Reageren

Spieren, gewrichten en beweging

Een skeletspier is met pezen verbonden aan botten. Als de spier verkort, trekt zij aan een bot en ontstaat beweging rond een gewricht. Een spier kan actief trekken, maar niet duwen. Voor tegengestelde bewegingen werken daarom antagonisten samen, zoals een buigspier en een strekspier. Het skelet vormt een hefboom; de plaats van de aanhechting beïnvloedt de benodigde kracht.

Spiervezels bevatten actine- en myosinefilamenten. Door cyclische binding en loslating schuiven de filamenten langs elkaar. De filamenten zelf worden niet korter. Een zenuwsignaal activeert de spiervezel; calcium maakt de bindingsplaatsen beschikbaar en ATP is nodig voor de cyclus en het herstel van de calciumverdeling. Meer kracht ontstaat onder meer door meer motorische eenheden tegelijk te activeren.

Skeletspieren worden aangestuurd via motorische neuronen. Glad spierweefsel zit bijvoorbeeld in de darmwand en werkt grotendeels onbewust; hartspierweefsel heeft een eigen ritmische activiteit. Bij inspanning nemen ATP-verbruik en warmteproductie toe. Bloedsomloop, ventilatie en temperatuurregeling moeten daardoor samen reageren. Spiervermoeidheid heeft meerdere oorzaken; lactaat is geen verklaring voor alle vermoeidheid of voor spierpijn dagen later.

Van prikkel naar waarneming

Waarnemen verloopt in drie stappen die vaak door elkaar worden gehaald. Eerst is er receptie: een zintuigreceptor vangt een prikkel op. Elke receptor is op één soort prikkel gebouwd — licht, druk, warmte, een opgelost molecuul — en reageert nauwelijks op de rest.

Dan volgt de sensorische transductie: de prikkel wordt omgezet in een verandering van het membraanpotentiaal, de receptorpotentiaal. Is die groot genoeg om de prikkeldrempel te halen, dan vertrekken er impulsen naar het centrale zenuwstelsel. Een sterkere prikkel levert geen sterkere impuls op, maar meer impulsen per seconde.

De waarneming zelf ontstaat pas in de hersenen. Wat je ervaart hangt daarom niet alleen af van de prikkel, maar ook van aandacht en ervaring. Hoe fijn je kunt onderscheiden, hangt samen met de grootte van de receptieve velden: kleine velden dicht opeen geven een scherp beeld.

Het oog en het zien

Het licht wordt eerst gebroken door het hoornvlies, dat een vaste kromming heeft. Daarna valt het door de pupil, de opening die de iris met twee groepen spiertjes wijder of nauwer maakt. De ooglens doet de fijnafstemming: door van vorm te veranderen stelt het oog scherp op dichtbij of ver weg.

Op het netvlies ontstaat een omgekeerd beeld. Staafjes werken al bij weinig licht maar zien geen kleur — vandaar dat je 's nachts in grijstinten kijkt; hun pigment rodopsine valt door licht uiteen en moet in het donker weer worden opgebouwd. Kegeltjes hebben meer licht nodig en onderscheiden wel kleur. In de gele vlek liggen ze het dichtst opeen, en daar is het beeld dus het scherpst. Bipolaire cellen bundelen de signalen richting de oogzenuw.

Klopt de lengte van de oogbol niet, dan ontstaat bijziendheid of verziendheid; wordt de lens met de jaren stugger, dan ouderdomsverziendheid.

Bouw van het zenuwstelsel

Het zenuwstelsel valt in twee delen uiteen. Het centrale zenuwstelsel is hersenen plus ruggenmerg; het perifere bestaat uit alle zenuwen daarbuiten, die de verbinding maken met receptoren, spieren en klieren.

De grote hersenen hebben een sterk geplooide schors met centra die elk hun eigen taak hebben: zien, horen, gevoel, spraak, beweging. De kleine hersenen stemmen bewegingen op elkaar af en bewaken evenwicht en houding. De hersenstam regelt ademhaling, hartslag en bloeddruk, en het ruggenmerg geeft signalen door en handelt eenvoudige reacties zelf af.

Waar veel cellichamen bij elkaar liggen is het weefsel grijs, waar uitlopers met myeline lopen wit. Daarnaast is er een indeling naar functie: het animale deel stuurt bewust de skeletspieren aan, het autonome deel regelt de organen buiten je wil om. Binnen dat autonome deel zet het orthosympatische zenuwstelsel het lichaam klaar voor inspanning.

Van prikkel naar reactie

Een prikkel is een verandering die een receptor kan opmerken, en elke receptor is gevoelig voor één soort: een temperatuurreceptor voor warmte of kou, een lichtreceptor voor licht, een tastreceptor voor druk en aanraking, een pijnzenuw voor beschadiging.

Is de prikkel sterk genoeg, dan ontstaat er een impuls. Die is altijd even sterk; hoe krachtiger de prikkel, hoe hoger de frequentie en hoe meer zenuwcellen meedoen.

De route ligt vast. Een sensorisch neuron brengt de impuls naar het centrale zenuwstelsel, schakelneuronen verwerken hem daar, en een motorisch neuron brengt de opdracht naar een spier of klier. De uitlopers zijn vaak omwikkeld door cellen van Schwann, die samen de myelineschede vormen; door de insnoeringen daarin springt de impuls vooruit en gaat hij veel sneller. Het parasympatische deel stuurt intussen alles aan wat met rust te maken heeft.

Regelkringen en reflexen

Een regelkring meet, vergelijkt en stuurt bij. Een receptor levert de waarde, een centrum vergelijkt die met de norm en een effector corrigeert het verschil. Het resultaat komt weer bij de receptor terecht, en daarmee is de kring rond.

De reflexboog is daarvan de kortste uitvoering. De impuls loopt van receptor via een sensorisch neuron naar het ruggenmerg of de hersenstam, bij bijvoorbeeld een terugtrekreflex via schakelneuronen naar een motorisch neuron, en meteen terug naar de spier. Voor het op gang brengen van deze reflex is bewuste verwerking in de grote hersenen niet nodig. Bij een rekreflex kan het sensorische neuron ook rechtstreeks een motorisch neuron activeren: je hand is al teruggetrokken voordat je de pijn voelt.

Wat er in zo'n schakeling gebeurt, hangt af van de binnenkomende signalen. Exciterende signalen brengen de volgende cel dichter bij haar prikkeldrempel, inhiberende juist verder ervandaan. De cel telt alles bij elkaar op en vuurt pas als het saldo de drempel haalt.

Impulsen en overdracht tussen zenuwcellen

Een zenuwcel onderhoudt verschillen in ionenconcentratie tussen binnen- en buitenkant van het membraan. In rust is de binnenkant negatief ten opzichte van buiten. Als een prikkel de drempel bereikt, ontstaat een actiepotentiaal: een korte verandering van de membraanspanning die zich langs het axon voortplant. Een sterkere prikkel geeft geen grotere actiepotentialen, maar kan de impulsfrequentie en het aantal actieve neuronen verhogen.

Myeline isoleert delen van het axon. De actiepotentiaal wordt bij de insnoeringen opnieuw opgewekt, waardoor geleiding sneller verloopt. Na een actiepotentiaal volgt een korte refractaire periode waarin de cel niet meteen opnieuw op dezelfde manier reageert.

Bij een chemische synaps leidt aankomst van impulsen tot afgifte van neurotransmitter. Die bindt aan receptoren van de volgende cel. Afhankelijk van neurotransmitter en receptor kan de volgende cel gemakkelijker of juist moeilijker haar drempel bereiken. De combinatie van stimulerende en remmende signalen bepaalt of zij impulsen maakt.

Een reflex verloopt via een vaste schakeling zonder dat je eerst bewust hoeft te beslissen. Sensorische neuronen voeren informatie aan; motorische neuronen sturen een effector aan. Bij een terugtrekreflex verwerken schakelneuronen de signalen. Signalen kunnen daarnaast de hersenen bereiken, zodat je de prikkel bewust opmerkt. Onderscheid bij een vraag elektrische geleiding langs één zenuwcel van chemische overdracht tussen twee cellen.

Homeostase: wie regelt wat

Homeostase is het constant houden van het inwendig milieu — het bloedplasma, de weefselvloeistof en de lymfe rondom je cellen — terwijl het uitwendig milieu alle kanten op schommelt. Wat constant moet blijven: temperatuur, pH, osmotische waarde, glucosegehalte en de gehalten aan zuurstof en koolstofdioxide.

Twee stelsels doen het werk, en ze vullen elkaar aan. Het zenuwstelsel meet met zintuigen en receptoren en stuurt in milliseconden bij, maar kortdurend. Het hormoonstelsel gebruikt het bloed als postbode: trager, maar het effect houdt lang aan.

De uitvoerders zijn organen. De longen regelen de gaswisseling, de nieren water en zouten, de lever de glucose en de afbraak van aminozuren, en de huid de warmteafgifte.

Bouw en functie van de regelende organen

Elk orgaan is gebouwd voor zijn rol in de homeostase. De nier heeft haarvatenkluwens onder hoge druk voor de filtratie en lange buisjes om terug te halen wat bruikbaar is; daarmee stelt hij de waterhuishouding en de osmotische waarde bij.

Het bloed heeft zijn eigen buffer: hemoglobine en waterstofcarbonaat vangen vrijkomende waterstofionen op, zodat de pH nauwelijks verschuift als de koolstofdioxidedruk stijgt.

Meten gebeurt met receptoren op de juiste plek. Chemische receptoren volgen de samenstelling van het bloed — pCO2, pO2, pH, glucoseconcentratie — en drukreceptoren in de aortawand meten de bloeddruk. Zonder die metingen valt er niets bij te sturen.

De regelkring

Elke regeling heeft dezelfde vorm: een receptor meet, een regelcentrum vergelijkt de meting met de norm, en een effector stelt bij. Het effect komt via de receptor weer terug bij het begin — vandaar kring.

Bij negatieve terugkoppeling remt het effect de oorzaak, zodat de waarde terugveert naar de norm. Zo werkt vrijwel alle homeostase: het glucosegehalte, de temperatuur, de ademhaling.

Positieve terugkoppeling doet het omgekeerde: het effect versterkt de oorzaak en het proces jaagt zichzelf op. Dat is zeldzaam en altijd tijdelijk, want er moet een duidelijk eindpunt zijn — weeën die eindigen bij de geboorte, of een bloedstolsel dat af is.

Verstoring van het evenwicht

Een dynamisch evenwicht is geen stilstand: de waarde schommelt voortdurend, maar aanvoer en afvoer houden elkaar gemiddeld in balans.

Dat evenwicht raakt verstoord als één schakel van de regelkring uitvalt. Meet de receptor niet meer, ontbreekt het hormoon, of reageert het doelwitorgaan niet — bijvoorbeeld doordat de receptor ongevoelig is geworden — dan loopt de waarde weg. Tegengaan kan door de ontbrekende schakel aan te vullen of door de belasting te verlagen; bij welke van de twee dat het meest oplevert, moet je kijken waar de kring precies breekt.

Hoe een hormonale regelkring werkt

Een hormoon is een signaalstof die endocrien wordt afgegeven: rechtstreeks aan het bloed, zonder afvoerbuis. Dat is het verschil met exocriene afgifte, waarbij het product via een buis naar een holte of naar buiten gaat.

Het hormoon komt overal, maar werkt alleen waar cellen de bijbehorende hormoonreceptor hebben — het doelwitorgaan. De reactie hangt onder meer af van hormoonconcentratie, aantal en gevoeligheid van receptoren en de toestand van de doelwitcel.

Vaak zit er een keten voor: de hypothalamus geeft een releasing hormoon af, de hypofyse reageert met een eigen hormoon, en pas de klier daaronder levert het hormoon dat het werk doet. Het eindproduct remt de stappen erboven weer af — negatieve terugkoppeling over drie niveaus.

De hormoonklieren en hun hormonen

De hypothalamus koppelt zenuwstelsel aan hormoonstelsel; de hypofyse eronder is de stuurklier die schildklier, bijnier en geslachtsklieren aanzet.

Daaronder zit de rest, elk met een eigen taak. De schildklier regelt met schildklierhormoon de snelheid van de stofwisseling. Het bijniermerg levert adrenaline, dat het lichaam in één keer klaarzet voor inspanning. De eilandjes van Langerhans in de alvleesklier houden met insuline en glucagon het bloedsuikergehalte tussen nauwe grenzen. De nier geeft bij zuurstoftekort EPO af, waarop het beenmerg meer rode bloedcellen maakt. Eierstok en teelbal leveren de geslachtshormonen, en het verteringskanaal zijn eigen verteringshormonen.

Waar het hormoon aangrijpt hangt af van zijn bouw: op een receptor in het celmembraan, of op een receptor binnen in de cel.