认知科学与类脑计算 第三章 神经信号与突触传递 模拟卷及答案

第三章神经信号与突触传递 — 单元习题总分100分 | 建议用时60分钟题型30%客观题选择填空 70%问答简答分析计算占位图一、单项选择题每题2分共8题16分1.发现动作电位全有或全无原理并获1932年诺贝尔奖的科学家是A. 卡哈尔CajalB. 埃德加·阿德里安Edgar AdrianC. 霍奇金和赫胥黎Hodgkin HuxleyD. 香农Shannon2.动作电位的主要特征不包括以下哪项A. 传递过程中幅度和形态保持恒定B. 全有或全无C. 幅度随传播距离逐渐衰减D. 沿轴突自胞体方向传导至末梢3.动作电位去极化阶段的主要离子机制是A. K⁺内流B. Na⁺内流C. Cl⁻内流D. Ca²⁺外流4.下列关于局部电位的描述正确的是A. 幅度固定不变B. 传播距离远不衰减C. 可以叠加等级性电位D. 一旦产生必然引发动作电位5.电突触相对于化学突触的特点不包括A. 通过缝隙连接直接传递B. 信号传递瞬时C. 信息传递双向D. 需要神经递质参与6.兴奋性突触后电位EPSP的产生机制是A. Cl⁻内流导致超极化B. K⁺外流导致超极化C. Na⁺内流导致去极化D. Ca²⁺内流导致去极化7.神经递质必须满足的条件不包括A. 在神经元中合成B. 储存在突触前末梢并可大量释放C. 在血液中长距离运输D. 存在特定机制将其从作用位点移除8.侧向抑制Lateral Inhibition的主要功能是A. 实现信号的双向传递B. 增强并行通路间的差异性提高信号选择性C. 加快动作电位的传导速度D. 将化学信号转回电信号二、填空题每空2分共7空14分9.动作电位的四个阶段依次为极化、________、________和超极化。10.局部电位与动作电位在四个维度的对比幅度可变 vs 固定、是否衰减________ vs ________、传播距离短 vs 长、是否叠加可 vs 不可。11.化学突触的信号传递过程经历了三个阶段的转换电信号 → ________信号 → 电信号。释放到突触间隙的神经递质与突触后膜的________结合引起离子通道开放。三、简答题每题10分共4题40分12.请从幅度、衰减性、传播距离和可叠加性四个维度系统比较局部电位与动作电位的区别并说明局部电位如何转化为动作电位。13.请对比化学突触与电突触在结构、传递机制、传递方向和速度上的区别。为什么在神经系统中化学突触占绝大多数14.请对比兴奋性突触后电位EPSP与抑制性突触后电位IPSP包括递质类型、离子机制、膜电位变化方向和对突触后神经元的影响。15.试述突触整合中空间求和与时间求和的机制。为什么靠近胞体的突触输入比远端树突上的输入对神经元发放影响更大什么是分流抑制四、分析计算题每题15分共2题30分16.某运动神经元接收来自3个兴奋性突触的输入其EPSP分别为8mV、12mV和5mV同时接收来自1个抑制性突触的输入其IPSP为-15mV。该神经元的静息电位为-70mV阈电位为-55mV。(1) 若4个突触输入同时到达请通过空间求和计算突触后膜电位判断该神经元是否会发放动作电位。(2) 若抑制性突触输入提前到达并于2ms后衰减为-10mV时兴奋性输入才到达此时膜电位是多少神经元是否会发放17.某神经元A在静息电位-70mV时一次突触前刺激产生10mV的EPSP该EPSP以指数方式衰减时间常数τ5ms。已知该神经元的阈电位为-50mV。(1) 若突触前神经元以100Hz频率每10ms一次连续发放3次EPSP线性叠加且每次刺激产生的EPSP在衰减到1/e≈37%前与下一次叠加。请估算第一次刺激后10ms和20ms时的膜电位假设叠加时上轮EPSP已衰减至37%判断第二次和第三次刺激后神经元是否会发放。(2) 为提高神经元的发放概率应增加突触前发放频率还是增加同步激活的突触数量请简要说明理由。试卷结束请认真检查。第三章神经信号与突触传递 — 单元习题答案一、单项选择题答案题号答案解析1BEdgar Adrian获1932年诺贝尔奖揭示了神经信号的全有或全无原理2C动作电位四大特征之一恰恰是幅度不随传播距离衰减3B去极化阶段Na⁺通道开放Na⁺大量内流使膜电位上升4C局部电位是等级性电位幅度可变、会衰减、可叠加但未达阈值不引发动作电位5D电突触通过缝隙连接直接传递离子不需神经递质转化6CEPSP以Na⁺通透性为主Na⁺内流导致去极化7C神经递质在突触局部发挥作用在血液中长距离运输是激素的特征8B侧向抑制通过增强并行通路间的差异性来提高信号选择性二、填空题答案9.去极化、复极化10.会衰减、不衰减11.化学、受体三、简答题参考答案12. 局部电位与动作电位的四维度对比参考答案特征维度局部电位动作电位幅度可变等级性电位与刺激强度正相关固定全有全无衰减性会衰减随传播距离减小不衰减传播距离短距离长距离沿整个轴突可叠加性可以叠加空间求和时间求和不可叠加局部电位→动作电位的转化多个局部电位通过空间求和和时间求和叠加当叠加后的总去极化在轴突始段达到阈电位时电压门控Na⁺通道大量开放 → 触发动作电位也就是说局部电位是输入信号动作电位是决策输出13. 化学突触与电突触对比参考答案对比维度化学突触电突触结构基础突触前膜—间隙(~20-40nm)—后膜缝隙连接(Gap junction, ~3.5nm)传递机制电→化学→电需神经递质受体离子直接通过缝隙连接通道传递方向单向前膜→后膜双向传递速度较慢突触延迟~0.5-1ms瞬时几乎同步可调节性高递质释放量可调可塑性基础低化学突触占绝大多数的原因可塑性化学突触的传递强度可通过改变递质释放量、受体数量等进行调节 → 学习和记忆的基础信号放大一个囊泡含数千个递质分子可实现信号放大多样性同一递质可激活不同类型受体产生兴奋或抑制效应EPSP/IPSP实现复杂的信息处理单向性确保了神经环路中信号流向的精确控制电突触虽快但缺乏可塑性和多样性主要用于需要快速同步的场景如某些节律性活动14. EPSP与IPSP对比参考答案对比维度EPSP兴奋性突触后电位IPSP抑制性突触后电位主要递质谷氨酸等兴奋性递质GABA等抑制性递质离子通透性Na⁺通透性为主Cl⁻通透性为主离子流动Na⁺内流Cl⁻内流膜电位变化去极化Vm↑接近阈值超极化Vm↓远离阈值对后神经元影响兴奋性增强促进发放抑制性增强抑制发放典型受体AMPA受体谷氨酸GABA受体关键理解一个神经元同时接收EPSP和IPSP最终的膜电位取决于两者的整合结果。若EPSP的净效应使膜电位达到阈值则产生动作电位若IPSP占优则神经元保持静默。15. 突触整合机制参考答案(1) 空间求和与时间求和空间求和来自不同突触位置的EPSP/IPSP同时到达时在突触后膜上线性叠加距离胞体越近的突触其PSP对膜电位影响越大树突上的信号传导会衰减时间求和同一突触在短时间内连续多次释放递质若前一次PSP尚未完全衰减时后一次PSP到达两者叠加增强取决于PSP的衰减时间常数和突触前发放频率(2) 突触位置效应电信号在树突上传导时因膜电阻和电容效应而衰减远端树突的PSP传导至胞体时幅度已大幅减小胞体附近的突触尤其是轴突始段附近对神经元发放影响最大(3) 分流抑制Shunting Inhibition抑制性突触输入使局部膜电阻降低兴奋性突触的去极化电流在传向胞体的途中从抑制性突触处泄漏即使IPSP幅度不大但如果位置靠近兴奋性突触就能有效分流兴奋性电流靠近胞体的抑制性突触能以较少的IPSP抵消大量EPSP四、分析计算题参考答案16. 空间求和与阈值判断(1) 同时到达时的膜电位4个突触同时到达空间求和净电位变化(8)(12)(5)(−15)10 mV\text{净电位变化} (8) (12) (5) (-15) 10 \text{ mV}净电位变化(8)(12)(5)(−15)10mV膜电位−7010−60 mV\text{膜电位} -70 10 \mathbf{-60 \text{ mV}}膜电位−7010−60mV阈电位为-55mV-60mV -55mV →未达到阈值不会发放动作电位。虽然EPSP总去极化为25mV但-15mV的IPSP抵消了大部分兴奋效应净效应不足以触发动作电位。(2) 抑制性输入先到达并衰减后抑制性突触先到衰减至-10mV时兴奋性输入到达净电位变化(−10)(8)(12)(5)15 mV\text{净电位变化} (-10) (8) (12) (5) 15 \text{ mV}净电位变化(−10)(8)(12)(5)15mV膜电位−7015−55 mV\text{膜电位} -70 15 \mathbf{-55 \text{ mV}}膜电位−7015−55mV阈电位为-55mV膜电位恰好等于阈值 →达到阈值会发放动作电位。这个结果说明抑制性输入的时间安排对神经元是否发放至关重要。当IPSP已部分衰减时兴奋性输入的相对效应增强使神经元更容易达到阈值。17. 时间求和与发放频率分析(1) 三次刺激的膜电位计算已知静息电位-70mVEPSP10mV衰减时间常数τ5ms阈电位-50mV刺激间隔10ms。第一次刺激t0膜电位 -70 10 -60mV未到阈值不发放10ms后t10即经过2τ衰减至10 × e⁻² ≈ 10 × 0.135 ≈1.35mV第二次刺激t10ms叠加残余EPSP 新EPSP膜电位 -70 1.35 10 -58.65mV未到阈值不发放再过10ms后t20上一轮EPSP的残余本次10mV衰减2τ→~1.35mV 第一轮的残余1.35mV衰减2τ→~0.18mV第三次刺激t20ms叠加-70 0.18 1.35 10 -58.47mV仍未到阈值不发放结论在100Hz频率下由于10ms间隔2τ使EPSP衰减至不足原来的14%时间求和效应很弱神经元不会发放。需要更高频率或更多同步突触输入。(2) 提高发放概率的策略应增加同步激活的突触数量空间求和效果更显著。理由本题中突触间隔10ms2τEPSP已衰减至约13.5%时间求和效应非常有限若增加同步激活的突触数量如5个同时发放10mV一次空间求和即可获得50mV → 膜电位-20mV远超阈值若提高频率至200Hz间隔5ms1τEPSP衰减至37%约3.7mV时间求和效果稍好但仍有限空间求和是神经元快速达到阈值的最有效方式而时间求和更适用于持续性、高频输入的情境答案编制完成时间2026年6月25日