วิทย์ประถม: วัดความไวระบบประสาท

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์พ่อโก้ที่ศูนย์การเรียนปฐมธรรม เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายกลคนออกมาจากท่อใส, เราคุยกันเรื่องระบบประสาทและความเร็วที่มันทำงาน เราพยายามประมาณความเร็วของมันโดยการจับกระดาษหรือไม้บรรทัดที่ตก และนั่งล้อมกันเป็นวงกลมดูว่าเราส่งต่อการบีบขาหรือบีบต้นคอใช้เวลาเท่าไร

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้กลคนเดินออกมาจากท่อใส:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

ผมก็ให้เด็กๆดูเว็บ Zygote Body ซึ่งเป็นเว็บให้เรากดดูส่วนประกอบต่างๆของร่างกาย โดยวันนี้ผมเน้นให้ดูระบบประสาท หน้าตาเว็บเป็นแบบนี้:

สามารถเข้าไปเล่นเองได้ที่ลิงก์นี้นะครับ:

ผมเอารูประบบประสาทที่ถูกจัดการให้คงรูปด้วยการแทนที่น้ำและไขมันด้วยพลาสติกบางชนิด (plastination process) มาให้เด็กๆดู:

ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าร่างกายเราจะรู้สึกหรือขยับได้ต้องมีสัญญาณตามเส้นประสาทวิ่งไปมาในร่างกาย ถ้าจะหยิบจับอะไรสมองก็ต้องส่งสัญญาณไปตามเส้นประสาทไปที่มือเพื่อให้มือขยับตามที่คิด ถ้าจะรู้สึกอะไรก็ต้องมีสัญญาณจากอวัยวะส่วนต่างๆวิ่งกลับไปที่สมอง สมองจะต้องรับและส่งสัญญาณต่างๆกับส่วนอื่นๆของร่างกายตลอดเวลา และการส่งสัญญาณไปมานั้นใช้เวลา ไม่ใช่เกิดได้ทันทีทันใด เพื่อเป็นการทดลองให้เห็นว่าการทำงานของระบบประสาทและสมองใช้เวลาบ้างเราเราจึงลองเล่นจับแบงค์กันครับ

วิธีเล่นก็คือให้เด็กเอาแขนวางพาดบนโต๊ะหรือเก้าอี้ให้มือยื่นออกมาเตรียมจับแบงค์ที่ผมจะปล่อยให้ตกผ่านมือเด็ก พอผมปล่อยแบงค์เด็กๆก็จะต้องพยายามจับแบงค์ให้ได้ ซึ่งโดยปกติจะไม่สามารถจับได้ (สาเหตุที่เอาแขนไปพาดโต๊ะก็เพื่อป้องกันไม่ให้ขยับแขนลงไปคว้าแบงค์ที่ตก ผ่านมือไปแล้วได้ครับ) ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่า เวลาเราจะจับแบงค์ ตาเราต้องมองดูแล้วเห็นว่าแบงค์ตก แล้วจึงส่งสัญญาณไปที่สมอง สมองต้องตัดสินใจว่าจะจับแบงค์แล้วส่งสัญญาณไปที่มือให้มือจับ สัญญาณเหล่านี้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่วิ่งไปตามเส้นประสาทของเราและมันใช้เวลาในการคิดและเดินทางตามเส้นประสาทมากกว่าเวลาที่แบงค์ตกผ่านมือเราไป

เราทดลองจับไม้บรรทัดตกด้วย เพื่อดูว่าไม้บรรทัดต้องตกไปประมาณกี่เซ็นติเมตรเราถึงจะจับได้ พบว่าพวกเรามักจะจับได้เมื่อไม้บรรทัดตกไป 20-30 เซ็นติเมตร หรือคิดเป็นเวลาประมาณ 0.20-0.25 วินาทีในการที่ตาเราจะสังเกตว่าไม้บรรทัดเริ่มตกแล้วสมองสั่งงานให้มือจับ

เด็กๆชอบจับไม้บรรทัดตกกันครับ:

จากนั้นเราก็พยายามประมาณความเร็วสัญญาณไฟฟ้าในระบบประสาทกันโดยเรานั่งกันเป็นวงกลม และจับขาต่อๆกัน แต่ละคนจะใช้มือซ้ายบีบขาขวาของเพื่อนคนต่อไปเมื่อรู้สึกว่­าเพื่อนคนที่แล้วบีบขาเรา จับเวลากันว่าใช้เวลาเท่าไรในการบีบรอบวง

แล้วเราก็ประมาณความยาวของเส้นประสาทที่เกี่ยวข้อง โดยวัดจากข้อเท้าถึงหัว และจากหัวถึงมือครับ ได้ระยะทางโดยรวมประมาณ 32 เมตร สำหรับวงที่มีคน 15 คน:

เวลาที่เราบีบขากันรอบวงจะเท่ากับเวลาสัญญาณวิ่งในเส้นประสาท+เวลาที่สมองคิด+เวลาที่มือบีบครับ นอกจากนี้ เราลองทำการทดลองโดยเรากดต้นคอแทนที่จะบีบข้อเท้าเพื่อลดระยะทางที่สัญญาณต้องวิ่งไปตามเส้นประสาท และเราทดลองจับไม้บรรทัดตกโดยเราเป็นคนปล่อยไม้บรรทัดเองด้วย ได้ข้อมูลมาดังนี้:

15 คน นั่งเป็นวง ใช้มือขวาจับขาขวาเพื่อน, ความยาวเส้นประสาทประมาณ 32 เมตร, ใช้เวลา 5 วินาที

15 คน ยืนเป็นวงกลม ใช้มือขวาจับต้นคนเพื่อน, ความยาวเส้นประสาทประมาณ 11 เมตร, ใช้เวลา 3.11 วินาที

ปล่อยไม้บรรทัดและจับด้วยตัวเอง จับไม้บรรทัดได้หลังจากเวลาผ่านไป 0.1 วินาที

ถ้ากำหนดให้ head = เวลาโดยเฉลี่ยที่สมองตัดสินใจหลังจากได้รับสัญญาณบีบขาหรือกดต้นคอจากเพื่อน, กำหนดให้ nerve = เวลาโดยเฉลี่ยที่สัญญาณประสาทวิ่งระยะทางจากปลายมือซ้ายไปมือขวา, และกำหนดให้ muscle = เวลาโดยเฉลี่ยที่กล้ามเนื้อบีบขาหรือกดต้นคอ, เราจะได้ความสัมพันธ์ระหว่าง head, nerve, muscle จากการทดลองสามอย่างของเราประมาณนี้:

15 head + 15 (3/2 nerve) + 15 muscle == 5;

15 head + 15 (1/2 nerve) + 15 muscle == 3.11;

(1/2 nerve) + muscle == 0.1

เมื่อแก้สมการออกมาจะพบว่า head -> 0.107333 วินาที, nerve -> 0.126 วินาที, muscle -> 0.037 วินาที และความเร็วสัญญาณประสาทจะวิ่งประมาณ 12 เมตรต่อวินาที (คือวิ่ง 22/15 เมตรในเวลา 0.0126 วินาที)

แสดงว่าในแบบจำลองนี้ เวลาที่กล้ามเนื้อมือทำงานใช้เวลาน้อยสุด (0.037 วินาที), เวลาที่สมองตัดสินใจใช้เวลามากขึ้น (0.11 วินาที), และเวลาที่สัญญาณประสาทวิ่งประมาณ 1.5 เมตรใช้เวลามากที่สุด (0.126 วินาที) เทียบเป็นอัตราส่วนได้ 1: 2.9: 3.4

มีนักวิทยาศาสตร์วัดความเร็วในเส้นประสาทโดยตรงโดยใช้สัญญาณไฟฟ้าจี้ไปบนเส้นประสาท พบว่าความเร็วอยู่ที่ไม่กี่เมตรถึงร้อยเมตรต่อวินาทีขึ้นกับว่าเป็นเส้นประสาทที่เชื่อมต่ออะไร สำหรับเส้นประสาทที่รับแรงกดความเร็วสัญญาณจะประมาณ 3-30 เมตรต่อวินาที  ค่าที่เราประมาณได้ (12 เมตรต่อวินาที) ก็อยู่ในช่วงนั้น (เรียกว่า order of magnitude เดียวกัน)