2025年大學《神經(jīng)科學》專業(yè)題庫——光學鏡頭揭示神經(jīng)元電信號傳導考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題2分，共10分）1.靜息電位2.動作電位3.電壓敏感染料4.共聚焦顯微鏡5.光遺傳學二、填空題（每空1分，共15分）1.神經(jīng)元在靜息狀態(tài)下，膜內(nèi)電位相對于膜外為__________電位，主要由_____________和_____________的分布不均及膜對不同離子的__________性決定。2.動作電位的產(chǎn)生遵循__________定律，其傳導過程在無髓鞘軸突上是__________傳導，在髓鞘化軸突上是__________傳導。3.電壓敏感染料能夠與膜電位變化相關(guān)聯(lián)，通常其熒光強度隨膜電位變化而__________，這使得研究者能夠通過檢測熒光信號間接測量神經(jīng)元的__________變化。4.共聚焦顯微鏡通過__________和__________技術(shù)實現(xiàn)高分辨率成像，能夠?qū)罴毎M行__________成像，常用于觀察熒光標記的__________________和__________________。5.光遺傳學技術(shù)利用基因工程技術(shù)將_____________通道與神經(jīng)元表達，通過特定波長的__________光照射，可以精確控制神經(jīng)元的______________活動。三、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后括號內(nèi)）1.下列哪項不是動作電位產(chǎn)生的外部條件？（）A.刺激達到一定強度（閾值）B.細胞膜對Na+具有高通透性C.靜息電位存在D.膜內(nèi)K+濃度高于膜外2.與連續(xù)傳導相比，跳躍式傳導的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是？（）A.細胞體B.軸丘C.髓鞘D.施旺細胞3.能夠直接測量細胞內(nèi)Ca2+濃度變化的熒光指示劑屬于？（）A.電壓敏感染料B.表達在神經(jīng)元上的Ca2+通道C.與Ca2+結(jié)合后熒光強度發(fā)生特異性變化的指示劑D.光遺傳學中的光敏蛋白4.哪種光學顯微鏡技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)活細胞內(nèi)的三維成像？（）A.寬場熒光顯微鏡B.共聚焦顯微鏡C.雙光子顯微鏡D.電子顯微鏡5.光遺傳學技術(shù)的核心是？（）A.使用特定波長的光B.表達光敏離子通道C.電刺激神經(jīng)元D.使用電壓敏感染料6.下列哪種情況會導致神經(jīng)沖動在軸突上的傳導速度減慢？（）A.軸突直徑增大B.軸突髓鞘化C.靜息電位幅度減小D.細胞膜K+通道開放增加7.電壓敏感染料記錄神經(jīng)元電信號的主要缺點是？（）A.無法區(qū)分內(nèi)向和外向離子流B.熒光信號易受光照漂白影響C.只能記錄靜息電位D.不能用于活細胞記錄8.共聚焦顯微鏡相較于寬場熒光顯微鏡的主要優(yōu)勢在于？（）A.可以進行活細胞成像B.成像分辨率更高，背景干擾更小C.更適合觀察厚樣品D.成像速度更快9.利用光學方法研究神經(jīng)元電信號傳導時，電壓敏感染料和光遺傳學技術(shù)的主要區(qū)別在于？（）A.響應(yīng)信號類型（電位/離子流）B.對神經(jīng)元功能的干預(yù)方式（間接測量/直接調(diào)控）C.成像原理D.適用細胞類型10.限制雙光子顯微鏡成像深度的主要因素是？（）A.物鏡數(shù)值孔徑B.熒光探針的量子產(chǎn)率C.光在組織中的散射和吸收D.顯微鏡的光源功率四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述動作電位產(chǎn)生的過程，包括關(guān)鍵離子通道的開放與關(guān)閉順序。2.簡述電壓敏感染料如何用于間接測量神經(jīng)元的膜電位變化。3.與傳統(tǒng)的電生理記錄方法相比，利用光學鏡頭技術(shù)研究神經(jīng)元電信號傳導有哪些主要優(yōu)勢？4.簡述光遺傳學技術(shù)的基本原理及其在神經(jīng)科學研究中可能的應(yīng)用方向。五、論述題（10分）結(jié)合光學成像技術(shù)的特點，論述如何利用電壓敏感染料結(jié)合共聚焦或雙光子顯微鏡技術(shù)，設(shè)計一個實驗方案來研究特定腦區(qū)（如海馬體）單個神經(jīng)元在某種特定刺激（如電刺激或化學刺激）下的動作電位發(fā)放情況，并簡述可能需要考慮的關(guān)鍵實驗參數(shù)和技術(shù)細節(jié)。試卷答案一、名詞解釋1.靜息電位：膜內(nèi)負膜外正的穩(wěn)定電位差。*解析思路：考察對靜息電位基本定義的掌握。靜息電位是神經(jīng)元在未受刺激時的基礎(chǔ)電位狀態(tài)，通常膜內(nèi)電位為-70mV左右（不同神經(jīng)元有所差異），膜外為正。2.動作電位：可興奮細胞膜在受刺激時發(fā)生的一次短暫的、可傳播的電位變化。*解析思路：考察對動作電位基本概念的掌握。動作電位是神經(jīng)元興奮的標志，具有“全或無”、不衰減傳播等特點。3.電壓敏感染料：能夠與細胞膜電位變化相關(guān)聯(lián)，其光學性質(zhì)（如熒光強度、波長）隨膜電位改變而改變的熒光染料。*解析思路：考察對電壓敏感染料功能原理的理解。這類染料通過與膜電位相關(guān)的離子（通常是Na+或Ca2+）結(jié)合或自身構(gòu)象變化，導致其熒光特性發(fā)生改變，從而間接反映膜電位。4.共聚焦顯微鏡：利用點掃描式激光激發(fā)樣品，并通過空間pinhole阻止離焦光，實現(xiàn)高分辨率、光學切片成像的顯微鏡技術(shù)。*解析思路：考察對共聚焦顯微鏡核心成像原理（針孔消除像差）的掌握。5.光遺傳學：通過基因工程技術(shù)將光敏離子通道蛋白（如Channelrhodopsin,Halorhodopsin）表達在特定神經(jīng)元上，利用特定波長的光照射來精確控制這些神經(jīng)元的興奮或抑制狀態(tài)的技術(shù)。*解析思路：考察對光遺傳學核心技術(shù)原理和組成的掌握，包括基因工程、光敏蛋白、光照控制神經(jīng)元活動。二、填空題1.負；鈉離子（Na+）；鉀離子（K+）；選擇性*解析思路：考察對靜息電位形成機制的理解，涉及離子分布、膜電位特點。2.全或無；連續(xù)；跳躍式*解析思路：考察對動作電位特性和傳導方式的掌握。3.變化；膜電位*解析思路：考察對電壓敏感染料工作原理的理解，即熒光信號變化與膜電位變化的關(guān)系。4.激光掃描；針孔；薄層；細胞器；膜*解析思路：考察對共聚焦顯微鏡原理、功能及其在細胞生物學中應(yīng)用的了解。5.光敏；藍；興奮或抑制*解析思路：考察對光遺傳學技術(shù)核心要素（光敏蛋白、光源波長、功能調(diào)控）的掌握。三、選擇題1.D*解析思路：考察對動作電位產(chǎn)生外部條件的掌握。動作電位產(chǎn)生需要達到閾刺激、膜對Na+通透性增加、靜息電位存在。膜內(nèi)K+濃度高于膜外是靜息電位的特征，不是產(chǎn)生動作電位的外部條件。2.C*解析思路：考察對軸突傳導方式及其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的掌握。髓鞘的絕緣作用使得動作電位可以在郎飛氏結(jié)之間跳躍式傳導，速度遠快于無髓鞘的連續(xù)傳導。3.C*解析思路：考察對Ca2+指示劑分類的掌握。Ca2+指示劑的核心原理是其與Ca2+結(jié)合后，其熒光性質(zhì)（強度、波長）發(fā)生特異性、可測量的變化。4.C*解析思路：考察對不同光學顯微鏡技術(shù)的性能了解。雙光子顯微鏡利用雙光子激發(fā)，具有較深的光學穿透深度和減少的光毒副作用，更適合活體三維成像。共聚焦也能做三維，但雙光子穿透力更強。5.B*解析思路：考察對光遺傳學技術(shù)核心要素的掌握。光遺傳學的關(guān)鍵是表達光敏離子通道蛋白，使其整合入神經(jīng)元膜。6.A*解析思路：考察對影響傳導速度因素的掌握。軸突直徑增大，郎飛氏結(jié)間距離相對縮短，傳導速度加快。髓鞘化、靜息電位幅度合適、K+通道減少都有助于加快傳導。7.B*解析思路：考察對電壓敏感染料局限性的了解。光照（尤其是持續(xù)或高強度光照）會導致染料降解或光漂白，影響熒光信號的穩(wěn)定性和測量準確性，這是常見的缺點。8.B*解析思路：考察對共聚焦與寬場顯微鏡優(yōu)劣勢的掌握。共聚焦通過針孔消除旁軸光和離焦光，獲得比寬場顯微鏡更高的圖像分辨率和更低的背景噪聲。9.B*解析思路：考察對兩種技術(shù)功能差異的理解。電壓敏感染料通過光學手段測量膜電位變化（間接測量），而光遺傳學通過光激活/抑制離子通道來直接控制神經(jīng)元的電活動或功能狀態(tài)。10.C*解析思路：考察對光在生物組織中傳播限制的理解。光在穿透組織時會發(fā)生散射和吸收，尤其是紅外光（雙光子激發(fā)常用波長），這使得成像深度受到限制。四、簡答題1.動作電位產(chǎn)生過程：當神經(jīng)纖維某處受到有效刺激，使膜電位去極化達到閾電位時，電壓門控Na+通道大量開放，導致Na+內(nèi)流，膜電位迅速、短暫地變?yōu)檎担纬蓜幼麟娢坏纳仙?。隨后，電壓門控Na+通道失活關(guān)閉，電壓門控K+通道開放，K+外流，膜電位迅速恢復到負值，形成下降相。最后，通過離子泵（如鈉鉀泵）將Na+泵出、K+泵入，使膜電位恢復到靜息水平，形成復極化和超極化恢復期。*解析思路：要求系統(tǒng)描述動作電位分期的離子機制和通道開放關(guān)閉順序。2.電壓敏感染料用于間接測量膜電位變化：將能夠與膜電位變化相關(guān)的電壓敏感染料通過胞內(nèi)注射或浸泡等方式引入到可興奮細胞（如神經(jīng)元）內(nèi)部。當細胞膜電位發(fā)生變化時，細胞內(nèi)外的離子濃度梯度驅(qū)動離子（通常是Na+或Ca2+）與染料分子結(jié)合或?qū)е氯玖戏肿訕?gòu)象改變。這種結(jié)合或改變會引起染料分子吸收光譜或熒光發(fā)射光譜/強度的變化。通過使用熒光顯微鏡或熒光光度計檢測這種光學信號的變化，并建立已知條件下染料信號與膜電位的關(guān)系曲線（校準曲線），就可以間接推算出細胞膜電位的動態(tài)變化。*解析思路：要求解釋染料如何響應(yīng)電位變化，以及如何將光學信號轉(zhuǎn)化為電位信息，涉及染料機制、檢測方法和校準。3.利用光學鏡頭技術(shù)研究神經(jīng)元電信號傳導的優(yōu)勢：①高時空分辨率：光學顯微鏡（特別是共聚焦、雙光子）能實現(xiàn)對細胞內(nèi)特定區(qū)域（亞細胞器）和單個神經(jīng)元的精確成像和信號記錄，空間分辨率可達亞微米級，時間分辨率也可達毫秒級。②活體研究：許多光學成像技術(shù)（特別是基于熒光的）允許在接近生理狀態(tài)下對活體動物或培養(yǎng)細胞進行長時間的、非侵入性的觀察。③多重標定：可以同時使用不同的熒光探針（如電壓敏感染料、Ca2+指示劑、神經(jīng)遞質(zhì)探針、表達標記）對同一神經(jīng)元或神經(jīng)群體進行成像和功能分析。④基因操作結(jié)合：易于與基因工程技術(shù)（如病毒載體遞送、CRISPR/Cas9編輯）結(jié)合，實現(xiàn)光遺傳學調(diào)控或研究基因修飾對神經(jīng)電活動的影響。*解析思路：要求從空間、時間分辨率、研究狀態(tài)、多參數(shù)檢測、與基因技術(shù)結(jié)合等方面闡述光學方法的優(yōu)勢。4.光遺傳學技術(shù)的基本原理及其應(yīng)用方向：基本原理是利用基因工程技術(shù)將來自藻類或細菌的光敏離子通道（如Channelrhodopsin,Halorhodopsin,ArchT等）通過病毒載體等導入到特定類型的神經(jīng)元中。這些光敏蛋白鑲嵌在神經(jīng)元膜上，當用特定波長（通常是藍光或黃綠光）的激光照射到表達這些蛋白的神經(jīng)元時，光能被光敏蛋白吸收并引發(fā)構(gòu)象變化，導致離子通道開放，從而產(chǎn)生內(nèi)向或外向的離子流，精確地改變神經(jīng)元的膜電位或鈣離子濃度，進而調(diào)控其興奮性或抑制性。應(yīng)用方向包括：①精確定位和操縱神經(jīng)環(huán)路：研究特定神經(jīng)元或神經(jīng)回路在行為、感覺、認知、情緒等過程中的作用。②研究神經(jīng)可塑性：探究神經(jīng)活動與突觸可塑性的關(guān)系。③治療神經(jīng)和精神疾?。喝缤ㄟ^光遺傳學調(diào)控異常神經(jīng)活動以治療癲癇、帕金森病、抑郁癥等。*解析思路：要求解釋光遺傳學的核心機制（基因、蛋白、光照、離子流）以及其在神經(jīng)科學研究和潛在臨床應(yīng)用中的主要用途。五、論述題設(shè)計一個利用電壓敏感染料結(jié)合共聚焦顯微鏡研究海馬體神經(jīng)元動作電位發(fā)放的實驗方案：實驗?zāi)康模河^察并記錄特定刺激下單個海馬體錐體神經(jīng)元動作電位的發(fā)放情況。實驗步驟與參數(shù)：1.樣品準備：制備腦片切片（例如，來自成年大鼠或小鼠的海馬CA1區(qū)），放置于保持生理鹽溶液（含O2）的記錄槽中，維持37°C和正常大氣壓。2.細胞選擇與標記：使用共聚焦顯微鏡的細胞分選功能，在熒光模式下選擇形態(tài)符合海馬錐體神經(jīng)元特征的單個細胞。通過電穿孔或內(nèi)吞途徑將電壓敏感染料（如Di-4-ASP或Fura-2AM酯）注入或加載到選定細胞內(nèi)。待染料充分擴散后，切換到記錄模式。3.儀器設(shè)置：配置共聚焦顯微鏡，選擇合適的激光器（如488nm激發(fā)光用于電壓敏感染料，避免光漂白過快）和探測器。設(shè)置合適的掃描速度、激光功率、針孔大小和檢測波長，確保能穩(wěn)定檢測到熒光信號變化，同時盡量減少光損傷。進行基線熒光信號記錄。4.刺激施加：使用微電極或刺激電極在靠近記錄神經(jīng)元的位置施加特定刺激（如短暫電流脈沖或電場刺激），模擬生理條件下的神經(jīng)信號傳入。5.信號記錄：在施加刺激