110 年 國立政治大學神經科學研究所（原：生命科學研究所）《生理學》

此題考查消化系統中各器官分泌消化酶的能力。

核心觀念： 消化酶是由消化道內的特定器官分泌，以協助分解食物。

解題過程：

• (A) Stomach (胃)： 胃分泌胃液，含有胃蛋白酶（pepsin）等消化酶，負責初步消化蛋白質。
• (B) Intestine (小腸)： 小腸分泌腸液，並接受來自胰腺的胰液，這些消化液中含有多種消化酶，如澱粉酶、脂肪酶、蛋白酶等，是食物消化的主要場所。

此題考查腦部常見的細胞類型及其功能與分布。

核心觀念： 腦部主要由神經元、神經膠質細胞（包括寡樹突膠質細胞、星形膠質細胞、小膠質細胞、室管膜細胞）組成。某些神經膠質細胞，如施萬細胞（Schwann cells），則主要分布於周邊神經系統。

解題過程：

• (A) GABA interneurons： GABA（γ-aminobutyric acid）是一種抑制性神經傳導物質，GABA 抑制神經元是腦部中非常常見的一類中間神經元，負責調節神經活動。
• (B) microglia： 小膠質細胞是腦部的主要免疫細胞，屬於中樞神經系統的膠質細胞。

此題考查神經肌肉接點（neuromuscular junction, NMJ）的神經傳導物質。

核心觀念： 神經肌肉接點是運動神經元末梢與肌肉纖維之間形成突觸的部位，其主要的興奮性神經傳導物質是乙醯膽鹼。

解題過程：

• (A) acetylcholine： 乙醯膽鹼（acetylcholine）是運動神經元釋放的神經傳導物質，與肌肉纖維上的乙醯膽鹼受體結合，引起肌肉收縮。這是神經肌肉接點的標準傳導物質。

此題考查肝細胞（hepatocytes）的主要功能。

核心觀念： 肝細胞是肝臟的主要功能細胞，執行多種代謝、合成、分泌和解毒功能。

解題過程：

• (A) cholesterol metabolism (膽固醇代謝)： 肝細胞是體內膽固醇合成和代謝的主要場所。
• (B) secreting ghrelin (分泌飢餓素)： 飢餓素（ghrelin）主要由胃壁細胞分泌，是一種促進食慾的激素。肝臟雖參與代謝，但不是飢餓素的主要分泌器官。

此題考查影響心率的生理機制。

核心觀念： 心率受到自主神經系統（交感神經和副交感神經）、激素以及心血管反射的綜合調節。

解題過程：

• (A) the activity of sympathetic nerves (交感神經的活動)： 交感神經興奮會釋放正腎上腺素，作用於心臟的 $\beta_1$ 受體，使心率加快、心肌收縮力增強。
• (B) plasma levels of epinephrine (血漿中腎上腺素的濃度)： 腎上腺素（epinephrine）由腎上腺髓質分泌，進入血液後，作用類似於交感神經興奮，能增加心率和心肌收縮力。

此題考查脂肪組織分泌的荷爾蒙，稱為脂聯素（adipokines），以及哪些分子屬於脂聯素。

核心觀念： 脂肪組織不僅是儲存能量的場所，也是一個內分泌器官，能分泌多種調節代謝的荷爾蒙，統稱為脂聯素。

解題過程：

• (A) insulin (胰島素)： 胰島素主要由胰臟 $\beta$ 細胞分泌，調節血糖代謝，不是主要由脂肪組織分泌。
• (B) ghrelin (飢餓素)： 飢餓素主要由胃分泌，刺激食慾，雖然脂肪組織也可能少量分泌，但不是其主要分泌物。

此題考查氣體（氧氣 $O_2$ 和二氧化碳 $CO_2$）在肺泡與肺泡毛細血管之間的交換方式。

核心觀念： 氣體的跨膜運輸主要依賴於壓力梯度，通過簡單擴散（simple diffusion）進行。

解題過程：

• (A) bulk flow (體積流/塊狀流)： 體積流是指液體或氣體整體移動，例如呼吸時空氣的進出，或血液在血管中的流動，但它不是氣體分子在肺泡和毛細血管壁之間的交換方式。
• (B) diffusion (擴散)： 氣體交換的根本機制是擴散。氧氣從肺泡（氧分壓高）擴散到血液（氧分壓低），二氧化碳從血液（二氧化碳分壓高）擴散到肺泡（二氧化碳分壓低）。這是一個被動過程，由分壓差驅動。

此題考查腎臟的主要生理功能，並找出其中一項非腎臟功能。

核心觀念： 腎臟在體內扮演多種重要角色，包括排泄廢物、調節體液平衡、維持電解質平衡、調節血壓、分泌激素等。

解題過程：

• (A) Recycling red blood cells (回收紅血球)： 紅血球的回收主要由脾臟、肝臟和骨髓中的巨噬細胞負責，負責清除衰老或受損的紅血球，並回收其中的鐵質。腎臟不負責此功能。
• (B) producing erythropoietin (產生促紅血球生成素)： 腎臟是產生促紅血球生成素（erythropoietin, EPO）的主要器官。EPO 刺激骨髓產生紅血球。

此題考查海馬迴（Hippocampus）的主要功能。

核心觀念： 海馬迴是哺乳動物大腦邊緣系統的一部分，在學習、記憶（尤其是情景記憶和空間記憶）以及情緒調節中扮演關鍵角色。

解題過程：

• (A) spatial navigation (空間導航)： 海馬迴對於形成空間地圖和執行空間導航至關重要。例如，腦中存在「位置細胞」（place cells）和「網格細胞」（grid cells），這些細胞的功能與海馬迴緊密相關。
• (B) motor coordination (運動協調)： 運動協調主要由小腦、基底核等腦區負責，海馬迴在此功能中不扮演主要角色。

核心觀念

神經傳遞物質（neurotransmitter）是由神經元合成並儲存於突觸前末梢，受到刺激後釋放至突觸間隙，與突觸後受體結合，進而改變下一個細胞膜電位或細胞功能的化學物質。

中樞神經系統常見的神經傳遞物質包括：

• 興奮性胺基酸：glutamate
• 抑制性胺基酸：GABA
• 單胺類：norepinephrine、dopamine、serotonin、histamine
• 其他物質：acetylcholine、各種神經肽等

本題的判斷重點，是分辨「主要作為腦內神經傳遞物質」的分子，以及主要作為內分泌激素或周邊神經傳遞物質的分子。

解題方法

逐一檢查各選項是否屬於腦內已知的神經傳遞物質：

1. glutamate 是中樞神經系統最主要的興奮性神經傳遞物質。
2. GABA 是中樞神經系統最主要的抑制性神經傳遞物質。
3. norepinephrine 由腦幹藍斑核等區域的神經元釋放，參與注意力、覺醒與壓力反應。
4. histamine 由下視丘結節乳頭核（tuberomammillary nucleus）神經元釋放，參與覺醒、食慾及生理節律。
5. epinephrine 在基礎生理學分類中主要被視為腎上腺髓質分泌的激素，而非腦內主要神經傳遞物質。

因此，依照研究所生理學常用的教科書分類，答案為 epinephrine。

選項分析

(A) glutamate

錯誤選項。Glutamate 是腦內最主要的興奮性神經傳遞物質，作用於 ionotropic receptors（如 AMPA、NMDA 受體）及 metabotropic glutamate receptors，可造成突觸後神經元興奮，並參與學習與記憶。

(B) GABA

名詞解釋： 軸漿運輸（Axoplasmic transport）

定義： 軸漿運輸是指神經元細胞體內的細胞質成分（包括各種蛋白質、囊泡、細胞器等）沿著神經纖維（軸突）的運輸過程。這個過程對於維持軸突的結構和功能、神經傳導物質的合成與運輸、以及軸突的再生都至關重要。

機制： 軸漿運輸主要分為兩種：

1. 快軸漿運輸 (Fast axonal transport)： 速度可達 $200-400$ mm/day，主要運輸囊泡（如含有神經傳導物質的突觸小泡）、粒線體、離子通道蛋白等。

名詞解釋： 突觸可塑性（Synaptic plasticity）

定義： 突觸可塑性是指突觸傳遞訊號的能力隨時間發生變化的現象。這種變化可以是增強（興奮性增強，Long-Term Potentiation, LTP）或減弱（抑制性減弱，Long-Term Depression, LTD）。它是學習和記憶的神經基礎之一。

名詞解釋： 視覺皮質（Visual cortex）

定義： 視覺皮質是大腦皮質中負責處理視覺資訊的區域，主要位於枕葉（occipital lobe）。它接收來自視網膜的視覺訊號，並進行初步的分析和處理，包括辨識形狀、顏色、運動、深度等。

結構與功能：

• 初級視覺皮質 (Primary visual cortex, V1)： 接收來自視丘外側膝狀體（lateral geniculate nucleus, LGN）的視覺輸入，是視覺處理的起點，能夠辨識簡單的視覺特徵，如邊緣、方向和運動。

名詞解釋： 神經胜肽（Neuropeptide）

定義： 神經胜肽是一類由神經元合成、儲存並釋放的小分子胜肽，作為神經傳導物質或神經調節物質，參與調節多種生理功能，包括疼痛感知、情緒、食慾、睡眠、學習記憶、內分泌調節等。

特點：

• 合成： 在細胞體內通過轉錄和轉譯過程合成，經由粗糙內質網和高爾基體加工成熟。
• 運輸： 沿著軸突運輸到神經末梢（軸漿運輸）。

本題為問答題，要求解釋先天免疫系統的抗病毒反應以及疫苗抗病毒作用的原理。

核心觀念： 先天免疫系統是機體抵抗感染的第一道防線，能快速識別病原體並啟動非特異性免疫反應。疫苗則是利用模擬病原體，誘導機體產生特異性適應性免疫反應，從而提供保護。

(A) 先天免疫系統的抗病毒反應 (Antiviral responses of innate immune system)

先天免疫系統通過多種機制識別和清除病毒感染：

1. 模式識別受體 (Pattern Recognition Receptors, PRRs)：

   • 細胞內 PRRs（如 RIG-I-like receptors, TLR3, TLR7/8, TLR9）識別病毒核酸（如 dsRNA, ssRNA, CpG DNA）。
   • 細胞外 PRRs（如 TLR2, TLR4）識別病毒表面的蛋白質或醣蛋白。
   • 當 PRRs 被激活後，會啟動下游訊號傳導通路，誘導細胞產生細胞因子和趨化因子。

2. 干擾素 (Interferons, IFNs)：

   • I 型干擾素 (Type I IFNs, IFN-$\alpha$/$\beta$)： 是抗病毒反應的核心。被感染細胞釋放 IFN，作用於鄰近未感染細胞，誘導產生抗病毒蛋白（如 PKR, OAS, Mx proteins），這些蛋白能抑制病毒的複製（如抑制病毒 RNA 合成、蛋白質合成、RNA 降解）。
   • IFN 也能激活 NK 細胞，增強其細胞毒性。

3. 自然殺傷細胞 (Natural Killer Cells, NK cells)：

   • NK 細胞識別被病毒感染的細胞（通常是因 MHC-I 分子表達下調而變得「不正常」的細胞）。
   • NK 細胞釋放穿孔素（perforin）和顆粒酶（granzymes），誘導被感染細胞凋亡。

4. 巨噬細胞與樹突狀細胞 (Macrophages and Dendritic Cells)：

   • 吞噬被感染的細胞碎片或病毒顆粒。
   • 釋放細胞因子（如 TNF-$\alpha$, IL-6, IL-12），促進炎症反應和激活其他免疫細胞。
   • 樹突狀細胞是重要的抗原呈遞細胞，能將病毒抗原呈遞給 T 細胞，啟動適應性免疫。

5. 炎症反應 (Inflammation)：

   • 由細胞因子和趨化因子引起，增加局部血流量和血管通透性，吸引更多免疫細胞到達感染部位。

本題要求比較離子通道偶聯受體和 G 蛋白偶聯受體與配體結合後，下游的訊號傳遞反應。

核心觀念： 神經傳導物質通過與突觸後膜上的受體結合，引發細胞反應。這些受體主要分為兩大類：離子通道偶聯受體（Ionotropic receptors）和 G 蛋白偶聯受體（Metabotropic receptors）。它們的下游訊號傳遞機制和反應速度、持續時間有顯著差異。

(A) 離子通道偶聯受體 (Ion Channel-Coupled Receptors, ICCRs) / 離子型受體 (Ionotropic Receptors)

1. 結構： 這類受體本身就是一個離子通道。當神經傳導物質（配體）結合到受體的特定結合位點時，會引起受體構象改變，直接打開或關閉離子通道。
2. 下游反應：
   • 離子通透性改變： 受體的打開或關閉直接改變質膜對特定離子的通透性（如 $Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Cl^-$）。
   • 膜電位改變： 離子的流動（內向或外向）直接改變突觸後神經元的膜電位，導致去極化（產生興奮性突觸後電位, EPSP）或超極化（產生抑制性突觸後電位, IPSP）。
   • 細胞內離子濃度變化： 如 $Ca^{2+}$ 的內流，可作為第二信使啟動後續細胞內反應。
3. 反應特點：
   • 速度快： 訊號傳遞直接，反應時間通常在毫秒級。
   • 持續時間短： 當配體解離或被代謝酶降解後，通道關閉，反應迅速結束。
   • 主要功能： 介導快速的突觸傳遞，如興奮性或抑制性突觸後電位的產生。
   • 例子： NMDA 受體、AMPA 受體（與麩胺酸結合）、GABA$_A$ 受體（與 GABA 結合）、煙鹼型乙醯膽鹼受體（nAChR，與乙醯膽鹼結合）。

(B) G 蛋白偶聯受體 (G Protein-Coupled Receptors, GPCRs) / 代謝型受體 (Metabotropic Receptors)

1. 結構： 這類受體本身不是離子通道。當配體結合後，受體會激活細胞內的 G 蛋白。G 蛋白再進一步激活或抑制效應分子（如腺苷酸環化酶、磷脂酶 C），這些效應分子再產生第二信使。
2. 下游反應：
   • 第二信使產生： G 蛋白激活或抑制效應分子，導致第二信使（如 cAMP, $IP_3$, DAG, $Ca^{2+}$）的濃度改變。
   • 蛋白質激酶級聯反應： 第二信使激活細胞內的蛋白質激酶（如 PKA, PKC），這些激酶可以磷酸化細胞內的靶蛋白（如離子通道、酶、轉錄因子），從而調節其活性。

本題要求解釋下視丘-腦下垂體-腎上腺軸（HPA axis）與重度憂鬱症（Major Depressive Disorder, MDD）發病機制之間的關聯。

核心觀念： HPA 軸是人體主要的壓力反應系統。在重度憂鬱症患者中，HPA 軸的調節功能常出現異常，表現為過度活躍或反應失調，這與憂鬱症的症狀發展密切相關。

HPA 軸的正常功能：
當受到壓力時，大腦的杏仁核（amygdala）會激活下視丘（hypothalamus）。下視丘釋放促腎上腺皮質素釋放因子（Corticotropin-releasing hormone, CRH）。CRH 作用於腦下垂體前葉（anterior pituitary），促使其釋放促腎上腺皮質素（Adrenocorticotropic hormone, ACTH）。ACTH 進入血液，作用於腎上腺皮質（adrenal cortex），刺激其釋放糖皮質素（glucocorticoids），最主要的是皮質醇（cortisol）。皮質醇會產生廣泛的生理效應，幫助機體應對壓力。同時，高濃度的皮質醇會通過負回饋機制，抑制下視丘釋放 CRH 和腦下垂體釋放 ACTH，從而使 HPA 軸恢復到基線水平。

HPA 軸與重度憂鬱症 (MDD) 的關聯：

在許多重度憂鬱症患者中，觀察到 HPA 軸的異常調節，主要表現為：

1. HPA 軸的過度活躍 (Hyperactivity of the HPA axis)：
   • 基線皮質醇水平升高： 許多憂鬱症患者在非壓力狀態下，其血液中皮質醇的基礎水平就顯著高於健康人。
   • 對壓力的反應增強： 面對壓力時，HPA 軸反應過度，釋放更多的 CRH、ACTH 和皮質醇。
   • 負回饋失調 (Impaired negative feedback)： HPA 軸對皮質醇的負回饋調節機制失常。

本題要求描述神經元靜止膜電位的建立過程以及動作電位的傳播方式。

核心觀念： 神經元的靜止膜電位是細胞膜內外離子濃度差異和通透性差異的結果，而動作電位的產生和傳播則依賴於膜電位快速、可逆的變化，以及離子通道的門控機制。

(A) 靜止膜電位的建立 (Establishment of Resting Membrane Potential)

靜止膜電位是指神經元在未受刺激時，細胞膜內外存在的電位差，通常為負值（約 -70 mV）。其建立主要依賴於兩個因素：

1. 離子濃度梯度 (Ionic Concentration Gradients)：

   • 細胞外液： $Na^+$ 和 $Cl^-$ 濃度高。
   • 細胞內液： $K^+$ 和陰離子（如蛋白質、有機酸根）濃度高，$Na^+$ 濃度低。
   • 這些濃度梯度主要由細胞膜上的 鈉鉀離子幫浦 (Na$^+$-K$^+$ pump) 通過耗能（ATP）的主動運輸維持：每消耗 1 個 ATP，將 3 個 $Na^+$ 泵出細胞外，同時將 2 個 $K^+$ 泵入細胞內。這不僅維持了濃度梯度，也產生了一個小的負電位（每運輸 3 $Na^+$ 泵出，2 $K^+$ 泵入，淨電荷外輸）。

2. 膜對離子的通透性 (Membrane Permeability to Ions)：

   • 在靜止狀態下，細胞膜對 $K^+$ 的通透性遠大於對 $Na^+$ 的通透性。這是因為細胞膜上存在較多的靜止 $K^+$ 通道（漏孔通道），而 $Na^+$ 通道（電壓門控 $Na^+$ 通道）則處於關閉狀態。
   • $K^+$ 的外流： 由於細胞內 $K^+$ 濃度高，而細胞外 $K^+$ 濃度低，受濃度梯度驅動，大量的 $K^+$ 通過漏孔通道外流到細胞外。
   • 電位差的產生： $K^+$ 的外流帶走正電荷，使得細胞膜內部的負電荷相對增加，從而產生負電位。
   • 平衡電位： 隨著膜電位變負，電位差對 $K^+$ 的外流產生靜電吸引力，最終達到一個動態平衡，即 $K^+$ 的化學梯度驅動的外流與電位梯度驅動的內流達到平衡。此時的膜電位稱為 $K^+$ 的平衡電位（約 -90 mV）。
   • $Na^+$ 的少量內流： 由於膜對 $Na^+$ 也有微弱的通透性，少量 $Na^+$ 會順著濃度梯度和電位梯度內流，這會使膜電位稍微偏離 $K^+$ 的平衡電位，趨向於一個介於 $K^+$ 和 $Na^+$ 平衡電位之間的電位，即靜止膜電位（約 -70 mV）。

簡而言之，靜止膜電位是細胞內外離子濃度梯度（由 Na$^+$-K$^+$ pump 維持）和膜對鉀離子的高通透性共同作用的結果，主要由鉀離子的外流所決定。

(B) 動作電位的傳播 (Propagation of an Action Potential)

動作電位（Action Potential, AP）是神經元和肌肉細胞產生的一種快速、暫時性的膜電位變化，能夠沿著神經纖維傳播。

本題要求列出四種研究精神疾病（如思覺失調症）病因或機制的實驗方法，並簡述其原理。

核心觀念： 研究精神疾病的病因和機制需要多學科、多層面的方法，包括遺傳學、神經影像學、分子生物學、藥理學、行為學等。

以下列出四種常用的實驗方法及其原理：

1. 基因關聯研究 (Genetic Association Studies)

   • 原理： 精神疾病通常具有遺傳易感性。這類研究旨在識別與疾病風險增加相關的基因變異（如單核苷酸多態性, SNPs）。
   • 方法：
     • 全基因組關聯研究 (Genome-Wide Association Studies, GWAS)： 比較大量患者和對照組的基因組數據，尋找在患者群體中頻率顯著不同的 SNP。
     • 候選基因研究 (Candidate Gene Studies)： 基於對疾病生物學的理解，選擇特定基因（如與神經遞質系統、神經發育相關的基因），比較患者與對照組中這些基因的變異頻率。
   • 貢獻： 幫助揭示可能影響神經遞質系統、神經發育、免疫功能等與精神疾病相關的基因。

2. 神經影像學技術 (Neuroimaging Techniques)

   • 原理： 觀察活體大腦的結構和功能，以識別與精神疾病相關的腦區異常。
   • 方法：
     • 結構磁共振成像 (Structural MRI, sMRI)： 測量腦部結構的體積、皮質厚度、白質完整性等。在思覺失調症中，常觀察到腦室擴大、灰質體積減少（尤其是在前額葉、顳葉、海馬迴）等結構改變。
     • 功能性磁共振成像 (Functional MRI, fMRI)： 測量大腦活動，通常通過檢測血氧水平依賴性（BOLD）信號來推斷神經活動。用於研究患者在執行認知任務時的腦區激活模式，可能發現思覺失調症患者存在腦區間連接異常（功能性連接異常）。
     • 正子斷層掃描 (Positron Emission Tomography, PET)： 使用放射性示蹤劑（如結合到特定受體或代謝物的放射性同位素）來測量腦部的受體密度、神經遞質系統功能、代謝活動等。例如，PET 可用於研究思覺失調症中多巴胺 D2 受體的異常激活。
   • 貢獻： 提供大腦結構和功能異常的客觀證據，幫助理解疾病的病理生理學。

3. 分子生物學和生化分析 (Molecular Biology and Biochemical Analysis)

   • 原理： 在細胞或組織層面，研究與疾病相關的分子機制，如基因表達、蛋白質功能、神經遞質代謝等。
   • 方法：