Beweging en waarneming door het organisme

Het skeletspierstelsel: bewegen met spieren en botten#

Basisexamenblad-nl

Antagonisten bij de elleboog

Afb. 1Buigspier en strekspier vormen bij de elleboog een antagonistisch paar: terwijl de buigspier samentrekt en de arm buigt, ontspant de strekspier — en omgekeerd. Een spier kan immers alleen trekken, dus elke richting vraagt een eigen spier.

Bewegen lijkt vanzelfsprekend, maar het is het resultaat van een nauwkeurig samenspel van skelet en spieren — samen het skeletspierstelsel of bewegingsapparaat genoemd. Het skelet bestaat uit harde, stevige botten die het lichaam zijn vorm geven, de organen beschermen en, even belangrijk, de aanhechtingspunten vormen voor de spieren. Tussen twee botten zit op de plaatsen waar beweging nodig is een gewricht: een beweegbare verbinding waarin het ene bot ten opzichte van het andere kan draaien. De spieren zijn de actieve delen: zij leveren de kracht. Een spier is met pezen — taaie, niet-rekbare bindweefselstrengen — aan de botten vastgemaakt. Doordat een pees vrijwel niet uitrekt, wordt de kracht van de samentrekkende spier rechtstreeks op het bot overgebracht. Het skelet levert dus de stevige onderdelen en de scharnierpunten, en de spieren leveren de beweging; zonder beide samen is er geen gerichte beweging mogelijk.

De kern van het hele onderwerp is één eenvoudig, maar vaak onderschat feit: een spier kan alleen trekken, niet duwen. Als een spier samentrekt, wordt hij korter en dikker, en trekt hij de twee botten waaraan hij vastzit naar elkaar toe. Maar als die spier zich daarna weer ontspant, kan hij de botten niet uit zichzelf terugduwen — hij wordt alleen maar slap. Daardoor is er voor elke beweging in twee richtingen altijd een tweede spier nodig die de tegengestelde beweging maakt. Twee spieren die elkaars beweging ongedaan maken, noemen we een antagonistisch paar of antagonisten. Het bekendste voorbeeld is de elleboog: de buigspier (de bovenarmspier of biceps) buigt de arm door samen te trekken, en de strekspier (de triceps) strekt de arm weer door op haar beurt samen te trekken terwijl de buigspier ontspant. Terwijl de ene spier het werk doet, ontspant de andere; willen ze de arm op één plaats stilhouden, dan spannen ze allebei tegelijk aan. Dit principe — een spier kan alleen trekken, dus beweging in twee richtingen vereist twee spieren — moet je vlot kunnen toepassen op elke gewrichtsbeweging die het examen je voorlegt.

Een gewricht werkt als een hefboom, en dat verklaart waarom we ondanks beperkte spierverkorting toch grote, snelle bewegingen kunnen maken. Bij een hefboom draait een staaf om een vast punt, het draaipunt. Bij de arm is het gewricht (de elleboog) het draaipunt, het bot (de onderarm) de staaf, en de spierkracht grijpt aan op een aanhechtingspunt dicht bij dat draaipunt. Omdat de spier dicht bij het draaipunt aangrijpt en de hand er ver vanaf zit, legt een kleine verkorting van de spier de hand over een grote afstand: het uiteinde van de hefboom beweegt veel verder en sneller dan het aanhechtingspunt. Daar staat tegenover dat je voor diezelfde beweging een grote spierkracht moet leveren — je wint snelheid en afstand, maar je betaalt met kracht. Het lichaam ruilt dus, via de plaats van de spieraanhechting, kracht in voor snelheid en bewegingsruimte. Wie de plaats van de aanhechting kent, kan voorspellen of een gewricht vooral op kracht of op snelheid is gebouwd.

Het glad verlopen van een beweging vraagt méér dan trekkende spieren; ook de gewrichten zelf zijn op soepel bewegen gebouwd. In een gewricht zijn de uiteinden van de botten bekleed met een laagje glad kraakbeen, dat de wrijving vermindert en schokken opvangt. De gewrichtsholte is gevuld met een dun laagje gewrichtssmeer (synoviaalvocht) dat als glijmiddel werkt, en het geheel wordt bijeengehouden door stevige banden (ligamenten) die het gewricht stabiliseren zonder de beweging te blokkeren. Verschillende gewrichten laten verschillende bewegingen toe: een scharniergewricht zoals de elleboog of knie buigt en strekt in één vlak, terwijl een kogelgewricht zoals de schouder of heup in vrijwel alle richtingen kan draaien. De bouw van een gewricht bepaalt dus precies welke bewegingen mogelijk zijn — en het is steeds de combinatie van het scharnierende gewricht en de eraan trekkende antagonisten die samen een gerichte beweging oplevert.

Tot slot is het belangrijk te zien dat een spier nooit op eigen houtje samentrekt: ze doet dat pas op bevel van het zenuwstelsel. Een spier krijgt via een motorisch (bewegings)zenuw een impuls, en pas dat signaal zet de spiercellen aan tot samentrekken. Daarmee staat het skeletspierstelsel niet los van de rest van dit onderwerp, maar vormt het de uitvoerende kant ervan: de zintuigen nemen waar, het zenuwstelsel verwerkt en stuurt, en de spieren voeren uit. In de figuur hiernaast zie je deze uitvoerende keten: een zenuwimpuls laat de spier samentrekken, de samentrekkende spier trekt via de pees aan het bot, en het bot draait om het gewricht, zodat er beweging ontstaat. Houd deze samenhang vast: een spier is een effector — het eindstation van een opdracht die elders in het lichaam is bedacht. De rest van dit onderwerp behandelt hoe die opdracht tot stand komt, van waarneming via impuls tot reflex.

Van impuls tot beweging

Afb. 2De uitvoerende keten van een beweging: een zenuwimpuls laat de spier samentrekken, de spier trekt via de pees aan het bot, en het bot draait om het gewricht (het draaipunt). Zo is de spier het eindstation van een opdracht die elders in het lichaam ontstaat.

Uitgewerkt voorbeeld

Waarom buigen en strekken twee spieren vragen

Leg uit waarom je niet met één enkele spier je arm zowel kunt buigen als strekken. Gebruik in je antwoord de begrippen samentrekken, antagonist en pees.

Stap 1 — Een spier kan alleen trekken
Als een spier samentrekt, wordt hij korter en trekt hij via zijn pezen de twee botten naar elkaar toe. Ontspant de spier weer, dan wordt hij slap; hij kan de botten niet terugduwen. Een spier oefent dus maar in één richting kracht uit.
Stap 2 — De tegengestelde beweging heeft een tweede spier nodig
Om de arm na het buigen weer te strekken, moeten de botten de andere kant op draaien. Omdat de buigspier daar niets aan kan doen (hij kan alleen trekken), is er een tweede spier nodig die juist deze strekkende beweging maakt: de strekspier.
Stap 3 — Buigspier en strekspier zijn antagonisten
De buigspier en de strekspier maken precies elkaars beweging ongedaan en vormen daarom een antagonistisch paar. Buigt de arm, dan trekt de buigspier samen en ontspant de strekspier; strekt de arm, dan is het andersom. Elke spier trekt via haar eigen pees aan het bot.

Resultaat: Resultaat: één spier kan alleen trekken en daarmee maar één richting van de beweging maken. Voor zowel buigen als strekken zijn dus twee spieren nodig die als antagonisten samenwerken — de buigspier en de strekspier — elk via een eigen pees aan de botten verbonden.

Veelgemaakte fouten

Denken dat een spier zowel kan trekken als duwen. Een spier oefent alleen kracht uit door samen te trekken; het terugbewegen gebeurt door de samentrekking van de antagonist, niet door de eerste spier.
Pezen en banden (ligamenten) door elkaar halen. Een pees verbindt een spier met een bot en brengt de spierkracht over; een band verbindt twee botten en houdt het gewricht stabiel.
Vergeten dat een spier alleen samentrekt op bevel van het zenuwstelsel. Een spier is een effector die pas in werking komt na een impuls via een motorisch neuron.

Actieve herhaling

Leg uit waarom je niet met één enkele spier je arm zowel kunt buigen als strekken. Gebruik in je antwoord de begrippen samentrekken, antagonist en pees.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

De bouw en indeling van het zenuwstelsel#

Basisexamenblad-nl

Indeling van het zenuwstelsel

Afb. 3Het zenuwstelsel is in te delen in een centraal deel (hersenen en ruggenmerg) en een perifeer deel (de zenuwen). Het motorische deel splitst in een somatisch (bewust) en een autonoom (onbewust) zenuwstelsel, en het autonome deel weer in een sympathisch en een parasympathisch deel met tegengestelde werking.

Het zenuwstelsel is het communicatie- en besturingssysteem van het lichaam: het neemt informatie op, verwerkt die razendsnel en stuurt opdrachten naar spieren en klieren. Om er overzicht in te houden, delen biologen het in twee grote delen. Het centrale zenuwstelsel bestaat uit de hersenen en het ruggenmerg; hier komt de informatie samen, wordt ze verwerkt en worden de reacties bepaald — het is als het ware het 'hoofdkantoor'. Het perifere zenuwstelsel bestaat uit alle zenuwen daarbuiten, die als kabels het centrale zenuwstelsel met de rest van het lichaam verbinden. De zenuwen vormen dus de aan- en afvoerlijnen, en de hersenen en het ruggenmerg het verwerkingscentrum. In de figuur hiernaast zie je deze indeling als een vertakkend schema; het loont om die structuur in je hoofd te hebben, want het examen vraagt geregeld waar in deze indeling een bepaald proces thuishoort.

Binnen het perifere zenuwstelsel lopen de signalen in twee richtingen, en dat onderscheid is voor het hele onderwerp belangrijk. De sensorische (gevoels)zenuwen voeren informatie áán: ze brengen impulsen van de zintuigen naar het centrale zenuwstelsel toe. De motorische (bewegings)zenuwen voeren opdrachten áf: ze brengen impulsen van het centrale zenuwstelsel naar de effectoren — de spieren en klieren die de reactie uitvoeren. Een handige ezelsbrug: sensorisch is 'naar binnen, ter waarneming', motorisch is 'naar buiten, ter uitvoering'. Vrijwel elke reactie van het lichaam laat zich met deze twee richtingen beschrijven: eerst een sensorisch signaal naar het centrum, daar de verwerking, en dan een motorisch signaal naar de effector. Wie deze volgorde scherp heeft, kan elke prikkel-reactieketen netjes uit elkaar trekken.

Het motorische deel van het zenuwstelsel valt op zijn beurt weer uiteen in twee delen, naargelang we onze handelingen wel of niet bewust sturen. Het somatische (willekeurige) zenuwstelsel stuurt de skeletspieren aan en staat onder bewuste controle: je beslist zelf om je hand op te tillen of te gaan lopen. Het autonome (onwillekeurige) zenuwstelsel regelt daarentegen de processen die je niet bewust hoeft te sturen en meestal ook niet kúnt sturen: de hartslag, de ademhaling, de spijsvertering, de wijdte van de pupil. Juist doordat dit autonome deel het werk 'op de achtergrond' doet, blijven je organen goed afgestemd op de situatie zonder dat je er steeds aan hoeft te denken. Het onderscheid bewust (somatisch) versus onbewust (autonoom) is precies wat het examen toetst wanneer het vraagt of een reactie wel of niet onder je wil staat.

Het autonome zenuwstelsel werkt zelf weer met een tegenstelling, en die past mooi bij het antagonistenprincipe uit de vorige paragraaf. Het bestaat uit twee delen met tegengestelde werking. Het sympathische deel maakt het lichaam klaar voor actie en inspanning — de 'vecht-of-vlucht'-stand: het versnelt de hartslag en de ademhaling, verwijdt de pupillen en remt tegelijk de spijsvertering, die op zo'n moment niet nodig is. Het parasympathische deel doet juist het omgekeerde en zorgt voor rust en herstel — de 'rust-en-verteer'-stand: het vertraagt de hartslag, maakt de ademhaling rustiger, vernauwt de pupillen en stimuleert de spijsvertering. De twee delen werken dus als tegenspelers op dezelfde organen, en het evenwicht tussen beide bepaalt in welke toestand het lichaam verkeert. De tabel hiernaast zet de tegengestelde effecten naast elkaar, zodat je per orgaan in één oogopslag ziet wat elk deel doet.

Hoe je het systeem ook indeelt, alle informatie loopt uiteindelijk over dezelfde bouwsteen: de zenuwcel of neuron. Een zenuw is in feite een bundel van veel van zulke zenuwcellen, net zoals een kabel uit veel afzonderlijke draden bestaat. Het is goed om de indeling van dit onderdeel te verbinden met wat er over de afzonderlijke zenuwcel komt: de sensorische en motorische zenuwen die we hier hebben benoemd, zijn opgebouwd uit sensorische en motorische neuronen, en in het centrale zenuwstelsel zorgen schakelneuronen (interneuronen) voor de verbinding daartussen. Houd daarom bij dit onderwerp twee niveaus uit elkaar: het grote bouwwerk van het zenuwstelsel — centraal en perifeer, sensorisch en motorisch, somatisch en autonoom — en de afzonderlijke zenuwcel die het signaal daadwerkelijk geleidt. De volgende paragraaf zoomt in op die zenuwcel en laat zien hoe een prikkel als impuls over zo'n cel reist.

Sympathisch versus parasympathisch

Afb. 4Het sympathische en het parasympathische deel van het autonome zenuwstelsel hebben tegengestelde effecten op dezelfde organen: het sympathische deel zet aan tot actie (sneller, wijder), het parasympathische deel tot rust en herstel (langzamer, nauwer).

Uitgewerkt voorbeeld

Schrikken: welk deel van het autonome zenuwstelsel?

Iemand schrikt hevig. Het hart gaat sneller kloppen, de ademhaling versnelt en de pupillen worden wijder. Leg uit welk deel van het autonome zenuwstelsel hier actief is en waarom deze reacties bij elkaar passen.

Stap 1 — Bewust of onbewust?
Een snellere hartslag, snellere ademhaling en wijdere pupillen zijn processen die je niet met je wil aanstuurt. Ze worden geregeld door het autonome (onwillekeurige) zenuwstelsel, niet door het somatische deel.
Stap 2 — Welke stand: actie of rust?
Alle genoemde reacties maken het lichaam klaar voor inspanning: een sneller kloppend hart en snellere ademhaling leveren meer zuurstof aan de spieren, en wijdere pupillen laten meer licht binnen om de omgeving scherp te zien. Dit is de 'vecht-of-vlucht'-toestand.
Stap 3 — Het sympathische deel
Die actiestand wordt verzorgd door het sympathische deel van het autonome zenuwstelsel. Het parasympathische deel zou juist het omgekeerde doen (hart langzamer, pupillen nauwer), wat niet past bij schrikken.

Resultaat: Resultaat: het sympathische deel van het autonome zenuwstelsel is actief. De reacties passen bij elkaar omdat ze samen het lichaam klaarmaken voor snelle actie — meer zuurstof naar de spieren en beter zicht — precies de 'vecht-of-vlucht'-respons.

Veelgemaakte fouten

Sensorisch en motorisch verwisselen. Sensorische zenuwen voeren impulsen van de zintuigen náár het centrale zenuwstelsel; motorische zenuwen voeren impulsen daarvandaan náár de effectoren (spieren en klieren).
Het ruggenmerg bij het perifere zenuwstelsel rekenen. Het ruggenmerg hoort samen met de hersenen tot het centrale zenuwstelsel; alleen de zenuwen erbuiten vormen het perifere deel.
Sympathisch en parasympathisch als samenwerkend in plaats van tegengesteld zien. Ze hebben juist tegengestelde effecten: het sympathische deel zet aan tot actie, het parasympathische deel tot rust en herstel.

Actieve herhaling

Iemand schrikt hevig. Het hart gaat sneller kloppen, de ademhaling versnelt en de pupillen worden wijder. Leg uit welk deel van het autonome zenuwstelsel hier actief is en waarom deze reacties bij elkaar passen.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

De zenuwcel en de geleiding van een impuls#

Standardexamenblad-nl

Bouw van een zenuwcel

Afb. 5Een zenuwcel (neuron) bestaat uit een cellichaam met kern, ontvangende dendrieten en een lange axon die de impuls van het cellichaam af voert. De impuls loopt in één richting (dendriet → cellichaam → axon) naar de synaps, waar het neuron contact maakt met de volgende cel.

De bouwsteen van het hele zenuwstelsel is de zenuwcel of neuron, en haar vorm verraadt meteen haar functie: het over grote afstand doorgeven van signalen. Een neuron heeft een cellichaam met de celkern, waaruit twee soorten uitlopers steken. De dendrieten zijn korte, vaak sterk vertakte uitlopers die prikkels of impulsen ontvangen en naar het cellichaam toe leiden. De axon (of neuriet) is meestal één lange uitloper die de impuls juist van het cellichaam af voert, naar de volgende cel. Veel axonen zijn omgeven door een myelineschede, een isolerend laagje dat de impuls sneller laat verlopen. De informatie loopt zo altijd in één richting door de cel: dendriet → cellichaam → axon. In de figuur hiernaast zie je deze onderdelen bij elkaar; het cellichaam met de kern, de lange axon en aan het uiteinde de synaps waarmee het neuron contact maakt met de volgende cel.

Wat er precies over de axon reist, is geen stofje maar een elektrisch signaal: de impuls. Om te begrijpen hoe dat ontstaat, moet je eerst de rusttoestand kennen. Een zenuwcel die geen signaal doorgeeft, is toch niet 'leeg': er bestaat een spanningsverschil over het celmembraan, met de binnenkant negatief geladen ten opzichte van de buitenkant. Dit verschil heet de rustpotentiaal en bedraagt ongeveer

-70

mV. Het wordt in stand gehouden doordat er ongelijke hoeveelheden geladen deeltjes (ionen) aan weerszijden van het membraan zitten, met name natrium- en kaliumionen, die door pompen en kanalen in het membraan op hun plaats worden gehouden. Je kunt de rustpotentiaal zien als een 'geladen accu' die klaarstaat: het membraan is gepolariseerd en wacht op een prikkel die sterk genoeg is om het in actie te brengen.

Wordt het neuron geprikkeld en is die prikkel groot genoeg, dan slaat de rusttoestand plaatselijk om in een actiepotentiaal — de eigenlijke impuls. De prikkel moet daarvoor wel een drempelwaarde (van ongeveer

-55

mV) overschrijden; is hij te zwak, dan gebeurt er niets. Wordt de drempel wél gehaald, dan stromen er heel even positieve natriumionen naar binnen, zodat de binnenkant van de cel op die plek juist positief wordt: het membraan depolariseert en de spanning schiet omhoog tot ongeveer

+30

mV. Direct daarna herstelt de cel zich: kaliumionen verlaten de cel, de spanning daalt weer (repolarisatie), schiet kort iets door onder de rustwaarde, en keert dan terug naar de rustpotentiaal. Dit hele verloop duurt maar een paar duizendste van een seconde. Belangrijk is het alles-of-niets-principe: een prikkel boven de drempel geeft altijd een volledige actiepotentiaal van dezelfde grootte, en een prikkel eronder geeft er geen — een sterkere prikkel maakt de impuls niet groter, maar zorgt voor méér impulsen achter elkaar. De grafiek hiernaast toont het kenmerkende verloop van de membraanpotentiaal: van rust via de drempel naar de piek en weer terug.

Een actiepotentiaal op één plek blijft niet staan, maar plant zich voort: het prikkelt het stukje membraan ernaast, dat op zijn beurt depolariseert, enzovoort, zodat de impuls als een golf langs de hele axon loopt. Bij gemyeliniseerde axonen gaat dit extra snel doordat de impuls van de ene onderbreking in de myelineschede naar de volgende 'springt' in plaats van het hele membraan langs te kruipen — een snellere, sprongsgewijze geleiding. Na elke actiepotentiaal heeft een stukje membraan even een rusttijd nodig waarin het niet opnieuw kan vuren; deze korte ongevoelige periode zorgt er bovendien voor dat de impuls maar één kant op loopt en niet terugkeert. Zo combineert de zenuwcel snelheid met een vaste richting: het signaal raast over de axon naar het uiteinde, klaar om te worden doorgegeven aan de volgende cel.

Aan het uiteinde van de axon stopt de elektrische impuls, want tussen twee zenuwcellen (of tussen een zenuwcel en een spier) zit een minuscule ruimte: de synaps, met daarin een synaptische spleet. Over die spleet kan een elektrisch signaal niet zomaar springen; daarom wordt het hier omgezet in een chemisch signaal. Komt de impuls bij het axonuiteinde aan, dan geeft de cel kleine blaasjes met een signaalstof — een neurotransmitter — af in de spleet. Die stof zweeft naar het membraan van de volgende cel en past daar op specifieke receptoren, als een sleutel in een slot. Bindt de neurotransmitter aan de receptoren, dan kan in de volgende cel een nieuwe impuls ontstaan, en gaat het signaal verder. Twee dingen volgen hier logisch uit en worden vaak getoetst. Ten eerste verloopt de overdracht in de synaps maar in één richting: alleen de zendende cel heeft de blaasjes met neurotransmitter, alleen de ontvangende cel heeft de receptoren. Ten tweede grijpen veel medicijnen, drugs en gifstoffen juist op de synaps in, doordat ze de afgifte, de werking of de afbraak van de neurotransmitter beïnvloeden. De synaps is dus de schakelplaats én het kwetsbare punt van de signaaloverdracht.

Verloop van de membraanpotentiaal

Afb. 6De membraanpotentiaal tijdens een actiepotentiaal: vanuit de rustpotentiaal (ongeveer −70 mV) wordt de drempelwaarde (−55 mV) overschreden, waarna depolarisatie de spanning naar ongeveer +30 mV brengt; daarna volgt repolarisatie, een korte ondergrens en herstel naar de rustwaarde.

Uitgewerkt voorbeeld

Een geblokkeerde receptor in de synaps

Een gifstof blokkeert in de synaps de receptoren waarop de neurotransmitter normaal bindt. Leg uit welk gevolg dit heeft voor de overdracht van een impuls van het ene neuron op het volgende.

Stap 1 — Hoe de overdracht normaal verloopt
Komt een impuls bij het axonuiteinde aan, dan geeft het neuron een neurotransmitter af in de synaptische spleet. Die stof bindt aan receptoren op het membraan van de volgende cel, en pas die binding kan in de volgende cel een nieuwe impuls opwekken.
Stap 2 — Wat de gifstof verandert
Zijn de receptoren geblokkeerd, dan kan de neurotransmitter er niet meer op binden. De afgegeven signaalstof zweeft dan wel in de spleet, maar vindt geen plek om aan te koppelen — de 'sleutel' past niet meer in het 'slot'.
Stap 3 — Het gevolg voor het signaal
Zonder binding aan de receptoren ontstaat er in de volgende cel geen nieuwe impuls. De prikkel komt dus wél tot aan het synapsuiteinde van het eerste neuron, maar wordt niet doorgegeven aan het tweede; de signaalketen wordt op de synaps onderbroken.

Resultaat: Resultaat: door de geblokkeerde receptoren kan de neurotransmitter niet binden, zodat in het volgende neuron geen nieuwe impuls ontstaat. De impulsoverdracht in de synaps valt weg en het signaal komt niet verder dan het eerste neuron.

Veelgemaakte fouten

Denken dat een sterkere prikkel een grotere actiepotentiaal geeft. Door het alles-of-niets-principe is elke actiepotentiaal even groot; een sterkere prikkel geeft meer impulsen per seconde, niet hogere.
De richting in de zenuwcel omdraaien. De impuls loopt altijd van de dendrieten via het cellichaam naar de axon en het synapsuiteinde, nooit andersom.
Aannemen dat het signaal in de synaps elektrisch overspringt. In de synaps wordt het elektrische signaal omgezet in een chemisch signaal (een neurotransmitter) dat de spleet overbrugt; daarom verloopt de overdracht maar in één richting.

Actieve herhaling

Een gifstof blokkeert in de synaps de receptoren waarop de neurotransmitter normaal bindt. Leg uit welk gevolg dit heeft voor de overdracht van een impuls van het ene neuron op het volgende.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

De reflexboog: een snelle, onbewuste reactie#

Standardexamenblad-nl

De reflexboog

Afb. 7De reflexboog: een prikkel wordt door de receptor waargenomen en via het sensorische neuron naar het ruggenmerg geleid, waar een schakelneuron de impuls direct doorgeeft aan het motorische neuron, dat de effector aanstuurt. Doordat de hersenen worden overgeslagen, verloopt de reactie zeer snel.

Soms is er geen tijd om na te denken. Raak je per ongeluk een hete plaat aan, dan trek je je hand al terug vóórdat je de pijn bewust voelt. Zo'n snelle, onbewuste en automatische reactie op een prikkel heet een reflex. Reflexen hebben vrijwel altijd een beschermende functie: ze voorkomen schade (de hand van de hitte) of houden het lichaam in evenwicht. Het kenmerkende is dat ze niet via de hersenen hoeven te lopen om op gang te komen; ze worden geregeld door een kortere, vaste route die over het ruggenmerg loopt. Juist doordat de route kort is en de hersenen kunnen worden overgeslagen, verloopt een reflex veel sneller dan een bewuste, bedachte handeling. Snelheid en bescherming gaan hier dus hand in hand.

De vaste route die een reflex aflegt, heet de reflexboog, en die bestaat uit vijf vaste stappen die je in deze volgorde moet kennen. Het begint bij een receptor (een zintuig of zintuigcel) die de prikkel waarneemt — bijvoorbeeld de warmtereceptoren in de huid van je vingers. De receptor stuurt de impuls via een sensorisch (gevoels)neuron naar het ruggenmerg. In het ruggenmerg geeft een kort schakelneuron (interneuron) de impuls direct door aan een motorisch (bewegings)neuron. Dat motorische neuron voert de impuls naar de effector: de spier (of klier) die de reactie uitvoert — bij het hete voorwerp de buigspier van de arm, die de hand terugtrekt. De reeks is dus: receptor → sensorisch neuron → ruggenmerg → motorisch neuron → effector. In de figuur hiernaast staat deze keten als een vast schema, met het ruggenmerg als centrale schakelplaats benadrukt.

Het beslissende inzicht is wáár de impuls wordt 'omgezet' van waarnemen naar reageren: niet in de hersenen, maar al in het ruggenmerg. Doordat het schakelneuron de impuls daar rechtstreeks van het sensorische op het motorische neuron overzet, hoeft het signaal niet eerst de lange weg naar de hersenen en terug af te leggen. Die kortere route scheelt kostbare tijd, en dat is precies waarom een reflex zo snel is. Vandaar dat je je hand al terugtrekt vóór je de hitte bewust voelt: de terugtrekbeweging is via het ruggenmerg al in gang gezet terwijl het 'pijnsignaal' nog onderweg is naar je hersenen. Het ruggenmerg is dus niet alleen een doorvoerkabel, maar bij reflexen ook zélf een verwerkingscentrum — een belangrijk verschil met een bewuste handeling.

Onbewust betekent niet dat je hersenen er niets van merken. Tegelijk met de reflex loopt er namelijk óók een impuls vanuit het ruggenmerg omhoog naar de hersenen, en pas daar word je je bewust van wat er gebeurt — je voelt de pijn en beseft dat je iets heets hebt aangeraakt. Maar dat bewustzijn komt ná de reactie: de hand is al teruggetrokken voordat de hersenen het signaal verwerken. Zo verklaart de reflexboog netjes de volgorde 'eerst weg, dan pas voelen'. Het is goed dit onderscheid scherp te houden voor het examen: de reflex zelf loopt over het ruggenmerg en is onbewust en snel, terwijl het bewust wórden van de prikkel een aparte, langzamere route naar de hersenen volgt.

Een reflex staat tegenover een bewuste (willekeurige) handeling, en dat onderscheid loont om expliciet te maken. Bij een bewuste handeling — je pakt een glas op omdat je wilt drinken — loopt de impuls wél via de hersenen, die de beslissing nemen en de opdracht naar de spieren sturen; zulke handelingen zijn willekeurig (je kiest ervoor) en daardoor trager. Bij een reflex neemt het ruggenmerg de 'beslissing', verloopt alles automatisch en kun je de reactie niet of nauwelijks tegenhouden. Beide maken gebruik van dezelfde basisonderdelen — een receptor die waarneemt, neuronen die het signaal geleiden en een effector die uitvoert — maar ze verschillen in de route en daarmee in snelheid en bewustzijn. Wie een onbekende prikkel-reactiesituatie krijgt voorgelegd, kan met deze tweedeling vrijwel altijd beredeneren of het om een reflex of om een bewuste handeling gaat.

Uitgewerkt voorbeeld

De hand terugtrekken bij een prik

Iemand prikt zich onverwacht aan een speld en trekt razendsnel de hand terug; de pijn voelt hij pas een fractie later. Beschrijf de route die de impuls aflegt en leg uit waarom de hand al wordt teruggetrokken voordat de persoon de pijn voelt.

Stap 1 — De reflexboog van begin tot eind
De prik is de prikkel. Een receptor in de huid neemt hem waar en stuurt een impuls via een sensorisch neuron naar het ruggenmerg. Daar geeft een schakelneuron de impuls direct door aan een motorisch neuron, dat de buigspier van de arm (de effector) aanstuurt; de spier trekt samen en de hand schiet terug.
Stap 2 — Waarom dit zo snel gaat
De hele reflex wordt in het ruggenmerg geschakeld, zonder dat het signaal eerst naar de hersenen en terug moet. Die korte route kost weinig tijd, dus de terugtrekbeweging komt vrijwel onmiddellijk op gang.
Stap 3 — Waarom de pijn later komt
Tegelijk loopt er vanuit het ruggenmerg óók een impuls omhoog naar de hersenen. Pas wanneer die de hersenen bereikt, word je je bewust van de pijn. Omdat dat de langere route is, voel je de pijn een fractie later dan dat je hand al is teruggetrokken.

Resultaat: Resultaat: de impuls loopt via receptor → sensorisch neuron → ruggenmerg → motorisch neuron → buigspier, zodat de hand snel wordt teruggetrokken. Het bewust voelen van de pijn volgt een aparte, langere route naar de hersenen en komt daarom pas ná de reflexreactie.

Veelgemaakte fouten

Denken dat een reflex via de hersenen loopt. De reflexboog wordt in het ruggenmerg geschakeld; juist het overslaan van de hersenen maakt de reactie zo snel.
De onderdelen van de reflexboog in de verkeerde volgorde zetten. De vaste volgorde is receptor → sensorisch neuron → ruggenmerg → motorisch neuron → effector.
Aannemen dat je een reflex helemaal niet voelt. Je wordt je wél bewust van de prikkel, maar pas nadat een aparte impuls de hersenen heeft bereikt — dus ná de reflexreactie zelf.

Actieve herhaling

Iemand prikt zich onverwacht aan een speld en trekt razendsnel de hand terug; de pijn voelt hij pas een fractie later. Beschrijf de route die de impuls aflegt en leg uit waarom de hand al wordt teruggetrokken voordat de persoon de pijn voelt.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

De zintuigen en het oog: prikkels worden impulsen#

Vertiefungexamenblad-nl

Beeldvorming in het oog

Afb. 8De lens van het oog werkt als een bolle (convexe) lens: van een voorwerp dat verder weg staat dan het brandpunt vormt zij een omgekeerd en verkleind beeld. Dit beeld valt op het netvlies; de hersenen verwerken het tot het rechtopstaande beeld dat je waarneemt.

Voordat het zenuwstelsel iets kan verwerken, moet de informatie uit de omgeving eerst de cel in. Dat is de taak van de zintuigen: organen met gespecialiseerde zintuigcellen (receptoren) die een prikkel uit de omgeving opvangen en omzetten in een impuls die het zenuwstelsel kan verwerken. Die omzetting is de kern: een receptor is een 'vertaler' die bijvoorbeeld licht, geluid of warmte vertaalt in de elektrische taal van het zenuwstelsel. Elk zintuig is bovendien gevoelig voor één bepaald soort prikkel, de adequate prikkel: het oog voor licht, het oor voor geluid (trillingen), de neus voor geurstoffen, de tong voor opgeloste stoffen, en de huid voor druk en temperatuur. Een receptor reageert alleen op zijn adequate prikkel; daarom 'zie' je geen geluid en 'hoor' je geen licht. De tabel hiernaast zet de belangrijkste zintuigen, hun receptoren en hun adequate prikkel naast elkaar.

Het oog is het zintuig dat het examen het uitvoerigst toetst, vooral omdat de beeldvorming erin met natuurkunde samenhangt. Licht uit de omgeving valt eerst op het doorzichtige hoornvlies, gaat dan door de pupil — de opening waarvan de iris de grootte regelt — en passeert vervolgens de lens. Het hoornvlies en vooral de lens breken het licht, zodat de lichtstralen samenkomen en een beeld vormen op het netvlies, de lichtgevoelige binnenbekleding achter in het oog. In het netvlies liggen de zintuigcellen die het licht omzetten in impulsen, en die impulsen verlaten het oog via de oogzenuw naar de hersenen. De lens werkt dus als een bolle (convexe) lens die de binnenkomende stralen bundelt; waar precies het scherpe beeld ontstaat, hangt af van de breking door die lens.

Een bolle lens vormt van een voorwerp dat verder weg staat dan het brandpunt een beeld dat omgekeerd én verkleind is — en precies zo'n beeld ontstaat op het netvlies. Omdat de lichtstralen door de lens worden gekruist, komt de bovenkant van het voorwerp onderaan op het netvlies terecht en omgekeerd: het beeld staat op zijn kop. Dat het beeld klein is, klopt ook: een heel landschap moet immers op het kleine oppervlak van het netvlies passen. Dit is geen probleem, want je hersenen zijn eraan gewend dit omgekeerde, kleine beeld te 'verwerken' tot het rechtopstaande beeld dat je ervaart. In de stralengang hiernaast zie je hoe de bolle lens de stralen van de top van het voorwerp laat samenkomen tot een omgekeerd, verkleind beeld aan de andere kant van de lens — het natuurkundige model achter de beeldvorming op het netvlies.

Om voorwerpen op verschillende afstanden scherp te kunnen zien, moet het oog zijn breking kunnen aanpassen; dat heet accommodatie. Het brandpunt — en daarmee de plaats waar het scherpe beeld ontstaat — hangt af van de bolling van de lens. Bij het kijken naar een voorwerp dichtbij wordt de lens boller gemaakt, zodat hij het licht sterker breekt en het scherpe beeld toch op het netvlies blijft vallen; bij het kijken in de verte wordt de lens juist platter en breekt hij minder sterk. Die verandering van bolling wordt geregeld door kleine spieren rondom de lens (in het straalvormig lichaam). Lukt het accommoderen niet meer goed — bijvoorbeeld doordat de lens met de leeftijd minder soepel wordt of doordat de oogbol een afwijkende lengte heeft — dan valt het scherpe beeld vóór of achter het netvlies en is een bril of contactlens nodig om de breking te corrigeren. Accommodatie is dus het 'scherpstellen' van het oog, vergelijkbaar met het scherpstellen van een fototoestel.

In het netvlies zelf liggen twee soorten lichtgevoelige zintuigcellen, met elk een eigen taak — een mooi voorbeeld van vorm-functiedenken. De staafjes zijn zeer lichtgevoelig en werken al bij weinig licht; ze geven echter geen kleur door, en daarom zie je in de schemering wel vormen maar nauwelijks kleuren. De kegeltjes hebben juist veel licht nodig en zorgen voor het zien van kleuren en scherpe details; ze liggen vooral dicht opeen in de gele vlek, het deel van het netvlies waar je het scherpst ziet en waarmee je een voorwerp 'fixeert'. Zo is het oog op twee situaties tegelijk berekend: de staafjes voor het zien bij weinig licht en de kegeltjes voor scherp kleurenzien overdag. Daarmee is de keten van dit hele onderwerp rond: de zintuigen (zoals het oog) nemen waar en zetten de prikkel om in een impuls, het zenuwstelsel geleidt en verwerkt die impuls — soms razendsnel via een reflexboog — en de spieren voeren als effectoren de reactie uit. Waarnemen, schakelen en bewegen vormen samen één doorlopend systeem.

Zintuigen en hun adequate prikkel

Afb. 9Elk zintuig bevat receptoren die zijn afgestemd op één soort prikkel, de adequate prikkel. De receptor zet die prikkel om in een impuls. Het oog (staafjes en kegeltjes) reageert op licht en wordt in dit onderwerp het uitvoerigst behandeld.

Uitgewerkt voorbeeld

Kleuren zien in het schemerdonker

Leg uit waarom je in een vrijwel donkere kamer wel de contouren van de meubels kunt onderscheiden, maar nauwelijks kunt zien welke kleur ze hebben.

Stap 1 — Twee soorten zintuigcellen
In het netvlies liggen staafjes en kegeltjes. De staafjes zijn zeer lichtgevoelig en werken al bij weinig licht, maar geven geen kleur door. De kegeltjes zorgen voor het zien van kleuren en scherpe details, maar hebben juist veel licht nodig.
Stap 2 — Wat er bij weinig licht gebeurt
In een vrijwel donkere kamer is er te weinig licht om de kegeltjes goed te laten werken. De gevoelige staafjes vangen het schaarse licht nog wel op en leveren een beeld van vormen en contouren.
Stap 3 — Het gevolg voor het zien
Omdat alleen de staafjes actief zijn en die geen kleurinformatie doorgeven, neem je wel de vormen van de meubels waar, maar bijna geen kleuren. Pas met meer licht doen de kegeltjes mee en zie je weer kleur.

Resultaat: Resultaat: bij weinig licht werken vooral de staafjes, die wel vormen maar geen kleuren doorgeven, terwijl de kleurgevoelige kegeltjes te weinig licht krijgen. Daardoor zie je in het schemerdonker wel de contouren van de meubels, maar nauwelijks hun kleur.

Veelgemaakte fouten

Denken dat het beeld op het netvlies rechtop en even groot is. De bolle lens vormt een omgekeerd en verkleind beeld; de hersenen zetten dit beeld om tot het rechte beeld dat je ervaart.
Staafjes en kegeltjes verwisselen. Staafjes werken bij weinig licht maar geven geen kleur; kegeltjes hebben veel licht nodig en zorgen voor scherp kleurenzien (vooral in de gele vlek).
Accommodatie verwarren met het verstellen van de pupil. Accommoderen is het aanpassen van de bólling van de lens om scherp te stellen; de pupil regelt alleen hoeveel licht er binnenkomt.

Actieve herhaling

Leg uit waarom je in een vrijwel donkere kamer wel de contouren van de meubels kunt onderscheiden, maar nauwelijks kunt zien welke kleur ze hebben.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

Kernpunten

Waarom buigen en strekken twee spieren vragen

Kernpunten

Schrikken: welk deel van het autonome zenuwstelsel?

Kernpunten

Een geblokkeerde receptor in de synaps

Kernpunten

De hand terugtrekken bij een prik

Kernpunten

Kleuren zien in het schemerdonker

Bronnen

Beweging en waarneming door het organisme

Kernpunten

Waarom buigen en strekken twee spieren vragen

Kernpunten

Schrikken: welk deel van het autonome zenuwstelsel?

Kernpunten

Een geblokkeerde receptor in de synaps

Kernpunten

De hand terugtrekken bij een prik

Kernpunten

Kleuren zien in het schemerdonker

Bronnen