Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Cung phản xạ và tốc độ dẫn truyền xung thần kinh
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em ước lượng được thời gian tối thiểu của một phản xạ bằng cách kết hợp quãng đường xung thần kinh phải đi qua cung phản xạ với tốc độ dẫn truyền của loại sợi thần kinh tham gia — thay vì chỉ liệt kê năm khâu của cung phản xạ như ở chương trình chuẩn.
Cần nhớ trước
Em cần nhớ lại năm khâu của một cung phản xạ (thụ thể → dây hướng tâm → trung khu thần kinh → dây li tâm → cơ quan đáp ứng), khái niệm nơ-ron và xináp, và công thức liên hệ quãng đường — tốc độ — thời gian: quãng đường bằng tốc độ nhân thời gian.
**So với mức chuẩn:** ở mức chuẩn, em học và trình bày lại đúng năm khâu của cung phản xạ, chẳng hạn giải thích vì sao rụt tay lại khi chạm vật nóng. Đề HSG hỏi khác hẳn: cho tốc độ dẫn truyền và một quãng đường cụ thể, em phải tính ra được phản xạ đó nhanh cỡ nào — tính bằng mili giây — rồi so con số tính được với số liệu đo thật để giải thích phần chênh lệch.
Bài toán mở đầu — cung phản xạ nhanh đến mức nào
Chạm tay vào vật nóng, tay rụt lại gần như ngay lập tức — nhanh đến mức em rụt tay trước cả khi kịp cảm thấy đau. Nhưng "gần như ngay lập tức" là bao nhiêu mili giây? Sách giáo khoa liệt kê đúng năm khâu của cung phản xạ nhưng không nói tới đại lượng thời gian. Muốn trả lời bằng số, em cần biết hai thứ: xung thần kinh trong cung phản xạ đó đi qua quãng đường bao xa, và nó truyền đi với tốc độ bao nhiêu.
Ý tưởng cốt lõi — quãng đường chia cho tốc độ, cộng thời gian qua xináp
Tốc độ dẫn truyền xung thần kinh không cố định. Sợi trục có bao myelin — một lớp cách điện quấn quanh sợi trục, ngắt quãng ở các eo Ranvier — dẫn truyền theo kiểu "nhảy cóc" từ eo này sang eo kia, nhanh hơn nhiều so với sợi không có bao myelin. Với sợi có bao myelin cỡ lớn, loại tham gia hầu hết các cung phản xạ vận động và cảm giác bản thể, tốc độ có thể đạt 80–120 m/s. Thời gian dẫn truyền trên đoạn dây này tính bằng quãng đường chia cho tốc độ. Nhưng cung phản xạ không chỉ có dây thần kinh — xung còn phải đi qua ít nhất một xináp ở trung khu, và mỗi lần qua xináp luôn mất thêm một khoảng trễ nhỏ, khoảng 0,5–1 mili giây, vì phải chờ chất trung gian hoá học khuếch tán qua khe xináp. Muốn ước lượng đúng, em cộng cả hai phần: thời gian dẫn truyền trên dây thần kinh và thời gian trễ qua xináp.
Mỗi khâu đều tốn thời gian — hai khâu dẫn truyền tốn thời gian theo quãng đường và tốc độ, khâu qua xináp tốn một khoảng trễ gần như cố định.
Ví dụ vận dụng
Ví dụ
Ví dụ 1 — Ước lượng thời gian phản xạ rụt tay khỏi vật nóng
1
Quãng đường từ đầu ngón tay đến tủy sống (theo dây hướng tâm) khoảng 0,9 m, từ tủy sống ra cơ ở cẳng tay (theo dây li tâm) khoảng 0,9 m. Tốc độ dẫn truyền của sợi có bao myelin cỡ lớn khoảng 100 m/s. Giả sử đơn giản hoá cung phản xạ này chỉ qua đúng một xináp, với thời gian trễ khoảng 1 mili giây. Ước lượng thời gian tối thiểu của phản xạ.
2
Đề chuẩn chỉ hỏi kể tên năm khâu của cung phản xạ. Ở đây đề cho bốn đại lượng — hai quãng đường, một tốc độ, một thời gian trễ — và đòi hỏi tính ra một con số thời gian cụ thể.
3
Tổng thời gian phản xạ bằng thời gian dẫn truyền trên dây hướng tâm, cộng thời gian dẫn truyền trên dây li tâm, cộng thời gian trễ qua xináp.
4
Tổng quãng đường dẫn truyền: 0,9 m + 0,9 m = 1,8 m. Thời gian dẫn truyền: 1,8 m ÷ 100 m/s = 0,018 giây, tức 18 mili giây. Cộng thời gian trễ xináp 1 mili giây: 18 + 1 = 19 mili giây.
5
Nhiều tài liệu sinh lý học ghi nhận phản xạ tủy sống đơn giản, như phản xạ gân xương, thường có thời gian dưới 50 mili giây. Kết quả 19 mili giây cùng bậc độ lớn với khoảng đó — chênh lệch còn lại có thể đến từ việc quãng đường và tốc độ thực tế của từng người không giống hệt số liệu giả định trong đề.
6
Công thức này dùng được cho mọi cung phản xạ đơn giản: cộng thời gian dẫn truyền (quãng đường chia tốc độ) trên từng đoạn dây thần kinh, rồi cộng thời gian trễ ở mỗi xináp mà xung phải đi qua.
7
Ta có tổng quãng đường dẫn truyền là 0,9 m + 0,9 m = 1,8 m. Theo tốc độ dẫn truyền của sợi có bao myelin, thời gian dẫn truyền là 1,8 ÷ 100 = 0,018 giây, tức 18 mili giây. Cộng thời gian trễ qua một xináp — theo cơ chế truyền tin bằng chất trung gian hoá học tại khe xináp — khoảng 1 mili giây, được tổng thời gian ước lượng 18 + 1 = 19 mili giây. Vậy thời gian tối thiểu của phản xạ rụt tay khỏi vật nóng khoảng 19 mili giây, cùng bậc độ lớn với khoảng dưới 50 mili giây thường ghi nhận ở các phản xạ tủy sống đơn giản.
Ví dụ
Ví dụ 2 — Khoảng tốc độ dẫn truyền khác nhau giữa hai người
1
Hai học sinh có cùng quãng đường cung phản xạ như Ví dụ 1 (1,8 m, một xináp, trễ 1 mili giây), nhưng tốc độ dẫn truyền dao động trong khoảng 60–120 m/s tùy mức độ myelin hoá của từng người — myelin hoá hoàn thiện dần theo tuổi. Tìm khoảng thời gian phản xạ có thể có.
2
Đề cho một khoảng tốc độ thay vì một giá trị. Tính thời gian ở hai đầu mút của khoảng tốc độ để tìm khoảng thời gian tương ứng — tốc độ càng lớn thì thời gian dẫn truyền càng nhỏ, đây là quan hệ nghịch biến.
3
Với v = 120 m/s: t = 1,8 ÷ 120 = 0,015 giây = 15 mili giây, cộng trễ xináp: 16 mili giây. Với v = 60 m/s: t = 1,8 ÷ 60 = 0,03 giây = 30 mili giây, cộng trễ xináp: 31 mili giây.
4
Khoảng thời gian phản xạ nằm trong 16–31 mili giây. Tốc độ dẫn truyền càng thấp — như ở trẻ nhỏ, khi myelin hoá chưa hoàn thiện — thì phản xạ càng chậm. Đây chính là lý do trẻ sơ sinh có phản xạ chậm hơn người trưởng thành, dù cấu trúc cung phản xạ về cơ bản đã đầy đủ.
5
Vì tốc độ và thời gian dẫn truyền tỉ lệ nghịch khi quãng đường không đổi, thời gian nhỏ nhất ứng với tốc độ lớn nhất. Với v = 120 m/s: t = 1,8 ÷ 120 = 15 mili giây, cộng trễ xináp được 16 mili giây. Với v = 60 m/s: t = 1,8 ÷ 60 = 30 mili giây, cộng trễ xináp được 31 mili giây. Vậy thời gian phản xạ ước lượng được nằm trong khoảng từ 16 đến 31 mili giây, tùy mức độ myelin hoá của người được đo.
Ví dụ
Ví dụ 3 — Khi giả thiết "một xináp" của Ví dụ 1 không còn đúng
1
Ví dụ 1 giả sử đơn giản hoá cung phản xạ rút tay chỉ qua một xináp. Thực tế, phản xạ rút tay (phản xạ gấp) thường có thêm một nơ-ron trung gian để đồng thời gửi tín hiệu ức chế tới cơ đối kháng, cho phép tay co lại mà không bị chính cơ duỗi cản trở — nên xung phải qua hai xináp thay vì một. Trong khi đó, phản xạ đầu gối (phản xạ duỗi, khi gõ vào gân bánh chè) là phản xạ đơn xináp thật sự: dây hướng tâm nối thẳng với nơ-ron vận động, chỉ qua một xináp. Với cùng quãng đường và tốc độ dẫn truyền như Ví dụ 1, tính lại thời gian phản xạ rút tay theo giả thiết hai xináp, và so sánh với thời gian phản xạ đầu gối.
2
Đề chuẩn coi mọi phản xạ tủy sống như nhau. Ở đây đề đòi hỏi phân biệt số xináp thực tế của từng loại phản xạ, và định lượng phần sai số do một giả thiết đơn giản hoá trước đó gây ra.
3
Thời gian dẫn truyền trên dây thần kinh không đổi (vẫn 18 mili giây, vì quãng đường và tốc độ giữ nguyên). Chỉ có phần trễ xináp thay đổi theo số xináp thực tế của mỗi loại phản xạ.
Giả thiết đơn giản hoá "một xináp" trong Ví dụ 1 làm tròn thấp thời gian thực của phản xạ rút tay đi đúng bằng số xináp bị bỏ sót nhân với thời gian trễ mỗi xináp. Ở đây sai số chỉ 1 mili giây, nhưng với cung phản xạ phức tạp hơn — nhiều nơ-ron trung gian phối hợp nhiều nhóm cơ — sai số do bỏ qua xináp có thể cộng dồn thành một phần đáng kể của tổng thời gian.
6
Ta có thời gian dẫn truyền của cả hai phản xạ đều là 18 mili giây, vì quãng đường và tốc độ không đổi so với Ví dụ 1. Phản xạ đầu gối chỉ qua một xináp nên thời gian trễ là 1 mili giây, tổng 18 + 1 = 19 mili giây. Phản xạ rút tay qua hai xináp — do có thêm nơ-ron trung gian điều khiển cơ đối kháng — nên trễ 2 mili giây, tổng 18 + 2 = 20 mili giây. Vậy phản xạ rút tay chậm hơn phản xạ đầu gối khoảng 1 mili giây, và con số 19 mili giây ở Ví dụ 1 là ước lượng hơi thấp do đã đơn giản hoá số xináp.
Bẫy thường gặp
Ba lỗi hay gặp: quên đổi đơn vị giây sang mili giây (1 giây = 1000 mili giây) khi so sánh với số liệu đo thực tế; cộng nhầm thời gian trễ xináp vào tốc độ thay vì cộng vào thời gian; và nghĩ rằng cung phản xạ có quãng đường xa hơn (ví dụ từ chân) luôn chậm hơn cung phản xạ ở tay — thực ra thời gian còn phụ thuộc tốc độ dẫn truyền và số xináp, không chỉ quãng đường.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Thử thách
Tóm tắt
Thời gian của một phản xạ tủy sống bằng tổng thời gian dẫn truyền trên các đoạn dây thần kinh (quãng đường chia tốc độ) cộng với thời gian trễ ở mỗi xináp mà xung phải đi qua. Tốc độ dẫn truyền phụ thuộc mức độ myelin hoá của sợi trục; số xináp phụ thuộc độ phức tạp của cung phản xạ. Hai đại lượng này, chứ không chỉ quãng đường, quyết định một phản xạ nhanh hay chậm.
Bài sau giữ nguyên bối cảnh thời gian phản ứng, nhưng chuyển sang loại phản ứng phải qua não bộ xử lí — thời gian ở đây vẫn phụ thuộc dẫn truyền và xináp như cũ, nhưng có thêm cả công đoạn não nhận dạng và ra quyết định.
So với mức chuẩn: ở mức chuẩn, em học và trình bày lại đúng năm khâu của cung phản xạ, chẳng hạn giải thích vì sao rụt tay lại khi chạm vật nóng. Đề HSG hỏi khác hẳn: cho tốc độ dẫn truyền và một quãng đường cụ thể, em phải tính ra được phản xạ đó nhanh cỡ nào — tính bằng mili giây — rồi so con số tính được với số liệu đo thật để giải thích phần chênh lệch.
Chạm tay vào vật nóng, tay rụt lại gần như ngay lập tức — nhanh đến mức em rụt tay trước cả khi kịp cảm thấy đau. Nhưng "gần như ngay lập tức" là bao nhiêu mili giây? Sách giáo khoa liệt kê đúng năm khâu của cung phản xạ nhưng không nói tới đại lượng thời gian. Muốn trả lời bằng số, em cần biết hai thứ: xung thần kinh trong cung phản xạ đó đi qua quãng đường bao xa, và nó truyền đi với tốc độ bao nhiêu.
Tốc độ dẫn truyền xung thần kinh không cố định. Sợi trục có bao myelin — một lớp cách điện quấn quanh sợi trục, ngắt quãng ở các eo Ranvier — dẫn truyền theo kiểu "nhảy cóc" từ eo này sang eo kia, nhanh hơn nhiều so với sợi không có bao myelin. Với sợi có bao myelin cỡ lớn, loại tham gia hầu hết các cung phản xạ vận động và cảm giác bản thể, tốc độ có thể đạt 80–120 m/s. Thời gian dẫn truyền trên đoạn dây này tính bằng quãng đường chia cho tốc độ. Nhưng cung phản xạ không chỉ có dây thần kinh — xung còn phải đi qua ít nhất một xináp ở trung khu, và mỗi lần qua xináp luôn mất thêm một khoảng trễ nhỏ, khoảng 0,5–1 mili giây, vì phải chờ chất trung gian hoá học khuếch tán qua khe xináp. Muốn ước lượng đúng, em cộng cả hai phần: thời gian dẫn truyền trên dây thần kinh và thời gian trễ qua xináp.
Ta có tổng quãng đường dẫn truyền là 0,9 m + 0,9 m = 1,8 m. Theo tốc độ dẫn truyền của sợi có bao myelin, thời gian dẫn truyền là 1,8 ÷ 100 = 0,018 giây, tức 18 mili giây. Cộng thời gian trễ qua một xináp — theo cơ chế truyền tin bằng chất trung gian hoá học tại khe xináp — khoảng 1 mili giây, được tổng thời gian ước lượng 18 + 1 = 19 mili giây. Vậy thời gian tối thiểu của phản xạ rụt tay khỏi vật nóng khoảng 19 mili giây, cùng bậc độ lớn với khoảng dưới 50 mili giây thường ghi nhận ở các phản xạ tủy sống đơn giản.
Vì tốc độ và thời gian dẫn truyền tỉ lệ nghịch khi quãng đường không đổi, thời gian nhỏ nhất ứng với tốc độ lớn nhất. Với v = 120 m/s: t = 1,8 ÷ 120 = 15 mili giây, cộng trễ xináp được 16 mili giây. Với v = 60 m/s: t = 1,8 ÷ 60 = 30 mili giây, cộng trễ xináp được 31 mili giây. Vậy thời gian phản xạ ước lượng được nằm trong khoảng từ 16 đến 31 mili giây, tùy mức độ myelin hoá của người được đo.
Ví dụ 1 giả sử đơn giản hoá cung phản xạ rút tay chỉ qua một xináp. Thực tế, phản xạ rút tay (phản xạ gấp) thường có thêm một nơ-ron trung gian để đồng thời gửi tín hiệu ức chế tới cơ đối kháng, cho phép tay co lại mà không bị chính cơ duỗi cản trở — nên xung phải qua hai xináp thay vì một. Trong khi đó, phản xạ đầu gối (phản xạ duỗi, khi gõ vào gân bánh chè) là phản xạ đơn xináp thật sự: dây hướng tâm nối thẳng với nơ-ron vận động, chỉ qua một xináp. Với cùng quãng đường và tốc độ dẫn truyền như Ví dụ 1, tính lại thời gian phản xạ rút tay theo giả thiết hai xináp, và so sánh với thời gian phản xạ đầu gối.
Giả thiết đơn giản hoá "một xináp" trong Ví dụ 1 làm tròn thấp thời gian thực của phản xạ rút tay đi đúng bằng số xináp bị bỏ sót nhân với thời gian trễ mỗi xináp. Ở đây sai số chỉ 1 mili giây, nhưng với cung phản xạ phức tạp hơn — nhiều nơ-ron trung gian phối hợp nhiều nhóm cơ — sai số do bỏ qua xináp có thể cộng dồn thành một phần đáng kể của tổng thời gian.
Ta có thời gian dẫn truyền của cả hai phản xạ đều là 18 mili giây, vì quãng đường và tốc độ không đổi so với Ví dụ 1. Phản xạ đầu gối chỉ qua một xináp nên thời gian trễ là 1 mili giây, tổng 18 + 1 = 19 mili giây. Phản xạ rút tay qua hai xináp — do có thêm nơ-ron trung gian điều khiển cơ đối kháng — nên trễ 2 mili giây, tổng 18 + 2 = 20 mili giây. Vậy phản xạ rút tay chậm hơn phản xạ đầu gối khoảng 1 mili giây, và con số 19 mili giây ở Ví dụ 1 là ước lượng hơi thấp do đã đơn giản hoá số xináp.
Ba lỗi hay gặp: quên đổi đơn vị giây sang mili giây (1 giây = 1000 mili giây) khi so sánh với số liệu đo thực tế; cộng nhầm thời gian trễ xináp vào tốc độ thay vì cộng vào thời gian; và nghĩ rằng cung phản xạ có quãng đường xa hơn (ví dụ từ chân) luôn chậm hơn cung phản xạ ở tay — thực ra thời gian còn phụ thuộc tốc độ dẫn truyền và số xináp, không chỉ quãng đường.
Thời gian của một phản xạ tủy sống bằng tổng thời gian dẫn truyền trên các đoạn dây thần kinh (quãng đường chia tốc độ) cộng với thời gian trễ ở mỗi xináp mà xung phải đi qua. Tốc độ dẫn truyền phụ thuộc mức độ myelin hoá của sợi trục; số xináp phụ thuộc độ phức tạp của cung phản xạ. Hai đại lượng này, chứ không chỉ quãng đường, quyết định một phản xạ nhanh hay chậm.