنف والفم والجلد. هذا التقسيم هو ليس دقيقا من الناحية العلمية ولكنه يفيد في توضيح ما أقصده بأجهزة الإدخال input devices.

أعضاء الحس تتصل مع الدماغ بواسطة أعصاب nerves تسمى “الأعصاب الحسية” sensory nerves. الأعصاب هي أشبه بالأسلاك الكهربائية التي تصل أجهزة الإدخال مع الكومبيوتر.

أجهزة الإخراج توصل توصل البيانات من داخل الدماغ إلى خارجه. هناك الكثير من أجهزة الإخراج المتصلة مع الدماغ، ولكن جميع هذه الأجهزة يمكن اختصارها بعبارتين: أعضاء الحركة وأعضاء الإفراز (التي تفرز جزيئات كيميائية).

مثلا الجهاز التنفسي هو من أجهزة الإخراج لأن الدماغ يستخدمه لإنتاج الكلام (الكلام يخرج من الفم ولكن آلية إنتاجه تتطلب مشاركة جميع أعضاء الجهاز التنفسي). آلية إنتاج الكلام في الجهاز التنفسي تعتمد بشكل كامل على حركة الهواء وتقلص العضلات في السبيل التنفسي (السبيل الصوتي). حركة الهواء في السبيل التنفسي تحدث بسبب تقلص عضلات جدار الصدر والحجاب الحاجز diaphragm، وبالتالي المحصلة هي أن إنتاج الكلام في الجهاز التنفسي يحدث بسبب تقلص العضلات.

أيضا لغة الإشارة (التواصل عن طريق حركات اليدين وتعابير الوجه) تعتمد على تقلص العضلات.

الدماغ يقوم بتقليص العضلات عن طريق أعصاب تسمى “الأعصاب المحركة” motor nerves.

بالإضافة إلى تقليص العضلات الدماغ يقوم أيضا بإخراج البيانات أو الرسائل على شكل جزيئات كيميائية. هذه الجزيئات تسمى “نواقل عصبية” neurotransmitters. النواقل العصبية تصنع داخل الخلايا العصبية وهي تستخدم داخل الدماغ نفسه في نقل الإشارات من خلية عصبية إلى خلية عصبية أخرى. الدماغ يستخدم هذه النواقل أيضا للتأثير في أعضاء الجسم الأخرى. الأعصاب التي تنقل النواقل العصبية إلى خارج الجهاز العصبي تسمى أحيانا “الأعصاب الإفرازية” secretory nerves.

الدماغ أيضا يقوم بتصنيع بعض الهرمونات hormones وطرحها في الدم بشكل مباشر (عن طريق الفص الخلفي من الغدة النخامية pituitary gland). الهرمونات هي عبارة عن جزيئات عضوية معقدة (بعضها ذات طبيعة بروتينية وبعضها ذات طبيعة دهنية) يتم إفرازها من أعضاء تسمى الغدد glands وتنتقل عبر الدم وتحدث تأثيرات في أعضاء الجسم.

لو درسنا جميع وسائل الإخراج التي يستخدمها الدماغ فسنجد أنها في المحصلة تعتمد على تقلص العضلات أو على إفراز النواقل الكيميائية. إشارات تقلص العضلات تنقل عبر الأعصاب المحركة، وإشارات الإفراز تنقل عبر الأعصاب الإفرازية.

مجموع الأعصاب الحسية والمحركة والإفرازية يسمى “الجهاز العصبي المحيطي” peripheral nervous system. هذه التسمية هي عمليا مجرد مرادف لكلمة “أعصاب”.

الجهاز العصبي المركزي

“الجهاز العصبي المركزي” central nervous system هي تسمية تشمل كلا من الدماغ brain والحبل الشوكي spinal cord (الحبل الشوكي يسمى في معظم لغات العالم “النخاع الشوكي”، ولكن هذه التسمية نادرة الاستخدام في الإنكليزية).

الجهاز العصبي المركزي هو معقد التكوين، والسبب هو أن هذا الجهاز لم يتكون خلال يوم وليلة ولكنه تطور تدريجيا خلال مئات ملايين السنين. الجهاز العصبي المركزي هو أعقد شيء في جسم الإنسان، وهذا التعقيد هو الميزة الأساسية التي تميز الإنسان عن بقية الحيوانات.

لتسهيل فهم الجهاز العصبي المركزي يجب في رأيي أن نفهم تاريخ هذا الجهاز وكيف تطور خلال مئات ملايين السنين. الجهاز العصبي هو مكون من أنسجة عصبية (النسيج tissue هو عبارة عن عدد كبير من الخلايا المتشابهة الملتصقة مع بعضها والتي تؤدي وظيفة واحدة). النسيج العصبي مكون من خلايا عصبية (نيورونات neurons). الخلية العصبية هي خلية متخصصة في نقل الإشارات العصبية.

أنواع الأنسجة الخلوية لدى الحيوانات الفقارية vertebrates (ومنها الإنسان)

كل الخلايا الحية التي تحوي نواة nucleus (الخلايا “حقيقية النواة” eukaryote) هي مشحونة كهربائيا. السبب هو وجود أنزيمات في أغشية هذه الخلايا تعمل على نقل بعض الأيونات ions (الجزيئات المشحونة كهربائيا) من داخل الخلية إلى خارجها (من السائل داخل الخلوي intracellular fluid إلى السائل خارج الخلوي extracellular fluid). هذا النوع من الأنزيمات يسمى “مضخات الأيونات” ion pumps. هذه المضخات ظهرت لأول مرة مع ظهور الخلايا ذات النواة eukaryotes قبل حوالي 1500 مليون عام.

في الأحوال الطبيعية (مثلا في الخلايا البدائية التي لا تملك نواة prokaryotes) الشحنة الكهربائية الإجمالية للسائل داخل الخلوي يجب أن تكون مساوية للشحنة الكهربائية الإجمالية للسائل خارج الخلوي، لأن الانتشار الجزيئي molecular diffusion يعمل على تحقيق التوازن الكهربائي-الكيميائي electrochemical equilibrium على جانبي غشاء الخلية. مضخات الأيونات تعمل على تخريب هذا التوازن. مثلا مضخات أيون الكالسيوم Ca2+ (التي يعتقد أنها أقدم أنواع المضخات الأيونية) تعمل على نقل أيون الكالسيوم من داخل الخلية إلى خارجها بشكل أعمى وبغض النظر عن تركيزه في الداخل والخارج. هذه المضخات لا تتأثر بالانتشار الجزيئي بل هي تقاومه وتعمل ضده. هي تستفيد من الطاقة الكيميائية الناتجة من تفاعلات الهدم catabolism وتسخر هذه الطاقة لمقاومة الانتشار الجزيئي وخلق وضع غير متوازن على جانبي غشاء الخلية.

مقطع عرضي في غشاء خلوي تظهر فيه مضخات أيونية (بروتينات ناقلة carrier proteins)

بعد مضخات أيون الكالسيوم ظهرت أنواع أخرى من المضخات تضخ أيون البوتاسيوم K+. مضخات أيوني الكالسيوم والبوتاسيوم تهيمن لدى الحيوانات المكونة من خلية واحدة (“الحيوانات البدائية” protozoans). الحيوانات الأكثر تعقيدا تعتمد بشكل أكبر على مضخات أيون الصوديوم Na+ (المهمة لعمل الخلايا العصبية). مضخات أيون الصوديوم ظهرت لأول مرة لدى مجموعة من الحيوانات تسمى “الحيوانات الخيطية” filozoans. هذه الحيوانات كانت في الأصل وحيدة الخلية unicellular (مكونة من خلية واحدة)، ولكن أحد فروعها تطور قبل أكثر من 650 مليون عام وأصبح متعدد الخلايا multicellular (أي أنه يصبح يتكون من أنسجة tissues). هذا الفرع متعدد الخلايا يسمى “الحيوانات” animals (باللاتينية animalia)، ويسمى أيضا “الحيوانات التالية” metazoans. الحيوانات animals هي حسب علمي أول مجموعة ظهرت لديها الخلايا العصبية بالمعنى الحقيقي للكلمة.

تطور الجهاز العصبي لدى الحيوانات animals هو مرتبط بمدى اعتمادها على مضخات أيون الصوديوم. مثلا الحيوانات المسماة “الإسفنجيات” poriferans (والتي هي من أكثر أنواع الحيوانات بدائية) تعتمد بشكل كبير على مضخات أيون الكالسيوم، وهي لا تملك جهازا عصبيا حقيقيا. الحيوانات المسماة “المِشْطِيات” ctenophores و”اللاسعات” cnidarians تعتمد بشكل أكبر على مضخات أيون الصوديوم، وهي تملك جهازا عصبيا، ولكن هذا الجهاز هو مكون من نسيج عصبي بدائي يسمى “شبكة عصبية” nerve net. الشبكة العصبية هي عبارة عن مجموعة من الخلايا العصبية المتصلة مع بعضها على شكل شبكة، ولكنها لا تحوي دماغا أو أية منطقة مركزية وظيفتها الإشراف على عمل الشبكة.

حيوان إسفنجي poriferan
ctenophore
حيوان مشطي ctenophore
حيوان لاسع cnidarian
حيوان لاسع cnidarian
شبكة عصبية في حيوان لاسع

المرحلة التالية في تطور الحيوانات كانت ظهور الحيوانات “ثنائية الجانب” bilaterians. أجسام هذه الحيوانات تتميز بوجود رأس وفم وشرج، وداخل الجسم يوجد نسيج عصبي ممتد على طول الجسم على شكل حبل يسمى “الحبل العصبي” nerve cord. من هذا الحبل تخرج الأعصاب نحو بقية مناطق الجسم.

تصوران افتراضيان لأول حيوان ثنائي الجانب urbilaterian

الحيوانات الحبلية chordates هي فرع من ثنائيات الجانب bilaterians. في هذه الحيوانات حصل تطور مهم يتعلق بتوزع مضخات الصوديوم في الخلايا العصبية (مضخات الصوديوم صارت تتركز في جانب واحد من الخلية العصبية). هذا التطور ترافق مع بروز نزعة نحو “الرأسنة” cephalization (مشتقة من كلمة “رأس” cephalē). المقصود بالرأسنة هو أن الحبل العصبي (الذي له شكل أنبوب) صار يميل إلى الانتفاخ في جهة واحدة من الجسم (هي الرأس). هذا الانتفاخ هو أساس فكرة “الدماغ” الذي ظهر لاحقا.

تصور افتراضي لجسم حيوان حبلي بدائي. كلمة gut تعني “أمعاء”، وكلمة anus تعني “شرج”
مخطط لجسم حيوان حبلي بدائي يعيش حاليا اسمه lancelet أو amphioxus (باللاتينية Branchiostoma). الحبل العصبي nerve cord يظهر باللون الأصفر. الرقم 1 يشير إلى الانتفاخ الدماغي في منطقة الرأس، والرقم 17 يشير إلى الأعصاب. الرقم 2 يشير إلى الحبل الظهري notochord (الذي هو دعامة الجسم بدلا من العمود الفقري الموجود لدى الفقاريات). جهاز الدوران الدموي يظهر باللون الأحمر. الرقم 15 يشير إلى الغدد التناسلية (المبايض أو الخصى). الرقم 19 يشير إلى الكبد. العضو ذو اللون الأخضر هو الفم. المناطق ذات اللون البني-الأخضر هي الجهاز الهضمي (يبدأ من الفم وينتهي في الشرج). على ما يبدو فإن جهاز الإخراج البولي لا يظهر على هذا الرسم.

ما يلي صور أخرى لنفس الحيوان lancelet (هذا الحيوان ينتمي للحبليات الرأسية cephalochordates التي هي شكل بدائي من الحبليات ما زال يعيش اليوم في معظم بحار العالم):

Lancelet

كلمة lancelet هي تصغير لـ lancet التي تعني “مبضع جراحي”.

الحيوانات الفقارية vertebrates تطورت من حيوان حبلي بدائي شبيه بـ lancelet. هذا التطور حصل قبل أكثر من 500 مليون عام. الفرق الأساسي بين الفقاريات والحبليات غير الفقارية هو أن الفقاريات تملك عمودا فقاريا vertebral column يشكل دعامة عظمية للظهر بدلا من الحبل الظهري notochord (بقايا الحبل الظهري تشكل لدى الفقاريات ما يسمى “النواة اللبية” nucleus pulposus التي توجد داخل “الأقراص بين الفقارية” intervertebral disc).

مقطع في العمود الفقري تظهر فيه “النواة اللبية” nucleus pulposus باللون البنفسجي. في هذا الرسم النواة اللبية هي في حالة فتق (متمددة إلى خارج مكانها الطبيعي) وهي تضغط على العصب المتصل مع الحبل الشوكي. هذه الحالة المرضية تسمى “فتق النواة اللبية” nucleus pulposus herniation أو “فتق القرص الشوكي” spinal disc herniation، وهي نفس الحالة التي يسميها الناس “مرض الديسك”

الفقاريات تصنف تقليديا ضمن خمس مجموعات:

  • الأسماك fish
  • البرمائيات amphibians
  • الزواحف reptiles
  • الطيور birds
  • الثدييات mammals

هذا التصنيف هو تصاعدي من الأقل تطورا نحو الأكثر تطورا. الأسماك هي أقل الفقاريات تطورا، والثدييات هي أكثر الفقاريات تطورا.

هذا التصنيف هو مجرد تصنيف شعبي وليس تصنيفا علميا، بمعنى أنه لا يعبر عن شجرة تطورية صحيحة. الباحثون كانوا يعلمون ذلك منذ زمن بعيد وكانوا يحاولون أن يرسموا شجرة تطورية علمية (phylogenetic)، وهم تمكنوا من تحقيق تقدم كبير مؤخرا بسبب الدراسات الجزيئية والجينية، ولكن المشكلة هي أن الأشجار التي يرسمونها هي معقدة للغاية. أنا لن أنقل الأشجار التي يرسمونها ولكنني سأعرض شجرة مبسطة:

vertebrate evolution tree

هذه الشجرة هي مختصرة جدا ولكنها رغم ذلك مفيدة لفهم السياق العام لتطور الفقاريات. الفقاريات البدائية كانت كلها تعيش في الماء (كل أو معظم الحيوانات البدائية كانت تعيش في الماء). كلمة “الأسماك” fish هي ليست تصنيفا علميا صحيحا لأن هذه الكلمة تشمل أنواعا مختلفة من الفقاريات البدائية التي تطورت بشكل مستقل وفي أزمنة مختلفة. ما يسمى بـ “الأسماك” هو عمليا كل الفقاريات التي تعيش في الماء.

أكثر الفقاريات بدائية هي على ما أظن الكائنات التي تسمى “الأسماك بلا فكين” jawless fish. هذه التسمية هي ليست تصنيفا علميا ولكنها تسمية تشمل بعض الفقاريات البدائية للغاية من قبيل الحيوان المسمى lamprey. هذا الحيوان هو طفيلي يعيش في البحر ويتغذى من امتصاص دماء الأسماك (وفي بعض الأحيان يتسبب بنفوق أعداد كبيرة منها).

lamprey
الـ lamprey له رأس وعينان ولكنه لا يملك فكين
سمكة ضحية للـ lamprey

هناك حيوان شبيه بالـ lamprey ولكنه أكثر بدائية منه اسمه hagfish. هذا الحيوان لا يملك عمودا فقريا حقيقيا، ولهذا السبب بعض الباحثين يرفضون تصنيفه ضمن الفقاريات.

hagfish

الأسماك بلا فكين كـ lamprey و hagfish هي ربما أكثر الكائنات المعاصرة شبها بالفقاريات الأولى التي ظهرت قبل حوالي 500 مليون عام.

الأسماك الغضروفية cartilaginous fish تأتي في المرتبة الثانية من حيث التطور بعد الأسماك بلا فكين. هذه الكائنات تملك هكيلا غضروفيا بدلا من الهيكل العظمي، وأبرز مثال عليها هو سمك القرش.

سمك القرش

بعد الأسماك الغضروفية ظهرت الأسماك العظمية bony fish التي تشمل معظم الأسماك المعروفة حاليا.

قبل 400 مليون عام حدثت طفرة كبيرة في تطور الفقاريات أدت إلى ظهور الفقاريات “رباعية الأرجل” tetrapods. هذه الكائنات امتلكت لأول مرة الأطراف الأربعة (الذراعان والرجلان). الفقاريات التي كانت تعيش قبل ذلك كانت تملك رأسا وجسما ولكنها لم تكن تملك ذراعين ورجلين.

مجموعة من رباعيات الأرجل الباكرة. الصورة مبنية على مستحاثات

رباعيات الأرجل هي أولى الفقاريات التي خرجت من الماء إلى البر. البرمائيات amphibians (كالضفادع والسلمندر) هي ربما الأكثر بدائية من بين رباعيات الأرجل الموجودة حاليا، بمعنى أنها الأكثر شبها برباعيات الأرجل الأولى. البرمائيات تستطيع أن تعيش خارج الماء بعد أن يكتمل نموها، ولكنها لا تستطيع أن تعيش خارج الماء في مراحل حياتها الباكرة (المرحلة الجنينية). لهذا السبب البرمائيات تضع بيوضها في الماء أو في الأماكن الرطبة.

الحيوانات السلوية amniotes هي شكل متطور من رباعيات الأرجل. هذه الحيوانات لا تحتاج لأن تعيش في الماء مطلقا ولا حتى في المرحلة الجنينية. لهذا السبب هي تضع بيوضها خارج الماء وفي أماكن جافة. سر هذه الحيوانات هو أن أطفالها يحاطون في المرحلة الجنينية بغشاء يسمى السَّلَى amnion. هذا الغشاء يشكل حول الجنين كيسا مملوءا بالماء اسمه “الكيس السلوي” amniotic sac (يسمى أيضا “كيس الماء” water sac).

جنين بشري داخل الكيس السلوي في الرحم

الكيس السلوي هو أشبه “ببحر صناعي” يحيط بجنين الحيوانات السلوية ويغنيه عن العيش في البحر الحقيقي.

الحيوانات السلوية انقسمت قبل حوالي 300 مليون عام إلى فرعين كبيرين، فرع يسمى sauropsids (“سحليات الشكل”) وفرع يسمى synapsids (“ملتحِمات القوس”) أو theropsids (“وحشيات الشكل”). الفرع الأول أنتج الزواحف reptiles التي هيمنت على العالم طوال الحقبة المسماة Mesozoic Era (“حقبة الحياة الوسطى”). هذه الحقبة تسمى أيضا “عصر الزواحف” Age of Reptiles. خلال هذه الحقبة كانت توجد زواحف عملاقة هي الديناصوراتdinosaurs  (معنى الكلمة هو “السحالي الفظيعة” terrible lizards). الديناصورات تعرضت لكارثة أدت إلى انقراض معظمها قبل 66 مليون عام. الطيور birds هي الفرع الوحيد المتبقي من الديناصورات، ولكن معظم الطيور المعاصرة هي صغيرة الحجم.

    تطور الطيور من الديناصورات
تطور الطيور من الديناصورات

الحيوانات المسماة synapsids كانت معاصرة للزواحف الباكرة ولكنها كانت مهمشة وصغيرة الحجم. الثدييات mammals هي فرع من هذه الحيوانات. الميزة الأساسية للثدييات هي غدة الثدي mammary gland التي تفرز الحليب. الثدييات عموما تلد ولا تبيض. الاستثناء الوحيد هو فرع باكر من الثدييات يسمى monotremes. الثدييات التي تنتمي لهذا الفرع تعيش في أستراليا وهي تشمل مثلا الحيوان المسمى platypus.

platypus

بقية الثدييات تسمىtherians  (“الوحوش”). هذه الكائنات ظهرت قبل حوالي 200 مليون عام وهي تتميز عن كل الحيوانات الأخرى بأنها تلد بدل أن تبيض. الفرع المسمى marsupials (“الجيبيات”) له عدد من الخصائص الغريبة التي تميزه عن بقية الثدييات: إناث الحيوانات المنتمية لهذا الفرع يملكن رحما مقسوما إلى حجرتين، وهناك مهبل خاص يوصل إلى كل حجرة من الحجرتين، أي أن الأنثى تملك مهبلين. الذكر يملك قضيبا متفرعا إلى فرعين. عند الجماع الذكر يدخل فرعي قضيبه في مهبلي الأنثى. عندما تحمل الأنثى فإنها تلد الطفل بسرعة بالغة (خلال خمسة أسابيع)، والسبب هو أن الكيس السلوي لا يتثبت على جدار الرحم بواسطة مَشِيمة placenta. المشيمة هي عضو هام يربط الكيس السلوي بالجدار الداخلي للرحم، ومن خلال المشيمة يتم تزويد محتويات الكيس السلوي (خاصة الجنين) بالغذاء والأكسجين، ويتم أيضا تخليصها من الفضلات. غياب المشيمة عند إناث الحيوانات الجيبية يعني أن الجنين لا يمكنه أن يظل في الرحم لفترة طويلة وإلا فإنه سيموت. لهذا السبب الجنين يخرج من الرحم بسرعة بالغة ويعيش داخل جيب على بطن الأم إلى أن يكتمل نموه.

أشهر مثال على الحيوانات الجيبية هو ربما الكنغرو kangaroo

بقية الثدييات تسمىeutherians  (“الوحوش الحقيقية”) أو placentals (“المشيميات”). هناك فروع عديدة جدا للمشيميات لا يمكن أن نخوض فيها الآن. أهم فرع من المشيميات بالنسبة لموضوعنا هو الرئيسيات primates (تحدثت عنه في مقال سابق). أقرب فروع المشيميات إلى الرئيسيات يسمى glires. هذا الفرع يضم كلا من الأرانب والقوارض (القوارض تشمل الفئران والجرذان والسناجب). الأصل المشترك للرئيسيات والأرانب والقوارض عاش قبل 100 مليون عام تقريبا.

الثدييات كانت مهمشة في عصر الزواحف Mesozoic Era، ولكن بعد الكارثة التي أصابت الديناصورات قبل 66 مليون عام بدأت حقبة جديدة تسمى Cenozoic Era (“حقبة الحياة الجديدة”). هذه الحقبة تسمى أيضا “عصر الثدييات” Age of Mammals لأن انقراض الزواحف الكبيرة أفسح المجال أمام الثدييات لكي تهيمن على العالم خلال هذه الحقبة.

حقبة Cenozoic Era ما زالت مستمرة حتى الآن ولم تنته بعد.

الإشارة العصبية

ذكرنا في الأعلى أن الخلايا الحية التي تملك نواة (“حقيقية النواة” eukaryotic) هي مشحونة كهربائيا. السبب هو وجود مضخات أيونية ion pumps في أغشية هذه الخلايا تستغل الطاقة الكيمائية الناتجة من تفاعلات الهدم catabolism لكي تتلاعب بتراكيز الأيونات في السائل داخل الخلوي intracellular fluid.

أهم أنواع المضخات الأيونية في خلايا الثدييات هي المضخة المسماة Na+/K+ ATPase. هذه المضخة تستغل الطاقة الكيميائية المختزنة في جزيء (adenosine triphosphate) ATP لكي تنقل ثلاثة أيونات من الصوديوم إلى خارج الخلية في مقابل نقل أيونين من البوتاسيوم إلى داخل الخلية. المحصلة الكيميائية لعمل هذه المضخة هي تقليل تركيز أيونات الصوديوم وزيادة تركيز أيونات البوتاسيوم داخل الخلية، والمحصلة الكهربائية هي خلق شحنة سلبية داخل الخلية (لأن المضخة تخرج ثلاثة أيونات صوديوم يحمل كل منها الشحنة 1+ وتدخل أيوني بوتاسيوم يحمل كل منهما الشحنة 1+، إذن المحصلة الكهربائية لعمل المضخة هي إخراج شحنة مقدارها 1+ في كل مرة تعمل فيها).

صورة توضح عمل مضخة Na+/K+ ATPase في الغشاء الخلوي

بالإضافة إلى المضخة السابقة هناك مضخات تنقل أيون الكالسيوم Ca2+ إلى خارج الخلية. هناك مضخة Ca2+ ATPase التي تستغل الطاقة الكيميائية المختزنة في جزيء ATP لكي تنقل أيونا واحدا من الكالسيوم إلى خارج الخلية. هذه المضخة هي ربما أقدم أنواع المضخات الأيونية، ولكن مشكلتها أن عملها بطيء ولا يفيد في الأنسجة التي تتطلب إخراج كميات كبيرة من أيون الكالسيوم في وقت قصير (مثلا الأنسجة العصبية والعضلية). لهذا السبب هناك مضخة أخرى أسرع من هذه المضخة هي Na+/Ca2+ exchanger. هذه المضخة لا تستهلك الطاقة الكيميائية ولكنها تستفيد من الفارق في تركيز الصوديوم بين السائل خارج الخلوي والسائل داخل الخلوي لتوليد الطاقة. هي تسمح لثلاثة أيونات صوديوم بالدخول إلى الخلية في مقابل إخراج أيون كالسيوم واحد. هذا الأمر لا يؤثر على تركيز الصوديوم داخل الخلية سوى بشكل مؤقت، لأن هذه المضخة لا تعمل أصلا إلا في مناسبات معينة (عندما يكون هناك تركيز عال من الكالسيوم داخل الخلية، كما يحصل مثلا عند تقلص الخلايا العضلية).

الرسم التالي يلخص أنواع المضخات التي ذكرناها:

المحصلة النهائية لعمل المضخات التي ذكرناها هي أن تركيز الصوديوم والكالسيوم يكون منخفضا داخل الخلية مقارنة بالسائل خارج الخلوي، وتركيز البوتاسيوم يكون مرتفعا داخل الخلية مقارنة بالسائل خارج الخلوي. هناك أيضا شحنة كهربائية سلبية تتولد داخل الخلية. هذه الشحنة تؤدي إلى طرد الأيونات ذات الشحنة السلبية إلى خارج الخلية، خاصة أيون الكلور Cl الذي ينخفض تركيزه داخل الخلية إلى رقم ضئيل جدا. خروج أيون الكلور من الخلية لا يفيد في تعديل الشحنة الكهربائية لأن الخلية تحوي في داخلها الكثير من الجزيئات العضوية الثقيلة ذات الشحنة السلبية (خاصة الأحماض الأمينية amino acids المكونة للبروتينات). هذه الجزيئات العضوية الثقيلة لا يمكنها أن تخرج عبر الغشاء الخلوي، وبالتالي عمليا لا يوجد حل لتعديل الشحنة السلبية سوى بإدخال جزيئات ذات شحنة إيجابية من الخارج، وهذا الأمر لا يحدث في الأحوال الطبيعية.

لهذا السبب الخلايا في الأحوال العادية هي مشحونة سلبيا. الشحنة السلبية تؤدي إلى توليد مجال كهربائي بين السائل داخل الخلوي والسائل خارج الخلوي. هذا المجال الكهربائي يولد ما يسمى في الفيزياء باسم “فرق الكمون الكهربائي” electric potential difference أو الفولتاج voltage. قيمة فرق الكمون الكهربائي داخل الخلايا البشرية تتراوح في الأحوال العادية بين 60- و 80- ميلي فولت. فرق الكمون الكهربائي يترافق مع فرق كمون كيميائي ناجم عن الفرق الكبير في تراكيز الأيونات بين السائل خارج الخلوي والسائل داخل الخلوي. محصلة الكمونين الكهربائي والكيميائي تسمى “الكمون الكهربائي-الكيميائي” electrochemical potential.

في البيولوجيا الكمون الكهربائي-الكيميائي للخلايا في الأحوال العادية يسمى “كمون الراحة” resting potential.

الخلايا العصبية تستفيد من هذا الكمون لتوليد الإشارات العصبية.

ما يحصل باختصار هو أن الخلايا العصبية تسمح لأيونات الصوديوم بالدخول إليها من جهة واحدة. بما أن الخلية العصبية هي طويلة جدا (في بعض الأحيان طولها يمكن أن يصل إلى متر كامل لدى البشر) فهذا يؤدي إلى خلق فرق في الكمون داخل الخلية نفسها: في أحد طرفي الخلية هناك ارتفاع سريع في قيمة الكمون بسبب دخول أيون الصوديوم بكميات كبيرة، وفي الطرف الآخر من الخلية الكمون ما زال على حاله. هذا الفرق في الكمون داخل الخلية يؤدي إلى انتشار كهربائي-كيميائي من أحد طرفيها إلى الطرف الآخر. هذا باختصار شديد هو مبدأ الإشارة العصبية. الإشارة العصبية هي موجة كهربائية-كيميائية (مكونة أساسا من أيونات الصوديوم Na+) تنتقل من أحد طرفي الخلية العصبية إلى طرفها الآخر.

هذا الرسم من ويكيبيديا يوضح الفكرة:

الإشارات الصفراء تعبر عن أيونات الصوديوم. انتشار أيونات الصوديوم على الجانب الداخلي من الغشاء الخلوي يحفز دخول المزيد من أيونات الصوديوم من الخارج

البروتينات الناقلة في الغشاء الخلوي تقوم بإعادة الكمون السلبي إلى داخل الخلية بسرعة بالغة. لهذا السبب نلاحظ على الرسم أن الكمون الإيجابي المنتشر داخل الخلية يختفي بسرعة. في المحصلة الإشارة العصبية هي مجرد نبضة.

التغيرات الكهربائية-الكيميائية التي تحدث داخل الخلية أثناء مرور الإشارة العصبية تسمى “كمون الفعل” action potential.

كمون الفعل ليس خاصا بالخلايا العصبية ولكنه يحصل أيضا في الخلايا العضلية (ويؤدي إلى تقلصها). طريقة كمون الفعل في الخلايا العضلية تختلف عنه في الخلايا العصبية. في الخلايا العضلية ليست هناك حاجة لنقل إشارة من أحد طرفي الخلية إلى طرفها الآخر. لهذا السبب كمون الفعل في الخلايا العضلية لا يبدأ من طرف الخلية ولكنه يبدأ من وسطها أو من أي مكان فيها، وهو ينتشر في كل الاتجاهات. في الخلايا العضلية كمون الفعل يؤدي إلى تدفق أيون الكالسيومCa2+  إلى داخل الخلايا، وهذا تحديدا هو سبب تقلص اللييفات العضلية myofibrils.

كمون الفعل في الخلايا العضلية

طريقة كمون الفعل في الخلايا العضلية هي أكثر بدائية من طريقته في الخلايا العصبية، لأن الخلايا العصبية هي اختراع أحدث من الخلايا العضلية. الخلايا العصبية ظهرت لأول مرة مع ظهور الحيوانات متعددة الخلايا، والنقل العصبي بالطريقة الموجودة لدى البشر بدأ يظهر لأول مرة مع ظهور الحبليات chordates. النقل العصبي تطور لدى الحبليات بشكل متدرج. أحد التطورات المهمة التي حدثت لدى الحبليات الباكرة هو تركيز مضخات الصوديوم في منطقة معينة من الخلية العصبية، وبعد ذلك ظهر غمد الـ myelin الذي زاد من سرعة النقل في الخلايا العصبية بشكل كبير.

neuron
الخلية العصبية بشكلها الحديث تتألف من “جسم” body يحوي “شَجَرِيات” dendrites ومن استطالة طويلة تسمى “المحور” axon. المحور في الخلايا ذات النقل السريع يكون مغطى بغمد sheath من مادة اسمها myelin. الخلايا التي تنتج هذا الغمد في الجهاز العصبي المحيطي اسمها خلايا Schwann، وفي الجهاز العصبي المركزي اسمها “الخلايا قليلة الشجريات” oligodendroctyes
neuron synapse
مناطق التشابك بين الخلايا العصبية والخلايا الأخرى تسمى synapses
تشابك محور عصبي مع ليف عضلي (الليف العضلي هو مجموعة من الخلايا العضلية الملتحمة مع بعضها طوليا)
نقل الإشارة عبر منطقة التشابك العصبي synapse يتم بواسطة جزيئات كيميائية تسمى “نواقل عصبية” neurotransmitters. هذه الجزيئات تتحرر من حويصلات في منطقة التشابك العصبي بسبب وصول كمون الفعل إليها

أجسام الحيوانات طورت مبدأ النقل العصبي بشكل تدريجي، وهذا ما منحها القدرة على نقل البيانات بسرعة فائقة. لاحقا الجهاز العصبي تطور لدى الثدييات على نحو غير مسبوق، وخاصة لدى الرئيسيات، وبالأخص لدى البشر.

Advertisements

4 thoughts on “الدماغ البشري (1)

  1. مقالة متميزة وثرية بالمعلومات … اذا كان الموضوع يتكون من عدة مقالات اقترح عليك تحديد رقم المقالات … مثلا اذا كان هناك اربع مقالات عن الدماغ البشري فيكون بجانب العنوان 1 من 4 او 1\4 وهكذا حتى يسهل علي الزائر الجديد متابعة الموضوع وشكرا

    • المشكلة أنني لا أعرف كم هو العدد النهائي للمقالات… أنا عندما فكرت في كتابة هذا الموضوع كنت أظن أنه سيكون مجرد مقال واحد… ولكنني بعد أن بدأت الكتابة أدركت (كالعادة) أن مقالا واحدا لا يكفي…

      من الآن فصاعدا سأضع علامة في نهاية كل موضوع متسلسل توضح أنه انتهى ولم يبق هناك أجزاء أخرى…

      • أنا كتبت أكثر من ألف تدوينة سياسية… وبصراحة لم يعد لدي جديد… ما يجري على الصعيد السياسي هو بالنسبة لي شيء مقرف ولا يستحق إضاعة المزيد من وقتي في الحديث عنه… لدي الكثير من المواضيع المفيدة التي أريد الحديث عنها…

        ربما أعود في المستقبل للحديث في السياسة… ولكن حاليا ليس لدي شيء جديد لكي أقوله…

اترك رد

إملأ الحقول أدناه بالمعلومات المناسبة أو إضغط على إحدى الأيقونات لتسجيل الدخول:

شعار وردبرس.كوم

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   /  تغيير )

Google+ photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google+. تسجيل خروج   /  تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   /  تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   /  تغيير )

Connecting to %s