2025年大學《神經(jīng)科學》專業(yè)題庫——神經(jīng)系統(tǒng)與空間感知的研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡述動作電位在神經(jīng)纖維上的傳播機制及其主要特征。2.比較視錐細胞和視桿細胞在感光色素類型、對光敏感度、空間分辨率和顏色視覺方面的主要區(qū)別。3.描述內(nèi)耳前庭器官（耳石器和球囊）如何感知重力加速度和線性加速度，并簡述其信號傳遞通路的基本走向。二、4.解釋什么是位置細胞，描述其主要的放電特性（如環(huán)境依賴性、放電場），并簡述其可能的作用機制。5.網(wǎng)格細胞是如何被發(fā)現(xiàn)的？描述其放電場的特征（如周期性、多邊形結構），并簡述關于其如何形成空間坐標系的理論假說。6.頭方向細胞和邊界細胞在空間導航中分別扮演什么角色？它們的位置細胞和網(wǎng)格細胞有何不同？三、7.闡述海馬體在空間導航中的作用。它如何形成空間記憶？除了空間記憶，海馬體還參與哪些其他重要的認知功能？8.內(nèi)側前額葉皮層（mPFC）在空間導航任務中，特別是在哪些方面發(fā)揮作用？它與海馬體等結構如何交互？9.什么是情景記憶？它與空間記憶（特別是位置記憶）之間有何聯(lián)系和區(qū)別？海馬體和內(nèi)側前額葉在兩者中分別扮演什么角色？四、10.列舉并簡要說明在研究空間感知和導航過程中常用的三種神經(jīng)生理記錄技術（如單細胞記錄、場電位記錄等），并說明各自的主要優(yōu)勢和局限性。11.fMRI技術如何被應用于研究空間感知相關的大腦活動？它提供了哪些類型的信息？相比于單細胞記錄，它在研究空間感知時有哪些優(yōu)勢和不適用之處？12.設計一個簡單的實驗范式（例如，在曠場環(huán)境中），用以初步探究某種因素（如光照強度、環(huán)境復雜性）對動物空間探索行為的影響。請說明該范式的基本流程，以及你希望通過該實驗獲得哪些信息。五、13.論述多模態(tài)信息整合（例如，視覺信息和前庭信息）對于精確空間感知和導航的重要性。請結合具體機制進行說明。14.比較并評價位置細胞理論和網(wǎng)格細胞理論在解釋空間信息編碼方面的貢獻和各自面臨的挑戰(zhàn)。你認為哪種理論更能解釋復雜環(huán)境下的空間導航？15.結合當前研究進展，探討空間感知研究的前沿方向，并選擇其中一個方向進行簡要介紹。試卷答案一、1.動作電位是沿著神經(jīng)纖維膜發(fā)生的快速、短暫、可傳播的膜電位變化。其產(chǎn)生機制基于鈉離子（Na+）和鉀離子（K+）離子通道的瞬間開放和關閉。當神經(jīng)沖動到達某個位點時，該位點膜上的電壓門控Na+通道大量開放，導致Na+內(nèi)流，膜電位迅速去極化達到閾電位；隨后，電壓門控Na+通道失活關閉，電壓門控K+通道開放，K+外流，膜電位迅速復極化并可能超極化；最后，通過離子泵和離子通道的恢復，膜電位恢復到靜息電位。其主要特征包括“全或無定律”（動作電位要么不發(fā)生，要么就以最大幅度發(fā)生）、“不衰減性”（動作電位沿神經(jīng)纖維傳播時幅度不變）、“單向傳導”（在生理條件下，動作電位只能從神經(jīng)元的胞體向軸突末梢傳播）。2.視錐細胞和視桿細胞的主要區(qū)別在于：感光色素類型上，視錐細胞含有視紫紅質(zhì)（視桿細胞的感光色素），且存在視紫藍質(zhì)（紅、綠、藍三種視色素），負責感光和色覺；視桿細胞只含視紫紅質(zhì)，對暗光敏感。對光敏感度上，視桿細胞遠高于視錐細胞（約100倍），負責暗視覺；視錐細胞對強光敏感，負責明視覺。空間分辨率上，視錐細胞密集分布于視網(wǎng)膜中央的黃斑區(qū)，空間分辨率高，負責精細視覺；視桿細胞分布廣泛，但密度較低，空間分辨率低。顏色視覺上，視錐細胞（分別對紅、綠、藍光敏感）負責色覺感知；視桿細胞只產(chǎn)生明暗信號，不產(chǎn)生色覺。3.內(nèi)耳前庭器官中的耳石器（包括球囊和橢圓囊）含有感受細胞（毛細胞）和碳酸鈣結晶（耳石）。當頭部靜止或做直線加速運動時，重力作用下的耳石會移位，壓迫毛細胞的頂丘，改變毛細胞纖毛的偏轉角度，從而觸發(fā)神經(jīng)信號的產(chǎn)生。信號通過球囊神經(jīng)和橢圓囊神經(jīng)傳入前庭神經(jīng)節(jié)，再由其神經(jīng)軸突組成前庭神經(jīng)傳入腦干。球囊主要感知水平加速度和頭部靜止時的重力方向，橢圓囊主要感知垂直加速度和頭部靜止時的重力方向。二、4.位置細胞是在海馬體（以及某些其他腦區(qū)）中發(fā)現(xiàn)的，其特點是當動物位于特定空間位置或穿過特定空間邊界時，會持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)放神經(jīng)沖動。其放電特性包括環(huán)境依賴性（只在特定環(huán)境中表現(xiàn)出特定放電模式）和放電場（細胞活動最強的區(qū)域及其周圍區(qū)域）。位置細胞的作用機制尚不完全清楚，但可能與海馬體內(nèi)部的興奮性輸入和抑制性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡有關，可能用于編碼當前位置信息或構建空間地圖。5.網(wǎng)格細胞是在齒狀回中發(fā)現(xiàn)的一類神經(jīng)元，其放電場呈現(xiàn)規(guī)則的、類似網(wǎng)格狀的結構，在環(huán)境中形成周期性的放電模式。其放電場的特征包括多邊形結構、周期性（在空間三個維度上均表現(xiàn)出周期性放電）、環(huán)境依賴性。關于其如何形成空間坐標系的理論假說主要是“整合理論”（IntegrationTheory）或“內(nèi)地圖理論”（InternalMapTheory），認為網(wǎng)格細胞可能通過整合來自位置細胞或其他來源的線性運動信息（如頭部移動方向和距離）或自運動信息（如視差）來計算當前位置，并編碼成網(wǎng)格狀放電模式。6.頭方向細胞（HeadDirectionCells,HDCs）的放電與動物頭部的朝向有關，當頭部處于特定方向時發(fā)放，是感知頭部朝向的主要神經(jīng)元類型。邊界細胞（BoundaryCells）位于環(huán)境邊界附近，當動物位于邊界附近時發(fā)放，有助于感知空間邊界和位置。它們與位置細胞和網(wǎng)格細胞的不同之處在于：位置細胞和網(wǎng)格細胞編碼的是絕對空間位置，而頭方向細胞和邊界細胞編碼的是相對空間關系（頭部朝向和邊界距離），它們提供的是更局部的空間信息線索。三、7.海馬體在空間導航中的作用主要是形成和存儲空間位置記憶，構建“空間地圖”。其可能的作用機制涉及其獨特的神經(jīng)元回路，特別是CA3區(qū)的興奮性環(huán)狀連接和CA1區(qū)的長時程增強（LTP）等突觸可塑性機制，這些機制有助于形成和鞏固空間表征。除了空間記憶，海馬體還參與情景記憶（對特定事件及其時空背景的記憶）、學習、記憶的提取、情緒調(diào)節(jié)（與杏仁核交互）以及決策等認知功能。8.內(nèi)側前額葉皮層（mPFC）在空間導航中主要參與路徑規(guī)劃和目標導向行為。它負責存儲長期空間策略、制定行動計劃、選擇合適的導航策略（如直行、轉彎），并將短期目標與長期目標聯(lián)系起來。mPFC與海馬體、內(nèi)側顳葉等結構存在廣泛的相互作用，接收來自這些區(qū)域的空間信息，并發(fā)出指令指導運動系統(tǒng)執(zhí)行導航行為。9.情景記憶是指對個人親身經(jīng)歷過的特定事件（“發(fā)生了什么”、“在哪里”、“何時”）的記憶。它與空間記憶（特別是位置記憶，即對特定空間位置的表征）的聯(lián)系在于，事件總是發(fā)生在特定的時空背景下，因此情景記憶的提取往往伴隨著空間信息的恢復；同時，空間環(huán)境也為情景記憶提供了定位的框架。海馬體在情景記憶的形成和提取中起著核心作用（特別是時空信息的綁定），而內(nèi)側前額葉皮層則更多參與情景記憶的提取策略、時間推斷以及情景與長期知識的整合。四、10.常用的神經(jīng)生理記錄技術包括：單細胞放電記錄（通過微電極記錄單個神經(jīng)元在行為或刺激下的動作電位發(fā)放時間，用于研究神經(jīng)元的信息編碼機制，優(yōu)點是時間分辨率高、精度高，缺點是只能記錄少數(shù)細胞、有侵入性）；局部場電位（LFP）記錄（記錄細胞集群同步活動的電信號，反映神經(jīng)群體的整體活動水平，優(yōu)點是非侵入性或微創(chuàng)、能反映神經(jīng)群體的同步振蕩活動，缺點是空間分辨率較低、信號幅度較小）；多單元陣列記錄（將多個微電極集成在一個探針上，可同時記錄多個神經(jīng)元的放電活動，結合單細胞和多單元記錄的優(yōu)點）。fMRI技術通過測量血氧水平依賴（BOLD）信號來間接反映大腦皮層活動的區(qū)域，優(yōu)點是可對整個大腦進行無創(chuàng)成像、空間分辨率較高、可觀察活動的大范圍模式，缺點是時間分辨率較低（秒級）、反映的是神經(jīng)活動的平均效應而非單細胞水平的信息。11.fMRI通過檢測神經(jīng)活動引起的局部血流和血氧變化（BOLD信號）來間接反映大腦活動。當某個腦區(qū)活動增強時，局部血流量增加，血液中脫氧血紅蛋白相對減少，導致BOLD信號增強。通過比較任務態(tài)和靜息態(tài)的BOLD信號變化，或者不同任務條件下的BOLD信號變化，可以識別與特定認知過程（如空間感知）相關的大腦活動區(qū)域。相比于單細胞記錄，fMRI的優(yōu)勢在于能夠無創(chuàng)地觀察整個大腦的激活模式，提供關于大腦功能區(qū)域分布和相互作用的宏觀信息；而其局限性在于時間分辨率較低，無法精確追蹤單細胞或小神經(jīng)集群的即時放電活動，且BOLD信號與神經(jīng)活動的因果關系復雜，信噪比較低。12.實驗范式設計（例如，曠場實驗探究光照強度影響）：設置一個大型、相對開放的曠場環(huán)境（可帶有標記點以測量路徑長度和位置）。選取一組被試動物（如小鼠），隨機分配到不同光照強度組（如明亮、中等、昏暗）。在特定時間內(nèi)（如30分鐘），讓動物自由探索曠場環(huán)境。記錄動物的運動路徑（使用紅外攝像頭和運動追蹤軟件）、在中心區(qū)域的停留時間、探索的邊緣區(qū)域長度等行為指標。分析不同光照強度組之間的行為數(shù)據(jù)是否存在顯著差異。預期結果：較暗環(huán)境可能增加動物探索邊緣區(qū)域的傾向（減少攻擊性，增加探索），而較亮環(huán)境可能促進動物在中心區(qū)域活動。該實驗旨在探究光照強度這一環(huán)境因素對動物空間探索行為模式的影響。五、13.多模態(tài)信息整合對于精確空間感知和導航至關重要。視覺系統(tǒng)提供環(huán)境布局、障礙物、路徑等的空間信息；前庭覺系統(tǒng)提供頭部運動和姿態(tài)信息，幫助維持身體平衡和空間定向；本體感覺系統(tǒng)提供身體各部分位置和運動信息；其他感覺如嗅覺、觸覺也能提供空間線索。大腦通過整合來自不同感覺系統(tǒng)的信息，可以構建一個更全面、更魯棒、更精確的空間認知模型。例如，在視野受限或光線昏暗時，前庭覺和本體感覺信息對于維持導航和平衡至關重要；在熟悉環(huán)境中，視覺信息可能占主導，但其他感覺信息仍提供重要的補充和校準。這種整合可能發(fā)生在感覺皮層（如丘腦）、皮層聯(lián)合區(qū)域（如頂葉、前額葉）以及腦干等不同層面，通過復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡進行，使得動物能夠在各種環(huán)境下有效地感知空間和進行導航。14.位置細胞理論和網(wǎng)格細胞理論都是解釋空間信息編碼的重要理論。位置細胞理論強調(diào)特定位置的“坐標點”，與構建空間地圖（CognitiveMap）的概念緊密相關，解釋了動物如何定位和記憶位置。網(wǎng)格細胞理論提出了更精細的空間編碼方式，認為空間被劃分為規(guī)則的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格單元內(nèi)都可能存在一個或多個網(wǎng)格細胞，可能用于編碼位置以及位置之間的關系或距離。兩者面臨的挑戰(zhàn)包括：位置細胞如何選擇性地響應特定位置（抑制性調(diào)控制度）；網(wǎng)格細胞如何精確地形成三維度正交網(wǎng)格（尤其是上下維度）；以及這兩種細胞類型如何協(xié)同工作以及它們各自在大腦中代表的空間的意義。評價上，位置細胞理論有直接的實驗證據(jù)支持，且與情景記憶和導航行為緊密相關；網(wǎng)格細胞理論提供了更精細的空間編碼框架，但發(fā)現(xiàn)相對較晚，機制解釋仍需完善。目前認為，這兩種細胞類型可能共同參與空間編碼，形成多層次的空間表征，其中網(wǎng)格細胞可能提供更全局、更抽象的空間結構信息，而位置細胞則更精確地標記特定位置。15.空間感知研究的前沿方向之一是利用計算模型