111 年 國立成功大學護理研究所甲組《生理學》

本題主要在探討兩種重要的神經細胞電位變化：遞減電位（graded potential）與動作電位（action potential）的異同。理解這兩者的特性對於掌握神經訊號傳遞至關重要。

相似之處：

1. 離子跨膜流動： 兩者都涉及細胞膜上離子通道的開啟與關閉，導致離子（如 Na$^+$, K$^+$, Ca$^{2+}$, Cl$^-$）跨越細胞膜的流動，進而改變細胞膜內外的電位差。
2. 電位改變： 兩者都會引起細胞膜電位的變化，從而影響細胞的生理活動。

不同之處：

本題考查生長過程中重要荷爾蒙的角色。生長是一個複雜的生理過程，受到多種荷爾蒙的協同調控，包括促進生長、影響代謝以及維持身體恆定的荷爾蒙。

以下列出五種對生長至關重要的荷爾蒙及其主要功能：

1. 生長激素 (Growth Hormone, GH)

   • 來源： 腦下垂體前葉 (anterior pituitary) 分泌。
   • 對生長的主要功能：
     • 促進骨骼生長： 刺激長骨的生長板 (epiphyseal plates) 軟骨細胞增生和分化，使骨骼伸長。
     • 促進蛋白質合成： 增加細胞對胺基酸的攝取，促進蛋白質合成，是肌肉和組織生長的關鍵。
     • 影響代謝： 促進脂肪分解，增加血糖濃度。
     • 刺激肝臟分泌胰島素樣生長因子-1 (IGF-1)： GH 在肝臟誘導產生 IGF-1，IGF-1 是 GH 許多生長促進作用的介質。

2. 甲狀腺素 (Thyroid Hormones, T3 and T4)

   • 來源： 甲狀腺 (thyroid gland) 分泌。
   • 對生長的主要功能：
     • 促進生長發育： 對於兒童和青少年，甲狀腺素對於神經系統的發育以及骨骼的正常生長至關重要。缺乏甲狀腺素會導致生長遲緩和智力發育障礙 (cretinism)。
     • 提高基礎代謝率： 促進細胞新陳代謝，提供生長所需的能量和原料。
     • 協同 GH 作用： 甲狀腺素對於 GH 及其介質 IGF-1 的作用是必需的，兩者協同作用才能達到最佳的生長效果。

3. 胰島素 (Insulin)

   • 來源： 胰臟的 β 細胞分泌。
   • 對生長的主要功能：
     • 促進營養物質攝取與利用： 促進葡萄糖、胺基酸、脂肪酸進入細胞，為細胞生長和分裂提供能量和結構成分。
     • 促進蛋白質合成： 類似 GH，胰島素也能促進蛋白質合成。
     • 促進脂肪合成： 儲存能量。

本題旨在評估考生對臨床上用於評估心臟功能的各種診斷方法的了解程度。心臟功能的評估是心臟科診斷和治療的基礎。

以下列出五種臨床上常用來測量心臟功能的方法及其主要功能：

1. 心電圖 (Electrocardiogram, ECG / EKG)

   • 原理： 記錄心臟電活動隨時間變化的圖形。心肌細胞在興奮和除極、再極化過程中會產生電位變化，透過放置在體表的電極來偵測這些微弱的電訊號。
   • 主要功能：
     • 評估心律與心跳： 偵測心律不整 (arrhythmias)，如心房顫動 (atrial fibrillation)、心室頻脈 (ventricular tachycardia) 等。
     • 診斷心肌缺氧或梗塞： 偵測 ST 段的變化、T 波的倒置、Q 波的出現，指示心肌缺血或心肌梗塞 (myocardial infarction)。
     • 評估心臟傳導系統異常： 如房室傳導阻滯 (AV block)、束支傳導阻滯 (bundle branch block)。
     • 偵測心臟腔室肥大： 如左心室肥大 (left ventricular hypertrophy, LVH)。
     • 評估電解質異常或藥物影響： 如高血鉀對 T 波的影響。

2. 心臟超音波檢查 (Echocardiography, Echo)

   • 原理： 利用高頻聲波 (ultrasound) 穿透身體組織，透過偵測聲波在不同組織介面反射的回音，來成像並評估心臟的結構和功能。
   • 主要功能：
     • 評估心臟結構： 測量心腔大小（左心室、右心室、心房），心壁厚度，瓣膜形態與功能（是否狹窄或閉鎖不全）。
     • 評估心臟收縮與舒張功能： 量化射血分數 (ejection fraction, EF)，評估心室的縮小能力；評估心室的舒張功能，如舒張早期和晚期的血流速度。
     • 偵測心包積液 (pericardial effusion) 和腫瘤。
     • 評估肺動脈壓力。
     • 可進行都卜勒超音波 (Doppler echo)： 測量血流速度和方向，評估瓣膜逆流 (regurgitation) 和狹窄 (stenosis) 的嚴重程度。

3. 運動心電圖 (Stress ECG / Exercise Tolerance Test, ETT)

   • 原理： 在病人運動（通常是跑步機或固定式腳踏車）時，持續監測其心電圖、心率、血壓和臨床症狀。運動會增加心臟的負荷，誘發潛在的心臟問題。
   • 主要功能：
     • 診斷冠狀動脈疾病 (Coronary Artery Disease, CAD)： 偵測運動時出現的 ST 段壓低，表示運動誘發的心肌缺血，提示冠狀動脈狹窄。
     • 評估運動能力： 了解病人在不同運動強度下的心臟反應。

本題考查對「門脈系統 (portal venous system)」的理解，包括其定義、代表性例子及其生理意義。門脈系統是一種特殊的靜脈系統，其特點是血液經過兩個毛細血管網（或稱為正弦毛細血管，sinusoids）才流回心臟。

門脈系統的定義：
門脈系統是指一條靜脈，它起源於一個器官的毛細血管網（或正弦毛細血管），匯集成靜脈後，不直接流回心臟，而是再次在另一個器官內分支成毛細血管網（或正弦毛細血管），最後再匯集成靜脈流回心臟。

一個代表性的門脈系統：肝門脈系統 (Hepatic Portal System)

• 組成： 肝門脈系統收集來自胃、腸、脾臟和胰臟的靜脈血液，這些血液富含從消化道吸收的營養物質，以及來自脾臟的代謝產物和紅血球。這些匯集的血液通過肝門靜脈 (hepatic portal vein) 流入肝臟。
• 肝臟內的處理： 肝門靜脈進入肝臟後，再次分支成許多小靜脈，最終匯入肝臟內的肝臟正弦毛細血管網 (liver sinusoids)。在這裡，肝臟細胞 (hepatocytes) 會對血液中的物質進行處理。
• 流回心臟： 肝臟正弦毛細血管網的血液最終匯集成肝靜脈 (hepatic veins)，然後流入下腔靜脈 (inferior vena cava)，最終回到心臟。

肝門脈系統的生理意義：

1. 營養物質的處理與調節 (Nutrient Processing and Regulation)：
   • 吸收與儲存： 腸道吸收的葡萄糖、胺基酸、維生素、礦物質等營養物質，透過肝門靜脈直接運送到肝臟。肝臟可以將過量的葡萄糖轉化為肝糖儲存，將胺基酸用於合成蛋白質，調節這些物質在血液中的濃度，防止劇烈波動。
   • 代謝中心： 肝臟是全身的代謝中心。通過門脈系統，肝臟能夠處理吸收的營養物質，例如：
     • 糖代謝： 調節血糖水平，防止飯後血糖過高，並在血糖低時釋放儲存的葡萄糖。
     • 蛋白質代謝： 合成白蛋白、凝血因子等，並將有毒的氨 (ammonia) 轉化為尿素。

本題考查人體在高海拔缺氧環境下的適應機制，這是一個重要的生理學和適應學問題。當人體從海平面進入高海拔地區時，由於大氣壓力降低，吸入的空氣中氧氣分壓也隨之降低，導致體內缺氧 (hypoxia)。這種急性缺氧可能引起高原反應 (mountain sickness)。然而，人體具有強大的適應能力，經過一段時間的暴露後，可以逐漸適應這種低氧環境。

人體對高海拔缺氧環境的適應可以分為急性適應 (acute acclimatization) 和慢性適應 (chronic acclimatization) 兩個階段。

一、急性適應 (數小時至數天內發生)

1. 呼吸系統的改變：

   • 過度換氣 (Hyperventilation)： 這是最快速且顯著的反應。缺氧會刺激頸動脈和主動脈體的化學感受器 (chemoreceptors)，向腦幹發出訊號，增加呼吸頻率和深度。過度換氣可以增加吸入空氣中的氧氣量，提高肺泡氣體氧分壓 (PaO$_2$)，從而改善動脈血氧分壓 (PaO$_2$)。
   • 血紅蛋白與氧的結合曲線左移 (短期)： 雖然血紅蛋白的親和力主要受 pH 值和 2,3-DPG 影響，但急性過度換氣導致的呼吸性鹼中毒 (respiratory alkalosis, pH 升高) 會使血紅蛋白-氧親和力曲線暫時左移，有利於氧氣在肺部的結合。

2. 循環系統的改變：

   • 心輸出量增加 (Increased Cardiac Output)： 在急性階段，心率和心輸出量會暫時增加，以提高組織的氧氣供應。但這種情況不會持續太久，因為過度換氣和體液變化會使其減弱。
   • 肺動脈壓力升高 (Pulmonary Hypertension)： 局部缺氧會導致肺血管收縮 (hypoxic pulmonary vasoconstriction)，進而使肺動脈壓力升高。這有助於將血液重新分配到通氣較好的肺泡區域，但長期升高則可能導致右心衰竭。

3. 細胞和代謝的改變：

   • 細胞對氧利用效率的初步調整： 細胞開始嘗試提高氧的利用效率。

二、慢性適應 (數天至數週、數月或數年)

慢性適應涉及更深層次和持久的生理結構及功能的改變，以更有效地獲取、運輸和利用氧氣。

1. 血液學的改變 (Hematological Changes)：

本題考查紅血球生成素 (EPO) 在慢性腎臟病 (CKD) 患者接受血液透析 (hemodialysis) 時的臨床應用原因。這涉及到腎臟生理學、造血機制以及疾病病理的結合。

核心觀念： 腎臟是人體產生紅血球生成素 (EPO) 的主要器官。慢性腎臟病會導致 EPO 生成不足，進而引發貧血。

詳細解釋：

1. 腎臟與 EPO 的關係：

   • 腎臟中的內皮細胞（特別是近曲小管周圍的間質細胞）是人體產生 EPO 的主要場所。
   • EPO 是一種糖蛋白荷爾蒙，其主要功能是刺激骨髓的紅血球生成幹細胞 (erythroid progenitor cells) 增生、分化和成熟，最終釋放成熟的紅血球進入血液循環。
   • EPO 的分泌受到體內氧氣供應的調控。當身體組織的氧氣供應不足（例如缺氧、失血、貧血）時，腎臟會感知到這種情況，並增加 EPO 的分泌，以提高血液的攜氧能力。

2. 慢性腎臟病 (CKD) 對 EPO 的影響：

   • 在慢性腎臟病患者中，腎臟實質組織受到損傷，無論是腎絲球、腎小管還是間質，都會影響其正常的生理功能。
   • EPO 生成減少： 腎臟損傷最嚴重的後果之一就是 EPO 生成能力的下降。即使患者處於貧血狀態，受損的腎臟也無法產生足夠的 EPO 來刺激骨髓。
   • EPO 作用效率降低： 部分 CKD 患者可能對 EPO 的反應性也較差，即使有一定量的 EPO，骨髓對其的反應也不如健康人。

本題考查消化系統各主要器官的主要功能。消化系統是一個複雜的管道結構，負責將食物分解為身體可吸收的分子，並排出無法利用的殘渣。

以下列出消化系統主要器官及其核心功能：

1. 口腔 (Oral Cavity)

   • 攝食 (Ingestion)： 接受食物。
   • 機械性消化 (Mechanical Digestion)： 透過牙齒咀嚼，將大塊食物分解成小塊，增加表面積。
   • 化學性消化 (Chemical Digestion)： 唾液中的澱粉酶 (amylase) 開始分解碳水化合物（澱粉）。唾液也濕潤食物，便於吞嚥。
   • 形成食糜 (Bolus Formation)： 舌頭將食物與唾液混合，形成便於吞嚥的食糜。

2. 咽 (Pharynx)

   • 吞嚥 (Swallowing)： 連接口腔和食道。吞嚥反射將食糜從口腔推向食道，並防止食物進入氣管。

3. 食道 (Esophagus)

   • 運輸 (Transport)： 透過肌肉的蠕動 (peristalsis)，將食糜從咽部輸送到胃部。食道本身不進行主要的消化或吸收。

4. 胃 (Stomach)

   • 儲存 (Storage)： 暫時儲存食物，允許每次進食量大於消化系統的處理能力。
   • 機械性消化： 胃壁肌肉層強烈收縮，將食物與胃液充分混合，形成乳糜狀物 (chyme)。
   • 化學性消化：
     • 胃酸 (Hydrochloric acid, HCl)：殺滅食物中的大部分細菌，並提供酸性環境，激活胃蛋白酶原。
     • 胃蛋白酶 (Pepsin)：在酸性環境下，將蛋白質分解為較小的胜肽 (peptides)。
     • 內因子 (Intrinsic Factor)：協助維生素 B12 在迴腸的吸收。
   • 少量吸收： 胃壁可吸收少量水分、酒精和某些藥物。

5. 小腸 (Small Intestine)

   • 主要消化場所： 絕大部分的化學性消化發生在這裡。
     • 碳水化合物消化： 胰澱粉酶 (pancreatic amylase) 和小腸絨毛表面的刷狀緣酶 (brush border enzymes)（如麥芽糖酶、蔗糖酶、乳糖酶）將多醣和雙醣分解為單醣。

本題考查胰島素 (insulin) 分泌的調控機制，這是血糖恆定最重要的荷爾蒙之一。胰島素由胰臟的 β 細胞分泌，主要功能是降低血糖。其分泌受到多種因素的精確調控。

關鍵調控因素：

1. 血糖濃度 (Blood Glucose Concentration)：

   • 最主要的刺激物： 血糖濃度是胰島素分泌最重要、最直接的刺激物。
   • 機制：
     • 當血糖升高時（例如餐後），葡萄糖進入胰臟 β 細胞。
     • β 細胞內的葡萄糖透過葡萄糖轉運蛋白 (GLUT2) 進入細胞。
     • 葡萄糖在細胞內被代謝，通過糖解作用 (glycolysis) 和三羧酸循環 (Krebs cycle)，產生 ATP。
     • ATP/ADP 比率升高，導致細胞膜上的 ATP 敏感鉀離子通道 (ATP-sensitive K$^+$ channel) 關閉。
     • 鉀離子無法外流，導致細胞膜去極化。
     • 去極化打開電壓門控鈣離子通道 (voltage-gated Ca$^{2+}$ channel)，Ca$^{2+}$ 內流。
     • 細胞內 Ca$^{2+}$ 濃度升高，觸發儲存在囊泡中的胰島素小泡與細胞膜融合，釋放出胰島素。
   • 低血糖： 當血糖濃度降低時，上述過程反向進行，胰島素分泌減少。

2. 腸泌素 (Incretins)：

   • 定義： 腸泌素是指口服葡萄糖後，腸道細胞分泌的一類荷爾蒙，它們能增強胰島素的分泌反應。
   • 主要腸泌素：
     • 升糖素樣胜肽-1 (Glucagon-like peptide-1, GLP-1)： 由腸道 L 細胞分泌。
     • 葡萄糖依賴性促胰島素多肽 (Glucose-dependent insulinotropic polypeptide, GIP)： 由腸道 K 細胞分泌。
   • 機制：
     • GLP-1 和 GIP 在進食後血中濃度升高，作用於胰臟 β 細胞，增強葡萄糖刺激下的胰島素分泌。
     • 「葡萄糖依賴性」意味著它們主要在血糖升高時發揮作用，低血糖時作用減弱，因此降低了引起低血糖的風險。
     • GLP-1 還能抑制升糖素 (glucagon) 的分泌，延緩胃排空，增加飽足感。

3. 胺基酸與脂肪酸 (Amino Acids and Fatty Acids)：

   • 刺激作用： 攝入蛋白質（提供胺基酸）或高脂肪食物（提供脂肪酸）也會刺激胰島素的分泌。

本題考查男性性反應週期中，勃起 (erection) 和射精 (ejaculation) 的神經調控機制。這兩個過程涉及複雜的神經反射和自主神經系統的協同作用。

一、勃起 (Erection) 的神經調控

勃起是一個血管擴張和充血的過程，主要由副交感神經系統介導，但也受到自主神經系統其他部分和體神經的影響。

1. 心理或感覺刺激 (Psychogenic or Sensory Stimuli)：

   • 心理刺激： 視覺、聽覺、嗅覺、想像或記憶等，通過大腦皮層和邊緣系統 (limbic system) 傳遞訊號到下視丘 (hypothalamus)，再傳遞至脊髓的勃起中樞。
   • 感覺刺激： 觸覺刺激，特別是生殖器區域的觸覺，通過陰部神經 (pudendal nerve) 傳遞感覺訊號到脊髓，然後上傳至大腦。

2. 副交感神經系統 (Parasympathetic Nervous System)：

   • 作用： 副交感神經是勃起的「啟動器」。
   • 神經通路： 來自薦椎 (sacral) 2-4 節脊髓的副交感神經纖維（構成骨盆神經 Pelvic nerves），支配陰莖的血管和海綿體 (corpora cavernosa) 的平滑肌。
   • 機制：
     • 神經傳導物質釋放： 副交感神經末梢釋放乙醯膽鹼 (acetylcholine, ACh) 和一氧化氮 (nitric oxide, NO)。
     • 一氧化氮 (NO) 的核心作用： NO 擴散到海綿體平滑肌細胞，激活鳥苷酸環化酶 (guanylate cyclase)。
     • cGMP 產生： 鳥苷酸環化酶將 GTP 轉化為環磷酸鳥苷 (cyclic guanosine monophosphate, cGMP)。
     • 平滑肌鬆弛： cGMP 導致平滑肌細胞內鈣離子濃度下降，使海綿體的平滑肌鬆弛。
     • 血管擴張與充血： 平滑肌鬆弛導致陰莖動脈擴張，流入海綿體的血流量急劇增加。同時，膨脹的海綿體壓迫靜脈，減少血液流出，從而導致陰莖勃起。

3. 體神經系統 (Somatic Nervous System)：

   • 作用： 陰部神經 (pudendal nerve) 負責傳遞生殖器區域的觸覺感覺，並參與維持勃起。

4. 交感神經系統 (Sympathetic Nervous System)：

   • 作用： 在正常勃起過程中，交感神經的作用通常是抑制性的。
   • 機制： 交感神經纖維釋放去甲腎上腺素 (norepinephrine)，作用於海綿體平滑肌上的 α1-腎上腺素能受體，引起平滑肌收縮，血管收縮，不利於勃起。
   • 勃起維持與消退： 勃起的維持依賴於副交感神經的持續活動和交感神經的相對抑制。

本題考查吞噬細胞 (phagocytes) 在先天性免疫反應 (innate immune responses) 中的重要作用。先天性免疫是生物體的第一道防線，能夠快速、非特異性地識別和清除病原體。吞噬細胞是先天性免疫系統中的關鍵執行者。

吞噬細胞的種類：
主要的吞噬細胞包括：

1. 巨噬細胞 (Macrophages)： 在組織中，由單核細胞 (monocytes) 分化而來。
2. 嗜中性球 (Neutrophils)： 血液中最豐富的白血球，是第一批到達感染部位的細胞。
3. 樹突狀細胞 (Dendritic Cells, DCs)： 雖然它們也扮演著啟動適應性免疫的角色，但它們本身也具有吞噬功能。
4. 其他： 如肥大細胞 (mast cells)、嗜酸性球 (eosinophils) 等也具有一定的吞噬能力。

吞噬細胞在先天性免疫中的重要作用：

1. 病原體識別與吞噬 (Pathogen Recognition and Phagocytosis)：
   • 識別機制： 吞噬細胞能夠識別病原體表面的特定分子模式，這些模式被稱為病原體相關分子模式 (Pathogen-Associated Molecular Patterns, PAMPs)，例如細菌的脂多醣 (LPS)、肽聚醣 (peptidoglycan)、細菌 DNA、病毒 RNA 等。
   • 識別受體： 吞噬細胞表面帶有模式識別受體 (Pattern Recognition Receptors, PRRs)，如 Toll-like receptors (TLRs)、NOD-like receptors (NLRs) 等，這些受體能夠結合 PAMPs。
   • 吞噬過程： 一旦識別並結合，吞噬細胞會伸出偽足 (pseudopods) 包圍病原體，形成吞噬體 (phagosome)。吞噬體隨後與溶酶體 (lysosome) 融合，形成吞噬溶酶體 (phagolysosome)。
   • 殺滅病原體： 在吞噬溶酶體內，病原體被各種殺滅機制破壞，包括：
     • 酸性環境： 溶酶體內的低 pH 值。
     • 水解酶： 如蛋白酶、核酸酶、脂酶等。
     • 活性氧物質 (Reactive Oxygen Species, ROS) 和活性氮物質 (Reactive Nitrogen Species, RNS)： 如超氧化物陰離子 (O$_2^-$)、過氧化氫 (H$_2$O$_2$)、次氯酸鹽 (hypochlorite) 和一氧化氮 (NO)。