113 年 國立政治大學神經科學研究所（原：生命科學研究所）《神經生物學》

此題主要在測試學生對於動物界神經系統演化與分布的基本認知。神經系統是動物體內用來接收刺激、處理訊息並產生反應的系統。

(A) Nematode (線蟲)：具有簡單的神經系統，包含神經節和神經索。
(B) Fruit fly (果蠅)：具有複雜的神經系統，包括腦和神經節，是神經生物學研究的常用模式生物。
(C) Sponges (海綿)：海綿是動物界中較為原始的類群，牠們是少數沒有真正神經系統的動物。

此題考驗學生對神經系統細胞起源的了解，特別是神經外胚層（neuroepithelial lineage）的發育。神經外胚層是中樞神經系統（CNS）和周邊神經系統（PNS）許多細胞類型的祖先。

神經外胚層主要分化出神經元（neurons）和膠質細胞（glial cells）的前驅細胞。

• 神經元：包括興奮性神經元（如谷氨酸能神經元）和抑制性神經元（如 GABA 能中間神經元、去甲腎上腺素能神經元）。
• 膠質細胞：包括星狀細胞（astrocytes）和寡樹突膠質細胞（oligodendrocytes），這些細胞在中樞神經系統中提供支持、營養、絕緣（髓鞘形成）等功能。

此題考驗學生對神經肌肉接頭（neuromuscular junction, NMJ）處主要神經傳導物質的知識。神經肌肉接頭是運動神經元末梢與肌肉纖維之間的突觸。

在哺乳動物中，神經肌肉接頭處釋放的神經傳導物質是乙醯膽鹼（acetylcholine, ACh）。運動神經元末梢釋放 ACh，與肌肉纖維膜上的菸鹼型乙醯膽鹼受體（nicotinic acetylcholine receptors, nAChRs）結合，引起肌肉細胞膜去極化，進而引發肌肉收縮。

此題在於釐清神經退化性疾病（neurodegenerative disorders）的典型病理特徵。這些疾病通常涉及神經元的進行性損傷和死亡。

(A) Decrease of synaptic number (突觸數減少)：神經退化性疾病常伴隨突觸的功能異常和數量的減少，這是造成認知和運動功能障礙的重要原因。
(B) Abnormal protein aggregation (異常蛋白質堆積)：例如阿茲海默症中的類澱粉蛋白斑塊（amyloid plaques）和 Tau 蛋白纏結（neurofibrillary tangles），帕金森氏症中的路易體（Lewy bodies）等，都是神經退化性疾病的標誌性病變。
(C) Neuronal cell death (神經元死亡)：這是神經退化性疾病最核心的特徵，導致神經系統功能逐漸喪失。

核心觀念

神經傳遞是指神經元藉由動作電位、鈣離子內流、神經傳導物質釋放，以及突觸後受體反應，將訊息傳至下一個細胞。只要其中任一環節受損，都可能造成 neurotransmission impairment。

完整流程可概括為：

$$\text{神經傳導物質合成} \rightarrow \text{囊泡儲存} \rightarrow \text{動作電位抵達} \rightarrow \text{Ca}^{2+}\text{內流} \rightarrow \text{胞吐釋放} \rightarrow \text{受體活化} \rightarrow \text{離子流動與突觸後反應}$$

此外，神經元膜兩側的離子梯度是維持靜止膜電位、產生動作電位及驅動突觸後電位的基礎。離子梯度遭到破壞，也會使神經傳遞失常。

解題方法

逐一檢查各選項是否破壞神經傳遞流程中的必要環節：

1. 神經傳導物質是否能正常合成？
2. 神經傳導物質是否能裝入突觸囊泡？
3. 突觸後受體是否能辨識並回應神經傳導物質？
4. 神經元是否能維持正常的膜電位與離子流動？

只要任一答案為「是」，該選項即屬於神經傳遞受損的原因。本題為複選題，四個選項均符合。

選項分析

(A) 抑制神經傳導物質的生合成：正確

神經傳導物質必須先在神經元內合成，才能被儲存並釋放至突觸間隙。若抑制其合成，例如抑制相關酵素，會使可供釋放的神經傳導物質數量下降。

即使動作電位正常抵達突觸前末梢，囊泡內缺乏足量的神經傳導物質，突觸後細胞所接收到的訊號仍會減弱，因而造成神經傳遞障礙。

(B) 囊泡神經傳導物質轉運蛋白缺陷：正確

突觸小泡膜上的 vesicular neurotransmitter transporter 負責將細胞質中的神經傳導物質運入突觸囊泡。例如：

• VMAT 負責將單胺類神經傳導物質裝入囊泡；
• VAChT 負責運送乙醯膽鹼；
• VGLUT 負責運送麩胺酸；
• VGAT 負責運送 GABA 與甘胺酸。

此題考驗學生對神經傳導中離子流動與神經活動（興奮或抑制）之間關係的理解。神經元的興奮性取決於細胞膜內外的離子濃度差異和離子通道的開放情況。

抑制性神經傳導通常是通過增加細胞膜的負電位（超極化）或使其更難達到閾值電位來實現的。這通常與陰離子的內流（influx）或陽離子的外流（efflux）有關。

(A) Sodium ion (鈉離子)：鈉離子內流會導致細胞膜去極化，增加興奮性。
(B) Potassium ion (鉀離子)：鉀離子外流會導致細胞膜超極化，增加抑制性。但鉀離子內流（如果發生）則會去極化。

此題考驗學生對決定細胞膜電位（membrane potential）的關鍵離子的理解。膜電位是細胞內外電荷分布不均勻造成的電位差，尤其在神經元中，它對於訊號的產生和傳導至關重要。

膜電位的形成主要依賴於細胞膜的選擇性滲透性以及細胞內外離子的濃度梯度。這主要涉及以下幾種離子：

(A) Sodium ion (鈉離子, $Na^+$)：鈉離子在細胞外濃度高，內流會導致去極化。鈉離子通道的開放是動作電位產生和傳導的重要因素。
(B) Potassium ion (鉀離子, $K^+$)：鉀離子在細胞內濃度高，外流是維持靜息膜電位的關鍵，也是動作電位恢復階段（再極化）的重要離子。
(C) Calcium ion (鈣離子, $Ca^{2+}$)：鈣離子在細胞外濃度遠高於細胞內。鈣離子通道的開放和內流在許多細胞中（包括神經元）會影響膜電位，並且在神經傳導物質釋放等過程中起重要作用。

此題考驗學生對神經傳導物質分類的知識，特別是單胺類神經傳導物質（monoamine neurotransmitters）的定義。單胺類神經傳導物質是指分子結構中含有一個氨基（amine group）和一個單環（mono-cyclic ring）的神經傳導物質。

單胺類神經傳導物質主要分為兩大類：

1. 兒茶酚胺類 (Catecholamines)：包括多巴胺（dopamine）、去甲腎上腺素（norepinephrine）和腎上腺素（epinephrine）。它們都含有兒茶酚結構（catechol structure）。

此題考驗學生對下視丘（hypothalamus）主要功能的了解。下視丘是大腦中一個重要的結構，位於丘腦下方，在調節多種自主生理功能和行為中扮演關鍵角色。

(A) Spatial recoding (空間重編碼)：空間記憶和導航主要與海馬迴（hippocampus）和內嗅皮質（entorhinal cortex）等結構有關。下視丘通常不被認為是空間重編碼的主要區域。
(B) Motor coordination (運動協調)：運動協調主要由小腦（cerebellum）負責，也涉及基底核（basal ganglia）和運動皮質。下視丘與自主運動的調節（例如姿勢維持）有關，但不是運動協調的核心。
(C) Circadian rhythm (晝夜節律)：下視丘的視交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）是調節生物鐘和晝夜節律的主要中樞。

此題考驗學生對腦部主要細胞類型的知識，特別是哪些細胞存在於中樞神經系統（腦部）以及哪些存在於周邊神經系統。

(A) Schwann cells (許旺氏細胞)：許旺氏細胞是周邊神經系統（PNS）中負責形成髓鞘的膠質細胞。在中樞神經系統（CNS，即腦和脊髓）中，形成髓鞘的細胞是寡樹突膠質細胞（oligodendrocytes）。因此，許旺氏細胞通常不存在於腦部。

興奮性突觸後電位 (Excitatory Postsynaptic Potential, EPSP)

定義：
興奮性突觸後電位 (EPSP) 是指當神經傳導物質與突觸後膜上的受體結合後，引起突觸後神經元膜電位向去極化方向移動的電生理反應。這種去極化使得突觸後神經元更接近其閾值電位，從而增加了其產生動作電位的可能性。

機制：
EPSP 的產生通常與陽離子的內流有關，最常見的是鈉離子 ($Na^+$) 的內流。當興奮性神經傳導物質（如谷氨酸 Glutamate）與突觸後膜上的離子通道偶聯受體（如 AMPA 受體或 NMDA 受體）結合時，會打開這些受體通道，允許 $Na^+$ 離子從細胞外流入細胞內。由於細胞外 $Na^+$ 濃度高於細胞內，這種離子的流入會導致細胞內正電荷增加，膜電位變得不那麼負（去極化）。

特性：

1. 局部性 (Graded)：EPSP 的幅度（大小）與進入突觸後神經元的陽離子總量有關，而不是一個全有或全無的反應。

血腦屏障 (Blood-Brain Barrier, BBB)

定義：
血腦屏障 (BBB) 是一個高度選擇性的生理屏障，存在於腦部毛細血管的內皮細胞之間，以及這些細胞與周圍的星狀細胞（astrocyte）和周邊神經膠質細胞（pericyte）之間。它的主要功能是保護腦組織免受有害物質（如病原體、毒素）的侵害，同時確保腦部能獲得必需的營養物質（如葡萄糖、氨基酸）並清除代謝廢物。

結構基礎：
BBB 的主要組成部分和結構特徵包括：

1. 緊密連接 (Tight Junctions)：腦部毛細血管的內皮細胞之間通過緊密連接緊密地結合在一起，幾乎沒有細胞間隙（paracellular pathway），嚴格限制了物質的跨膜運輸。這與身體其他部位的開放型毛細血管不同。
2. 星狀細胞的足突 (Astrocyte Endfeet)：星狀細胞的末端足突（endfeet）包圍著腦部毛細血管的約 99%，與內皮細胞形成緊密的接觸。星狀細胞通過調節離子通道、轉運體以及分泌因子，影響內皮細胞的形態和功能，維持 BBB 的完整性。
3. 周邊神經膠質細胞 (Pericytes)：位於內皮細胞下方、基底膜內。它們參與血管的形成、穩定和通透性的調節。

突觸小泡循環 (Synaptic Vesicle Cycle)

定義：
突觸小泡循環是指在突觸末梢，神經傳導物質被包裝、儲存、釋放、回收並重新利用的連續過程。這個循環確保了神經傳導物質能夠被高效且精確地釋放到突觸間隙，以傳遞神經訊號。

循環階段：
突觸小泡循環主要包括以下幾個關鍵階段：

1. 合成與包裝 (Synthesis and Packaging)：

   • 肽類神經傳導物質：在細胞本體（soma）的內質網和高爾基體中合成，然後通過囊泡運輸到突觸末梢。
   • 小分子神經傳導物質（如乙醯膽鹼、谷氨酸、GABA、多巴胺）：在突觸末梢的細胞質中合成，然後通過特定的轉運體（如 VMAT, VGLUT, VAChT）被主動轉運到突觸小泡內。

2. 儲存 (Storage)：

   • 被包裝好的神經傳導物質儲存在成熟的突觸小泡中，這些小泡聚集在突觸末梢的「活動區」(active zone) 附近。
   • 突觸小泡的質子梯度（由 V-ATPase 建立）有助於將神經傳導物質裝載入小泡，同時維持小泡內的離子平衡。

3. 釋放 (Release)：

   • 當動作電位傳導至突觸末梢，引起電壓依賴性鈣離子通道開放，鈣離子 ($Ca^{2+}$) 內流。
   • 鈣離子內流觸發突觸小泡膜與突觸前膜的融合（胞吐作用, exocytosis）。

記憶鞏固 (Memory Consolidation)

定義：
記憶鞏固是指將新近形成的、不穩定的記憶轉化為長期、穩定的記憶儲存的過程。這個過程通常需要時間，並且涉及一系列的生理和分子機制，主要發生在大腦的特定區域，如海馬迴（hippocampus）和新皮質（neocortex）。

過程與階段：
記憶鞏固通常被認為包含兩個主要階段：

1. 突觸鞏固 (Synaptic Consolidation)：

   • 發生時間：在學習事件發生後幾分鐘到幾小時內。
   • 機制：主要涉及突觸結構和功能的改變，例如長時程增強（Long-Term Potentiation, LTP）和長時程抑制（Long-Term Depression, LTD）。LTP 是一種持久的突觸傳導效率增強，被認為是學習和記憶的細胞基礎。這個過程涉及突觸後膜受體的增加（如 AMPA 受體）、突觸結構的改變、以及突觸前末梢神經傳導物質釋放的增強。分子層面涉及蛋白質合成、激酶活化（如 PKA, MAPK）以及基因表達的改變。

2. 系統鞏固 (System Consolidation)：

   • 發生時間：在學習事件發生後數週、數月甚至數年。
   • 機制：這個過程涉及記憶從依賴於海馬迴逐漸轉移到更廣泛分佈於新皮質的儲存。

神經營養因子 (Neurotrophic Factor)

定義：
神經營養因子 (Neurotrophic Factor) 是一類在神經系統中發現的蛋白質，它們能夠促進神經元的生存、生長、分化、維持以及突觸的形成和功能。它們通常由靶細胞或周圍的細胞分泌，並作用於神經元。

主要功能：
神經營養因子在神經系統的發育、生理維持以及損傷後的修復中扮演著至關重要的角色。它們的功能包括：

1. 促進神經元生存 (Survival)：在神經系統發育過程中，神經營養因子可以防止神經元凋亡（程序性細胞死亡），確保足夠的神經元存活以形成功能性的神經迴路。
2. 促進神經元生長與分化 (Growth and Differentiation)：刺激神經元的軸突和樹突生長，幫助神經元形成複雜的網絡。
3. 維持神經元功能 (Maintenance)：幫助成熟的神經元維持其結構和功能。
4. 促進突觸形成與可塑性 (Synaptogenesis and Plasticity)：影響突觸的建立、成熟和功能調節，參與神經可塑性過程。
5. 促進神經修復 (Repair)：在神經損傷（如創傷、缺血）後，某些神經營養因子可以促進神經元的存活和軸突再生，幫助恢復功能。

重要類型：
有幾類重要的神經營養因子，其中最著名的是：

1. 神經生長因子 (Nerve Growth Factor, NGF)：最早發現的神經營養因子，對感覺神經元和交感神經元的生存和分化至關重要。
2. 腦源性神經營養因子 (Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF)：在中樞神經系統中含量豐富，對學習、記憶、神經可塑性以及神經元的長期生存非常重要。

此題要求說明星狀細胞 (astrocyte) 和小膠質細胞 (microglia) 的生物學功能及其與神經元的關係。

1. 星狀細胞 (Astrocyte)

生物學功能：
星狀細胞是中樞神經系統 (CNS) 中數量最多的一類神經膠質細胞，它們在維持腦部穩態和支持神經元功能方面扮演著多重角色：

• 結構支持 (Structural Support)：星狀細胞的細胞體和其延伸的足突（endfeet）構成了腦組織的支架，為神經元提供了物理上的支撐。
• 營養供給 (Nutrient Supply)：星狀細胞從血管獲取葡萄糖，並將其轉化為乳酸等形式，再輸送給神經元作為能量來源，尤其是在神經元高活性時。
• 離子平衡 (Ion Homeostasis)：它們能有效地清除細胞外空間過量的鉀離子 ($K^+$)，防止神經元過度興奮，維持神經元的靜息膜電位穩定。
• 神經傳導物質代謝 (Neurotransmitter Metabolism)：星狀細胞參與神經傳導物質的回收和代謝。例如，它們通過谷氨酸轉運體 (EAATs) 回收突觸間隙中的谷氨酸，並將其轉化為谷氨酰胺 (glutamine)，然後釋放給神經元重新合成谷氨酸，從而防止谷氨酸毒性並調節突觸傳遞。它們也參與 GABA 的代謝。
• 血腦屏障 (Blood-Brain Barrier, BBB) 的維持：星狀細胞的足突緊密包圍腦部毛細血管，參與形成和維持 BBB 的完整性，調節物質進出腦部的通道。
• 突觸調控 (Synaptic Regulation)：星狀細胞能通過釋放神經營養因子（如 BDNF）或細胞因子，影響突觸的形成、功能和可塑性。它們也能直接與突觸前後的結構互動，調節突觸的傳導效率。
• 炎症反應調節：在腦損傷或感染時，星狀細胞會活化，參與神經炎症反應，釋放細胞因子。

與神經元的關係：
星狀細胞與神經元之間存在著緊密且相互依賴的關係。它們為神經元提供結構和營養支持，調節神經元所處的微環境（離子、神經傳導物質濃度），影響突觸的形成和功能，並參與神經訊號的傳導。可以說，星狀細胞是神經元「工作」和「生存」的關鍵支持系統。

2. 小膠質細胞 (Microglia)

此題要求比較離子通道偶聯受體 (Ion Channel-Coupled Receptor, ICR) 和 G 蛋白偶聯受體 (G Protein-Coupled Receptor, GPCR) 在結構和生化特性上的差異。這兩類受體都是神經傳導物質與突觸後膜結合後，引起細胞反應的重要介質，但它們的作用機制和速度有顯著不同。

離子通道偶聯受體 (Ion Channel-Coupled Receptors, ICRs)
也稱為離子轉運受體 (ligand-gated ion channels)。

結構特性：

• 組成：通常由多個亞基（subunits）組成，這些亞基圍繞一個中央的離子通道孔形成一個蛋白質複合體。
• 膜結構：單一的多肽鏈，跨膜區域形成一個離子通道。
• 功能：本身就是一個離子通道。當配體（神經傳導物質）結合時，受體構象改變，直接打開或關閉其內在的離子通道。

生化特性與作用機制：

• 作用速度快：配體結合後，離子通道直接打開，離子快速通過，導致膜電位迅速改變（產生 EPSP 或 IPSP）。反應時間通常在毫秒級 (ms)。
• 作用持續時間短：一旦配體解離或被代謝，離子通道迅速關閉，電位變化隨之終止。
• 直接效應：直接改變細胞膜的離子通透性，從而影響膜電位。
• 作用範圍：通常作用於突觸部位，影響局部膜電位。
• 例子：菸鹼型乙醯膽鹼受體 (nAChR)、AMPA 受體、NMDA 受體、GABA-A 受體、甘氨酸受體 (GlyR)。

G 蛋白偶聯受體 (G Protein-Coupled Receptors, GPCRs)
也稱為七跨膜受體 (seven-transmembrane receptors)。

結構特性：

• 組成：一個單一的多肽鏈，具有七個跨膜結構域 (seven transmembrane domains)。
• 膜結構：呈七字形嵌入細胞膜，其 N 端和 C 端分別位於細胞外和細胞內。
• 功能：本身不是離子通道。配體結合後，受體構象改變，激活細胞內的 G 蛋白。

生化特性與作用機制：

• 作用速度慢：配體結合後，需要通過 G 蛋白信號傳導級聯反應（激活 G 蛋白，再激活或抑制效應酶/離子通道），反應時間通常在數百毫秒到秒級 (s)。
• 作用持續時間長：G 蛋白信號通路可以被放大，並且信號可以通過第二信使（如 cAMP, $Ca^{2+}$）進一步傳導和維持，作用時間較長。
• 間接效應：通過激活 G 蛋白，進而調控細胞內的第二信使濃度、激活或抑制酶（如腺苷酸環化酶 AC, 磷酸二酯酶 PDE）、或直接或間接調控離子通道的活性。
• 作用範圍廣：信號可以通過第二信使擴散到細胞的更廣泛區域，影響多種細胞功能，包括離子通道的開放/關閉、酶活性、基因表達等。

此題要求描述腦部和脊髓中三個不同區域在運動功能中的作用。

a. 運動皮質 (Motor Cortex)

運動皮質是大腦皮質中負責規劃、控制和執行自主運動的區域。它主要包括：

• 初級運動皮質 (Primary Motor Cortex, M1)：位於額葉的中央前回（precentral gyrus）。M1 具有體感定位（somatotopic organization），即身體的不同部位在 M1 中有對應的皮質區域（運動神經元）。M1 直接控制運動的執行，特別是精細的、自主的肢體運動。它發出的神經信號通過皮質脊髓束（corticospinal tract）下行，直接支配運動神經元。
• 運動前區 (Premotor Cortex)：位於 M1 前方，參與運動的規劃、序列化和外部線索（如視覺提示）引導的運動。
• 輔助運動區 (Supplementary Motor Area, SMA)：位於 M1 前方，參與運動的規劃、序列化，特別是雙側協調運動、想像運動和自主產生的運動。

在運動功能中的作用：
運動皮質負責「從意圖到行動」的轉換。它接收來自高級認知區域（如前額葉）的指令，規劃運動的細節（肌肉選擇、力量、方向、速度），並將這些指令傳遞給下行的運動通路，最終導致肌肉收縮和運動的發生。它在精細運動控制、學習新運動技能以及根據環境變化調整運動方面起著關鍵作用。

b. 小腦 (Cerebellum)

小腦位於腦幹後方，大腦下方。它在運動控制中扮演著「協調者」和「優化器」的角色。

在運動功能中的作用：

• 運動協調 (Motor Coordination)：小腦整合來自運動皮質、身體本體感覺（ propioception，即身體各部位的位置、運動和張力感覺）和前庭系統的感覺資訊。它能夠平滑、協調、精確地執行運動，確保動作的流暢性和準確性。例如，它協調多個關節的運動，使動作連貫而不是零散的。
• 平衡與姿勢維持 (Balance and Posture)：小腦接收來自前庭器官和本體感覺的資訊，用於維持身體的平衡和穩定的姿勢。
• 運動學習 (Motor Learning)：小腦在學習新的運動技能（如騎自行車、彈鋼琴）和調整現有運動技能（如根據地面摩擦力調整行走步態）方面起著核心作用。

此題要求解釋動作電位的起始與傳播，以及髓鞘的細胞組成與功能。

(a) 動作電位的起始與傳播 (Initiation and Propagation of Action Potential)

動作電位的起始 (Initiation)：
動作電位（Action Potential, AP）通常在神經元的軸丘 (axon hillock) 區域起始。起始的條件是，來自突觸的興奮性神經傳導物質（如谷氨酸）引起突觸後神經元膜電位的去極化，形成興奮性突觸後電位 (EPSP)。當多個 EPSP 發生空間和時間上的總和（summation），使得軸丘區域的膜電位達到一個稱為閾值電位 (threshold potential) 的臨界值（通常約為 -55mV）時，動作電位就會被觸發。
關鍵在於：

1. 閾值電位：到達閾值電位是觸發動作電位的必要條件。
2. 電壓依賴性鈉離子通道 (Voltage-gated Sodium Channels, VGSCs)：當膜電位達到閾值時，軸丘區域富含的 VGSCs 會迅速打開。

動作電位的過程：

1. 去極化 (Depolarization)：VGSCs 打開，大量鈉離子 ($Na^+$) 快速內流，導致細胞膜內側電荷迅速增加，膜電位迅速從閾值電位上升到峰值（約 +30mV）。這是動作電位的上升階段。
2. 再極化 (Repolarization)：
   • VGSCs 在達到峰值後迅速失活（inactivated）。
   • 同時，電壓依賴性鉀離子通道 (Voltage-gated Potassium Channels, VGKCs) 開始打開（它們打開的速度比 VGSCs 慢），鉀離子 ($K^+$) 開始外流，帶走細胞內的正電荷，使膜電位下降，恢復到靜息膜電位水平。
3. 超極化 (Hyperpolarization)：VGKCs 的關閉速度也較慢，導致在恢復到靜息膜電位之前，膜電位會暫時變得比靜息膜電位更負。這是動作電位的下降階段。
4. 恢復 (Restoration)：鈉鉀幫浦 (Na+/K+-ATPase) 協同作用，將細胞內外的離子濃度恢復到初始狀態，維持靜息膜電位。

動作電位的傳播 (Propagation)：
動作電位一旦在軸丘產生，就會以「全有或全無」（all-or-none）的方式沿著軸突傳播。

• 連續傳導 (Continuous Conduction)：在無髓鞘的軸突（如某些中間神經元或感覺神經元）中，動作電位會在軸突膜的每一個連續的區域不斷地重複發生。當一個區域的動作電位產生後，其產生的局部電流會去極化鄰近的區域到閾值，從而觸發該區域的動作電位。這種傳導速度相對較慢。