2025年大學《神經(jīng)科學》專業(yè)題庫——神經(jīng)元能量代謝與功能關系考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.神經(jīng)元活動時，維持細胞內(nèi)外離子濃度梯度的主要耗能過程是：(A)葡萄糖通過血腦屏障(B)線粒體氧化磷酸化(C)鈉鉀泵（Na+/K+-ATPase）的主動轉(zhuǎn)運(D)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放2.在缺氧條件下，神經(jīng)元能量代謝的主要改變是：(A)三羧酸循環(huán)加速(B)糖酵解受到顯著抑制(C)乳酸產(chǎn)量增加(D)氧化磷酸化速率不變3.下列哪種轉(zhuǎn)運體主要負責將葡萄糖轉(zhuǎn)運進入神經(jīng)元細胞質(zhì)？(A)載體蛋白（Carrierprotein）(B)鈣離子通道（Calciumchannel）(C)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）(D)葡萄糖轉(zhuǎn)運體（GLUT），如GLUT34.神經(jīng)元活動增加時，ATP的主要去路是用于：(A)蛋白質(zhì)合成(B)鈉鉀泵和鈣泵的主動運輸(C)脂肪酸氧化(D)核酸合成5.磷酸肌酸（CreatinePhosphate）在神經(jīng)元能量代謝中的主要作用是：(A)直接供能產(chǎn)生ATP(B)作為線粒體膜上質(zhì)子通道的抑制劑(C)儲存和快速釋放高能磷酸基團，用于再生ATP(D)調(diào)節(jié)葡萄糖的攝取6.下列哪種神經(jīng)遞質(zhì)或物質(zhì)的合成過程主要依賴于神經(jīng)元自身的三羧酸循環(huán)？(A)乙酰膽堿（Acetylcholine）(B)血管升壓素（Vasopressin）(C)谷氨酸（Glutamate）(D)多巴胺（Dopamine）7.當神經(jīng)元長時間或高強度活動時，除了ATP消耗增加外，其代謝副產(chǎn)物可能包括：(A)乙酰輔酶A（Acetyl-CoA）(B)乳酸（Lactate）(C)氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD?）(D)草酰乙酸（Oxaloacetate）8.阿爾茨海默病（AD）中，常被報道與神經(jīng)元能量代謝障礙相關的病理改變包括：(A)腦脊液（CSF）中ATP水平顯著升高(B)線粒體DNA（mtDNA）缺失突變增加(C)血腦屏障葡萄糖轉(zhuǎn)運速率顯著加快(D)細胞膜磷脂合成顯著增強9.“氧化應激”在神經(jīng)元能量代謝紊亂中的作用可能體現(xiàn)在：(A)增強線粒體對氧氣的利用效率(B)誘導線粒體通透性轉(zhuǎn)換(C)促進葡萄糖無氧酵解(D)提高ATP合成速率10.神經(jīng)元對能量供應的依賴性體現(xiàn)在其對外界環(huán)境變化的敏感度上，例如：(A)血糖濃度劇烈波動對神經(jīng)元功能影響不大(B)短暫的局部腦缺血即可導致神經(jīng)元損傷(C)神經(jīng)元可以通過大量合成糖原來儲備能量(D)神經(jīng)元對氧氣濃度的變化不敏感二、簡答題（每題5分，共30分。請簡要回答下列問題）1.簡述神經(jīng)元在動作電位發(fā)生期間主要的能量消耗環(huán)節(jié)。2.解釋鈉鉀泵如何維持神經(jīng)元的電化學梯度，并說明其耗能機制。3.描述氧化磷酸化過程中的關鍵酶及其主要功能。4.為什么說線粒體是神經(jīng)元能量代謝的核心場所？5.簡述缺血缺氧條件下，神經(jīng)元會發(fā)生哪些主要的能量代謝相關損傷。6.學習和記憶等高級腦功能活動與神經(jīng)元能量代謝之間存在怎樣的聯(lián)系？三、論述題（每題10分，共50分。請結(jié)合所學知識，深入闡述下列問題）1.詳細論述突觸傳遞過程（包括囊泡準備、釋放和回收）中涉及的主要能量消耗步驟。2.闡述能量代謝異常（如線粒體功能障礙）如何導致神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展，并舉例說明。3.探討在神經(jīng)科學研究中，如何利用代謝標記物（如1?C-葡萄糖攝取）來評估神經(jīng)元的功能狀態(tài)或活動水平。4.結(jié)合具體的神經(jīng)活動狀態(tài)（如長時間學習、睡眠狀態(tài)），分析神經(jīng)元能量需求的變化模式及其生理意義。5.討論維持神經(jīng)元氧化還原穩(wěn)態(tài)（如NAD/NADH比例）對于能量代謝正常進行的重要性，并簡述氧化應激如何破壞這種穩(wěn)態(tài)。試卷答案一、選擇題1.(C)*解析思路：鈉鉀泵通過主動轉(zhuǎn)運將Na?泵出細胞，K?泵入細胞，維持細胞內(nèi)外離子濃度梯度，該過程直接消耗ATP。其他選項中，葡萄糖轉(zhuǎn)運主要耗能較少，氧化磷酸化是ATP的主要生成方式，神經(jīng)遞質(zhì)釋放主要是胞吐作用，間接依賴能量。2.(C)*解析思路：缺氧時，氧化磷酸化途徑受阻，ATP生成銳減。為了維持能量供應和離子泵功能，細胞被迫大量依賴糖酵解產(chǎn)生ATP，并導致乳酸作為代謝副產(chǎn)物大量堆積。3.(D)*解析思路：GLUTs是葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白家族，負責將葡萄糖從胞外轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)。GLUT3是神經(jīng)元中表達量較高的一種，對葡萄糖的親和力高，主要分布在神經(jīng)元細胞體和樹突，滿足神經(jīng)元對葡萄糖的高需求。4.(B)*解析思路：動作電位涉及離子跨膜流動，特別是Na?內(nèi)流和K?外流，以及隨后為恢復靜息電位所需的離子泵（主要是鈉鉀泵）高強度工作，這些過程都需要大量消耗ATP。5.(C)*解析思路：磷酸肌酸在細胞質(zhì)中儲存和快速釋放高能磷酸基團（PCr?Creatine+Pi），將來自線粒體的ATP分解產(chǎn)生的Pi迅速補充到需要能量的反應中（如合成ATP），從而緩沖ATP和ADP濃度的劇烈波動，快速提供能量。6.(D)*解析思路：多巴胺的合成涉及酪氨酸羥化酶、多巴胺β-羥化酶等多個步驟，其中一些關鍵步驟發(fā)生在神經(jīng)元內(nèi)的線粒體基質(zhì)中，并依賴于三羧酸循環(huán)提供的中間代謝物（如S-腺苷甲硫氨酸，其前體同源物甲硫氨酸的代謝與三羧酸循環(huán)相關）和能量。7.(B)*解析思路：高強度或長時間神經(jīng)活動導致ATP消耗增加，若氧氣供應不足，細胞會通過無氧酵解途徑將葡萄糖代謝為乳酸，以維持部分ATP產(chǎn)量。乙酰輔酶A、氧化型NAD?、草酰乙酸是正常代謝或氧化代謝產(chǎn)物，與活動增加直接關系不大，且草酰乙酸是三羧酸循環(huán)中間體。8.(B)*解析思路：AD患者常伴有線粒體功能障礙，表現(xiàn)為線粒體結(jié)構(gòu)異常、功能下降，以及mtDNA缺失突變率增高，這直接影響了ATP的生成效率。其他選項與AD的典型線粒體變化不符。9.(B)*解析思路：氧化應激是指活性氧（ROS）產(chǎn)生過多或清除不足導致細胞損傷的過程。ROS可以攻擊線粒體膜和DNA，破壞線粒體結(jié)構(gòu)和功能，誘導MPTP開放，導致線粒體膜電位下降，ATP合成減少，進一步加劇代謝紊亂。10.(B)*解析思路：神經(jīng)元耗能巨大，特別是離子泵持續(xù)工作，對能量供應極為敏感。短暫的局部腦缺血會導致該區(qū)域血流和氧氣供應中斷，迅速引發(fā)ATP耗竭，導致離子泵功能喪失、鈣超載、興奮性毒性等，從而在短時間內(nèi)造成神經(jīng)元損傷。二、簡答題1.簡述神經(jīng)元在動作電位發(fā)生期間主要的能量消耗環(huán)節(jié)。*解析思路：動作電位期間，Na?內(nèi)流和K?外流導致膜電位快速去極化和復極化。為維持離子梯度，鈉鉀泵（Na?/K?-ATPase）需要持續(xù)工作，將內(nèi)流的Na?泵出，外流的K?泵入細胞，恢復并維持靜息膜電位。此過程大量消耗ATP。2.解釋鈉鉀泵如何維持神經(jīng)元的電化學梯度，并說明其耗能機制。*解析思路：鈉鉀泵通過主動轉(zhuǎn)運，利用ATP水解提供的能量，將3個Na?離子泵出細胞外，同時將2個K?離子泵入細胞內(nèi)。這一過程逆著離子濃度梯度進行，持續(xù)進行的結(jié)果是維持了細胞內(nèi)低Na?、高K?的離子狀態(tài)，從而形成了穩(wěn)定的電化學梯度。3.描述氧化磷酸化過程中的關鍵酶及其主要功能。*解析思路：氧化磷酸化主要在線粒體內(nèi)膜上進行，關鍵酶包括：①球狀脫氫酶復合體（ComplexI）：將NADH脫下的電子傳遞給ubiquinone，同時將質(zhì)子泵入膜間隙。②細胞色素bc?復合體（ComplexII）：將FADH?的電子傳遞給ubiquinone（此復合體不Pump質(zhì)子）。③泛醌（ubiquinone）-細胞色素c氧化酶復合體（ComplexIII）：將電子從ubiquinone傳遞給細胞色素c，并將大量質(zhì)子泵入膜間隙。④ATP合酶（ComplexIV）：利用膜間隙和基質(zhì)之間的質(zhì)子濃度梯度（質(zhì)子驅(qū)動力），驅(qū)動ADP和無機磷酸合成ATP。核心功能是將電子傳遞鏈中的能量用于泵送質(zhì)子，建立質(zhì)子梯度，并利用此梯度合成ATP。4.為什么說線粒體是神經(jīng)元能量代謝的核心場所？*解析思路：線粒體是細胞內(nèi)進行氧化磷酸化的主要場所，負責將葡萄糖、脂肪酸等燃料分子通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化途徑高效轉(zhuǎn)化為ATP。ATP是神經(jīng)元所有生命活動（包括離子泵、神經(jīng)遞質(zhì)合成與釋放、信號傳導、突觸可塑性等）的直接能量來源。此外，線粒體還參與鈣離子穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)、活性氧產(chǎn)生、細胞凋亡等多種與神經(jīng)元功能相關的過程，因此是神經(jīng)元能量代謝的核心。5.簡述缺血缺氧條件下，神經(jīng)元會發(fā)生哪些主要的能量代謝相關損傷。*解析思路：缺血缺氧首先導致ATP生成急劇減少。ATP耗竭導致依賴ATP的離子泵（鈉鉀泵、鈣泵）功能失效，引起Na?、Ca2?內(nèi)流和K?外流，導致細胞水腫、膜電位崩潰。鈣超載激活多種酶（如鈣依賴性蛋白酶、磷脂酶C），破壞細胞結(jié)構(gòu)和功能。無氧酵解增強產(chǎn)生乳酸，可能導致乳酸酸中毒。線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放，加劇線粒體損傷和細胞死亡。6.學習和記憶等高級腦功能活動與神經(jīng)元能量代謝之間存在怎樣的聯(lián)系？*解析思路：學習和記憶涉及神經(jīng)元網(wǎng)絡的活動變化，包括突觸興奮性改變、突觸結(jié)構(gòu)重塑（如突觸蛋白合成、囊泡儲備和動員）、神經(jīng)元樹突分支生長等。這些過程都需要大量的能量支持，特別是ATP用于驅(qū)動離子泵維持膜電位、合成新的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)分子、以及參與信號轉(zhuǎn)導和囊泡運輸?shù)?。能量代謝的充足和穩(wěn)定是學習和記憶形成與鞏固的必要生理基礎。三、論述題1.詳細論述突觸傳遞過程（包括囊泡準備、釋放和回收）中涉及的主要能量消耗步驟。*解析思路：突觸傳遞的能量消耗主要體現(xiàn)在囊泡的動態(tài)調(diào)控上。*囊泡準備：輕鏈（LC）依賴性突觸小泡蛋白（VAMPs）與突觸囊泡膜融合，需要ATP供能（通過SNARE復合體相互作用和SM蛋白質(zhì)解開）。谷氨酸等神經(jīng)遞質(zhì)的合成和包裝進入囊泡也需要能量。囊泡的合成涉及核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，這些過程均需能量。*囊泡釋放：Ca2?內(nèi)流觸發(fā)突觸前膜與囊泡融合（出胞），這個過程高度依賴ATP。SNARE復合體介導的膜融合過程需要ATP水解提供能量（例如通過Munc13、Munc18等蛋白質(zhì)的作用）。鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶（Calcineurin）和Ras相關C3肉毒堿酯酶（RhoA-ROCK）通路也參與調(diào)控，并間接消耗能量。*囊泡回收：突觸囊泡釋放后，需要通過胞吞作用（Endocytosis）從突觸前膜回收，形成可再利用的循環(huán)池。這個過程包括囊泡內(nèi)陷、與細胞膜融合（內(nèi)吞體形成）、內(nèi)吞體運輸回細胞體或再循環(huán)至突觸前。膜融合和運輸過程均需ATP供能（如通過網(wǎng)格蛋白、coatomer等介導的包被運輸機制中的ATPase活性）。2.闡述能量代謝異常（如線粒體功能障礙）如何導致神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展，并舉例說明。*解析思路：線粒體功能障礙是許多神經(jīng)退行性疾病的核心病理特征之一。其導致神經(jīng)元損傷的機制包括：*ATP耗竭：氧化磷酸化效率降低，導致神經(jīng)元能量供應不足，無法支持正常的離子泵功能、蛋白質(zhì)合成、突觸維持等活動，最終導致神經(jīng)元功能障礙和死亡。*氧化應激增加：線粒體是ROS的主要產(chǎn)生場所。線粒體功能障礙導致電子傳遞鏈泄漏，產(chǎn)生更多ROS。ROS攻擊脂質(zhì)（產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化）、蛋白質(zhì)（導致變性和酶失活）和DNA（導致突變），引起氧化損傷，破壞線粒體自身結(jié)構(gòu)和功能，形成惡性循環(huán)。*鈣超載：線粒體功能障礙影響細胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)。一方面，ATP不足導致鈣泵功能下降；另一方面，受損的線粒體釋放鈣離子到細胞質(zhì)。細胞內(nèi)鈣超載會激活多種鈣依賴性酶（如CaMKII、鈣依賴性蛋白酶、磷脂酶C），引起神經(jīng)元毒性反應，如蛋白聚集、脂質(zhì)過氧化、興奮性毒性等。*細胞凋亡：線粒體功能障礙可通過多種途徑觸發(fā)細胞凋亡，如釋放凋亡誘導因子（Apaf-1,cytochromec），激活caspase級聯(lián)反應。*例子：在阿爾茨海默?。ˋD）中，常發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元線粒體形態(tài)異常、復合體酶活性下降、mtDNA突變率增高、氧化應激和鈣超載現(xiàn)象。這些線粒體功能障礙直接參與了AD的認知功能衰退和神經(jīng)元死亡。帕金森?。≒D）中，黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的線粒體功能障礙和氧化應激是導致多巴胺能神經(jīng)元選擇性死亡的關鍵因素。3.探討在神經(jīng)科學研究中，如何利用代謝標記物（如1?C-葡萄糖攝?。﹣碓u估神經(jīng)元的功能狀態(tài)或活動水平。*解析思路：1?C-葡萄糖攝取是評估神經(jīng)元代謝活動的一種常用方法，其原理基于葡萄糖是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要能量底物。通過給實驗對象注射標記有放射性同位素1?C的葡萄糖（1?C-葡萄糖），然后在不同時間點測量特定腦區(qū)或細胞（如通過體外培養(yǎng)或活體成像技術(shù)）攝取和利用1?C-葡萄糖的速率。*評估功能狀態(tài)：由于神經(jīng)活動（如放電、突觸傳遞）會顯著增加神經(jīng)元的能量需求，從而提高葡萄糖的攝取速率，因此1?C-葡萄糖攝取速率可以反映神經(jīng)元的興奮程度或活動水平。例如，在刺激特定腦區(qū)時，該區(qū)域神經(jīng)元的葡萄糖攝取速率會升高。在研究神經(jīng)遞質(zhì)、藥物或基因?qū)ι窠?jīng)元功能的影響時，可以通過比較實驗組和對照組的葡萄糖攝取速率來評估其作用效果。*研究方法：體外培養(yǎng)神經(jīng)元時，可以直接測量培養(yǎng)基中1?C-葡萄糖的放射性變化。活體動物研究中，通常采用正電子發(fā)射斷層掃描（PET）技術(shù)，注射1?C-或類似1?C的放射性葡萄糖類似物（如1?F-FDG，雖然不是1?C，但原理類似），通過探測器測量腦部放射性分布和變化，從而評估不同腦區(qū)的相對葡萄糖代謝率（rCMRglu），間接反映神經(jīng)元活動水平。需要注意的是，腦區(qū)葡萄糖攝取也受血腦屏障通透性、膠質(zhì)細胞活動等因素影響，需結(jié)合其他方法綜合分析。4.結(jié)合具體的神經(jīng)活動狀態(tài)（如長時間學習、睡眠狀態(tài)），分析神經(jīng)元能量需求的變化模式及其生理意義。*解析思路：不同神經(jīng)活動狀態(tài)對應不同的能量需求模式。*長時間學習/認知活動：這類活動涉及大量的神經(jīng)元同步或異步放電，以及復雜的突觸傳遞和可塑性變化（如長時程增強LTP）。因此，能量需求顯著升高，尤其是在參與認知功能的腦區(qū)（如海馬體、前額葉皮層）。需求增加主要體現(xiàn)在：①離子泵（鈉鉀泵、鈣泵）為維持大量神經(jīng)元活動引起的離子梯度變化而高強度工作；②突觸活動增加，需要更多能量用于神經(jīng)遞質(zhì)的合成、包裝入囊泡、釋放和回收；③突觸重塑需要蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的合成與運輸，消耗大量ATP。生理意義在于支持信息的獲取、處理和存儲。*睡眠狀態(tài)：睡眠期間，雖然整體腦部代謝率可能略有下降，但不同睡眠階段（如快速眼動睡眠REM、慢波睡眠NREM）的能量需求和代謝特征存在差異。例如，REM睡眠期間，腦電活動類似于清醒狀態(tài)，甚至可能出現(xiàn)高幅度的放電，此時能量需求可能較高。而NREM睡眠的某些階段（如深度睡眠），可能與生長激素分泌、蛋白質(zhì)合成、代謝廢物清除（如通過膠質(zhì)細胞主動轉(zhuǎn)運）等恢復