113 年 國立臺灣大學獸醫學系碩士班乙組《生理學》

核心觀念：反射弧是神經系統中，處理刺激與產生反應的基本路徑。

詳解：
反射弧 (reflex arc) 是神經衝動從感覺受器傳遞到中樞神經系統，再經由運動神經元傳遞到效應器，最終產生特定反應的完整神經路徑。它通常包含以下幾個基本組成部分：

1. 感覺受器 (Receptor)：偵測內在或外在的刺激。
2. 感覺神經元 (Sensory neuron)：將刺激轉換為神經衝動，並傳遞至中樞神經系統。

核心觀念：神經肌肉接合處是運動神經元與肌肉細胞之間傳遞訊號的關鍵結構。

詳解：
神經肌肉接合處 (neuromuscular junction, NMJ) 是指運動神經元的軸突末端與骨骼肌纖維細胞膜之間形成的特殊突觸結構。它是神經系統指令傳遞到肌肉，引發肌肉收縮的唯一介面。

神經肌肉接合處的組成與功能如下：

1. 突觸前膜 (Presynaptic membrane)：位於運動神經元的軸突末端，含有儲存神經傳導物質乙醯膽鹼 (acetylcholine, ACh) 的囊泡。
2. 突觸間隙 (Synaptic cleft)：神經末梢與肌纖維之間的微小間隙，乙醯膽鹼在此擴散。

核心觀念：動力衝程是肌肉收縮過程中，肌動蛋白與肌凝蛋白交互作用的關鍵步驟。

詳解：
動力衝程 (power stroke) 是肌肉細胞收縮機制中，肌凝蛋白 (myosin) 絲與肌動蛋白 (actin) 絲交互作用的關鍵步驟，也是產生收縮力的主要來源。此過程發生在肌凝蛋白頭部與肌動蛋白結合後。

動力衝程的階段如下：

1. 肌凝蛋白頭部與肌動蛋白結合：在鈣離子存在且肌凝蛋白結合位點暴露後，肌凝蛋白頭部附著於肌動蛋白上。
2. 動力衝程 (Power Stroke)：ADP 和無機磷酸鹽 (Pi) 從肌凝蛋白頭部釋放。這個釋放的能量驅動肌凝蛋白頭部從高能量狀態轉變為低能量狀態，並向肌小節 (sarcomere) 的 M 線方向移動，同時牽引附著的肌動蛋白絲。

核心觀念：心臟週期是心臟連續收縮和舒張的循環過程。

詳解：
心臟週期 (cardiac cycle) 是指心臟從一次心跳開始到下一次心跳開始之間所經歷的完整收縮 (systole) 和舒張 (diastole) 過程。這個週期不斷重複，確保血液規律地泵入全身。

心臟週期主要分為兩個階段：

1. 心室收縮期 (Ventricular Systole)：
   • 等容收縮 (Isovolumetric contraction)：心室開始收縮，室內壓力升高，超過左心房/右心房壓力，導致房室瓣 (mitral and tricuspid valves) 關閉。此時，室內壓力繼續升高，但尚未超過主動脈瓣/肺動脈瓣的壓力，因此瓣膜仍關閉，心室容積不變。
   • 射血期 (Ejection phase)：當心室壓力超過主動脈/肺動脈的壓力時，主動脈瓣/肺動脈瓣打開，血液被泵入主動脈和肺動脈。心室容積減少。

核心觀念：發酵性消化是某些動物利用微生物分解植物纖維素等難以消化的物質的過程。

詳解：
發酵性消化 (fermentative digestion) 是一種特殊的消化方式，主要發生在草食性動物，如反芻動物 (如牛、羊) 和一些單胃動物 (如馬、兔)。這些動物本身缺乏分解纖維素 (cellulose) 和半纖維素 (hemicellulose) 等複雜碳水化合物的酵素。

其生理意義和機制如下：

1. 微生物的共生：動物的消化道 (特別是瘤胃、盲腸或結腸) 內存在著大量的細菌、真菌和原生動物等微生物。這些微生物能夠分泌纖維素酶 (cellulase) 等酵素，將植物細胞壁中的纖維素等分解成較小的分子，如揮發性脂肪酸 (volatile fatty acids, VFAs)，主要是醋酸 (acetate)、丙酸 (propionate) 和丁酸 (butyrate)。

核心觀念：腎絲球過濾率是衡量腎臟功能的重要指標。

詳解：
腎絲球過濾率 (glomerular filtration rate, GFR) 是指腎臟在單位時間內，由腎絲球過濾到鮑氏囊 (Bowman's capsule) 的液體總量，是衡量腎臟功能，特別是腎絲球過濾功能的重要指標。它代表了腎臟清除血液中廢物的效率。

生理意義與測量：

1. 腎臟功能評估：GFR 是評估腎功能下降 (如慢性腎臟病, CKD) 的最關鍵指標。GFR 下降意味著腎臟清除代謝廢物 (如尿素氮、肌酐酸) 的能力減弱。
2. 正常值：成年人健康的 GFR 大約為 90-120 mL/min/1.73 m² (每分鐘每 1.73 平方公尺體表面積)。
3. 影響因素：GFR 主要受以下因素影響：
   • 腎絲球毛細血管的壓力：包括腎絲球毛細血管壓力 (PGC)、鮑氏囊壓力 (Pbs) 和血漿膠體滲透壓 (πbc)。GFR 與 PGC 成正比，與 Pbs 和 πbc 成反比。

核心觀念：腎臟的對向流動機制是濃縮尿液、維持體內水分平衡的關鍵。

詳解：
腎臟的對向流動機制 (countercurrent mechanism) 是指腎臟皮質和髓質中，血管 (vasa recta) 和腎小管 (特別是亨利氏袢 Henle's loop 和集合管 collecting duct) 的血液流動方向與尿液流動方向相反，形成一種「對向流」的結構。這種結構是腎臟能夠產生高滲透壓尿液、有效濃縮尿液並節約水分的關鍵。

該機制主要包含兩個相互配合的部分：

1. 對向倍增器 (Countercurrent Multiplier)：主要指亨利氏袢 (Henle's loop)。
   • 下行支 (Descending limb)：通透性較高，對水離子通透，但對溶質通透性較低。當尿液從皮質流向髓質深部時，水分會滲出到周圍高滲透壓的髓質間質液中，尿液變得濃縮。
   • 上行支 (Ascending limb)：分為粗段和細段。粗段主動運輸 Na⁺ 和 Cl⁻ 到髓質間質，細段被動擴散 Na⁺。此處對水幾乎不通透。當濃縮的尿液流向上行支時，溶質被泵出，使尿液變得稀釋，同時增加了髓質間質的滲透壓。

核心觀念：呼吸泵是利用呼吸運動來促進體液循環的機制。

詳解：
呼吸泵 (respiratory pump) 是一個生理學上的概念，指的是利用呼吸運動，特別是胸腔內壓力 (intrapleural pressure) 和腹腔內壓力 (intra-abdominal pressure) 的週期性變化，來幫助體液 (尤其是靜脈血和淋巴液) 回流至心臟的機制。

其作用機制主要體現在以下兩個方面：

1. 胸腔泵 (Thoracic Pump)：
   • 吸氣時：胸腔擴張，胸腔內壓力 (通常為負壓) 變得更負。這會導致吸入的壓力差，將靜脈血從腹腔和四肢吸入胸腔，並進一步吸入右心房。同時，腹腔內壓力相對升高，擠壓腹腔靜脈，將血液推向胸腔。

核心觀念：心音是心臟瓣膜關閉產生的聲音，反映了心臟的收縮與舒張狀態。心雜音則可能預示著瓣膜或心腔結構的異常。

詳解：
何謂心音？
心音 (heart sounds) 是指在心臟收縮和舒張過程中，由於瓣膜關閉、血液流動加速或減速、以及心臟壁振動而產生的聲音。正常情況下，可以聽到兩次主要的心音，分別稱為第一心音 (S1) 和第二心音 (S2)。這些聲音可以透過聽診器聽到，是評估心臟功能的重要臨床依據。

第一心音 (S1) 與第二心音 (S2) 的發生時期：

• 第一心音 (S1)：也被稱為「收縮音」或「心室收縮音」(ventricular systole sound)。它發生在心室收縮的早期，確切地說，是在等容收縮期 (isovolumetric contraction) 開始時。此時，心室開始收縮，室內壓力迅速升高，當壓力超過心房壓力時，房室瓣 (mitral valve 和 tricuspid valve) 關閉，防止血液逆流回心房。瓣膜關閉的震動和周圍血液的流動產生了第一心音。它通常比第二心音更低沉、更持久。
• 第二心音 (S2)：也被稱為「舒張音」或「心室舒張音」(ventricular diastole sound)。它發生在心室舒張的早期，確切地說，是在等容舒張期 (isovolumetric relaxation) 開始時。此時，心室開始舒張，室內壓力迅速下降。當心室壓力低於主動脈和肺動脈的壓力時，半月瓣 (aortic valve 和 pulmonary valve) 關閉，防止血液從大動脈和肺動脈回流到心室。瓣膜關閉的震動和血液流動的減速產生了第二心音。它通常比第一心音更高亢、更短促。

心雜音 (Heart Murmur) 形成的原因：
心雜音是指除了正常的 S1 和 S2 之外，在心臟週期中聽到的額外或異常的聲音，通常是由於血液在心臟內或血管內不正常的流動所引起，尤其是在湍流 (turbulent flow) 狀態下。主要原因包括：

核心觀念：消化道激素是調控消化系統功能的重要化學信號。

詳解：
消化道中存在多種內分泌細胞，它們分泌激素以調節消化、吸收和相關生理功能。以下是三個重要的消化道激素及其生理功能：

1. 胃泌素 (Gastrin)

   • 分泌細胞：主要由胃竇部的 G 細胞分泌。
   • 生理功能：
     • 刺激胃酸分泌：這是胃泌素最主要的功能，它刺激壁細胞 (parietal cells) 分泌鹽酸 (HCl)，降低胃內 pH 值，有利於蛋白質消化和殺滅細菌。
     • 刺激胃黏膜生長：胃泌素對胃黏膜有營養作用，促進其增生和分化。
     • 胃蠕動：可促進胃的蠕動。
   • 調控：食物進入胃部，特別是蛋白質分解產物 (如胜肽) 和胃壁擴張，會刺激胃泌素分泌。胃酸過高則會抑制胃泌素分泌 (負回饋)。

2. 膽囊收縮素 (Cholecystokinin, CCK)

   • 分泌細胞：主要由小腸上段 (十二指腸和空腸) 的 I 細胞分泌。
   • 生理功能：
     • 刺激膽囊收縮：促使膽囊收縮，將膽汁排入十二指腸，幫助脂肪乳化。

核心觀念：下視丘釋放的促激素釋放激素/抑制激素 (hypophysiotrophic hormones) 是調控腦下垂體前葉激素分泌的關鍵。

詳解：
「Major hypophysiotrophic hormones」，即主要的神經激素 (或稱促激素釋放激素/抑制激素)，是由大腦下視丘 (hypothalamus) 的神經元分泌，經由門脈系統 (hypophyseal portal system) 運輸至腦下垂體前葉 (anterior pituitary)，調控其釋放各種下游的腺體激素。這些激素共同維持身體的內分泌恆定，調節生長、代謝、生殖等重要生理功能。

以下舉出四個主要的下視丘神經激素、其調控的腦下垂體前葉激素、以及下游激素的主要生理功能：

1. 促甲狀腺素釋放激素 (Thyrotropin-releasing hormone, TRH)

   • 調控腦下垂體前葉激素：促甲狀腺激素 (Thyroid-stimulating hormone, TSH)，又稱促甲狀腺細胞刺激素。
   • 下游激素：甲狀腺素 (Thyroxine, T₄) 和三碘甲狀腺胺酸 (Triiodothyronine, T₃)。
   • 下游激素主要生理功能：提高基礎代謝率，促進生長發育，特別是神經系統的發育；調節心血管系統、消化系統等。

2. 促腎上腺皮質素釋放激素 (Corticotropin-releasing hormone, CRH)

   • 調控腦下垂體前葉激素：促腎上腺皮質素 (Adrenocorticotropic hormone, ACTH)，又稱促腎上腺皮質激素。
   • 下游激素：皮質醇 (Cortisol) 等糖皮質激素 (glucocorticoids)。
   • 下游激素主要生理功能：參與應對壓力，調節碳水化合物、蛋白質和脂肪的代謝，抑制免疫反應，維持血壓等。

3. 促性腺激素釋放激素 (Gonadotropin-releasing hormone, GnRH)

   • 調控腦下垂體前葉激素：促性腺激素，包括黃體生成素 (Luteinizing hormone, LH) 和濾泡刺激素 (Follicle-stimulat

核心觀念：早期胚胎通過分泌特定因子，抑制母體產生前列腺素，從而維持黃體功能，確保妊娠。

詳解：
在許多哺乳動物中，懷孕初期維持黃體 (corpus luteum) 的功能至關重要，因為黃體分泌的黃體酮 (progesterone) 是維持妊娠所必需的。然而，在非妊娠狀態下，母體的胎盤激素 (特別是前列腺素 PGF₂α) 會刺激黃體退化 (luteolysis)。因此，為了維持妊娠，早期胚胎必須發送信號，抑制母體 PGF₂α 的合成與釋放，從而「拯救」黃體 (rescue of the corpus luteum)。

需要抑制 pulsatile prostaglandin 的動物例子：
Pulsatile prostaglandin (特別是 PGF₂α) 週期性釋放是導致黃體退化的重要機制。在懷孕初期，胚胎需要抑制這種週期性釋放，以維持黃體。許多哺乳動物都演化出了這樣的機制，例如：

1. 綿羊 (Sheep)
2. 山羊 (Goats)
3. 牛 (Cattle)
4. 豬 (Pigs)
5. 馬 (Horses)
6. 人類 (Humans) (儘管人類的機制與其他動物略有不同，但早期胚胎也通過分泌因子來維持黃體)

胚胎訊息因子及其功能：
早期胚胎會分泌多種因子來抑制母體 PGF₂α 的產生，從而維持黃體。以下是兩個常見的胚胎訊息因子及其作用機制：

1. 胚胎滋養層的干擾素-τ (Trophoblast Interferon-τ, IFN-τ)
   • 動物例子：綿羊 (Sheep) 和山羊 (Goats)。
   • 機制：懷孕早期，綿羊和山羊的胚胎滋養層細胞會大量分泌 IFN-τ。IFN-τ 進入母體循環，並作用於子宮內膜。它會抑制子宮內膜細胞 PGF₂α 的合成酶 (如環氧化酶-2, COX-2) 的表達和活性，從而減少 PGF₂α 的釋放。

核心觀念：此題旨在評估考生對 3R 原則、AOP 概念的理解，以及將其應用於開發非動物替代試驗的能力。要求結合理論與實務，提出具體可行性的試驗設計。

詳解：
此題為開放性問題，主要評估考生對動物實驗 3R 原則 (Replacement, Reduction, Refinement) 的理解，以及對不良反應關鍵步驟 (Adverse Outcome Pathway, AOP) 概念的掌握，並要求將 AOP 應用於開發體外替代試驗。回答時需展現對科學研究倫理、方法學的認識，並能提出具體的試驗設計。

以下提供一個可能的解題方向與架構，考生可依據自身知識背景進行發揮：

第一部分：理解 3R 原則與 AOP

• 3R 原則：
  • Replacement (替代)：盡可能使用非動物方法（如體外細胞培養、電腦模型、組織晶片等）來取代動物實驗。
  • Reduction (減量)：若無法完全替代，則盡量減少實驗所使用的動物數量。
  • Refinement (優化)：改良實驗方法和動物飼養條件，以減輕動物的痛苦和壓力。
• AOP (Adverse Outcome Pathway)：
  • AOP 是一種結構化的框架，描述了從一個化學物質 (或物理、生物因素) 的分子起始事件 (molecular initiating event, MIE) 開始，經過一系列關鍵的細胞、組織和器官層級的事件鏈，最終導致個體或族群層級的「不良結果」(adverse outcome, AO) 的過程。
  • AOP 的核心思想是將複雜的毒理學評估分解為可測量、可解釋的生物學事件，從而可以用體外方法評估早期事件，預測最終的不良結果。

第二部分：舉例說明 AOP 的應用與試驗終點

考生可選擇一個已知的 AOP 或自行構思一個 AOP 來進行說明。以下以「內分泌干擾物 (Endocrine Disruptor) 影響甲狀腺功能」為例。

• AOP 範例：內分泌干擾物對甲狀腺功能的干擾

  • 分子起始事件 (MIE)：外來化學物質 (如某些多氯聯苯, PCB) 結合甲狀腺素受體 (Thyroid Hormone Receptor, TR)，干擾其正常功能，或抑制甲狀腺素傳輸蛋白 (Thyroid Hormone Transporter)。
  • 關鍵細胞事件 (Key Cellular Events, KCEs)：
    • 甲狀腺素信號傳導異常。
    • 甲狀腺激素合成或分泌受影響。
    • 甲狀腺激素的代謝或清除率改變。
  • 組織/器官層級事件 (Tissue/Organ Level Events)：
    • 甲狀腺激素水平異常 (升高或降低)。
    • 甲狀腺激素依賴性發育異常 (例如，在發育中的兩棲類動物)。
    • 代謝率改變。
  • 不良結果 (Adverse Outcome, AO)：
    • 發育遲緩或畸形。
    • 生殖能力下降。
    • 代謝紊亂。

• AOP 應用於試驗終點評估：

  • 體外試驗終點：
    • 利用細胞株進行受體結合試驗：評估外來化學物質與 TR 的結合親和力 (MIE)。
    • 利用甲狀腺細胞株 (如：BeWo 細胞，或來自甲狀腺的細胞)：測量化學物質對甲狀腺激素合成酶 (如 NIS, TPO) 的影響，或對甲狀腺激素分泌的影響 (KCEs)。
    • 利用轉錄報告基因系統：構建攜帶 TR 響應元件的報告基因系統，評估化學物質對甲狀腺激素信號傳導的激活或抑制作用 (KCEs)。
    • 利用組織晶片 (Tissue Chip)：模擬甲狀腺組織的結構和功能，評估化學物質對甲狀腺激素代謝或清除的影響 (Tissue Level Events)。