114 年 國立臺灣大學獸醫學系碩士班乙組《生理學》

此題為名詞解釋，主要考驗學生對基本生理學名詞的理解。
Presynaptic cell 指的是在突觸（synapse）中，將神經衝動傳遞出去的那個神經元細胞。

此題為名詞解釋，主要考驗學生對運動生理學中感覺器官的理解。
高爾基肌腱器（Golgi tendon organ, GTO）是位於肌腱中的一種牽張感受器（proprioceptor）。它對肌腱的張力變化非常敏感，尤其是當肌肉收縮產生較大張力時。

此題為名詞解釋，主要考驗學生對肌肉生理學的理解。
肌肉張力（muscle tone）是指在非自願的、持續的肌肉收縮狀態下，即使在休息時，肌肉也保持一定的緊張度。這種張力是維持身體姿勢、平衡以及對突發動作做出反應的基礎。

此題為名詞解釋，主要考驗學生對心臟生理學或神經生理學的理解。
Pacemaker（起搏器）在生理學上通常指能自主產生節律性興奮（如心跳）或訊號的細胞或結構。

此題為名詞解釋，主要考驗學生對心血管生理學中血壓調節機制的理解。
壓力反射（baroreflex）是身體用於調節血壓的一種重要的負回饋機制。當血壓發生變化時，頸動脈和主動脈弓上的壓力感受器（baroreceptors）會偵測到這些變化，並將訊號傳遞到腦幹。

此題為名詞解釋，主要考驗學生對心血管生理學中血流動力學的理解。
總周邊阻力（total peripheral resistance, TPR）是指血液流經全身血管系統時所遇到的總阻力。它主要由動脈（尤其是小動脈）的直徑決定。

此題為名詞解釋，主要考驗學生對內分泌系統的理解。
Hypophysis 是腦下垂體（pituitary gland）的學名。腦下垂體是一個位於大腦下方、由下視丘（hypothalamus）調控的小型內分泌腺體，被譽為「內分泌系統的總開關」。

此題主要考驗學生對生理恆定概念的理解及其應用。生理恆定是維持生命活動的關鍵。
生理恆定（Homeostasis）是指生物體透過各種調節機制，使其內部環境（如體溫、血糖、pH值、滲透壓等）維持在一個相對穩定且適宜生存的範圍內，即使外部環境不斷變化。這種穩定性通常透過負回饋（negative feedback）機制來達成。

以下是兩個例子及其作用機轉：

1. 體溫調節 (Thermoregulation)
   • 生理意義： 維持體溫在一個狹窄的範圍內（例如人類約 $37^\circ C$），以確保酶的活性和其他生化反應能有效率地進行。
   • 作用機轉（以體溫升高為例）：
     • 偵測： 體溫升高時，皮膚和下視丘（hypothalamus）中的體溫感受器會偵測到溫度變化。
     • 整合： 這些訊號傳遞到下視丘的體溫調節中樞。
     • 反應： 下視丘發出指令，透過自主神經系統和內分泌系統啟動一系列反應：
       • 皮膚血管舒張： 增加流向皮膚的血液，促進熱量散失到環境中。
       • 排汗： 汗腺分泌汗液，汗液蒸發帶走大量熱量，達到降溫效果。
       • 代謝率降低（長期）： 身體可能會嘗試降低基礎代謝率以減少產熱。
     • 結果： 體溫下降，回到正常範圍。反之，若體溫過低，則會啟動相反的反應，如皮膚血管收縮、顫抖（增加產熱）等。

此題主要考驗學生對平滑肌收縮機制的理解，特別是鈣離子在其中的關鍵作用。
平滑肌的收縮機制與骨骼肌和心肌有所不同，其主要調控機制涉及鈣離子（$Ca^{2+}$）、肌鈣蛋白（troponin）和原肌球蛋白（tropomyosin）的參與程度較少，而更多依賴於一種稱為「肌鈣蛋白-肌球蛋白滑動」的機制，但調控方式不同。

以下是鈣離子調控平滑肌收縮的作用機制：

1. 細胞內鈣離子濃度升高：

   • 平滑肌收縮的起始信號是細胞內游離鈣離子（$[Ca^{2+}]_i$）濃度的升高。
   • 鈣離子主要來自兩個來源：
     • 細胞外： 透過電壓依賴性鈣通道（voltage-gated Ca$^{2+}$ channels）、受體操作性鈣通道（receptor-operated Ca$^{2+}$ channels）或機械敏感性鈣通道（mechanosensitive Ca$^{2+}$ channels）從細胞外進入細胞質。
     • 細胞內儲存： 從肌漿網（sarcoplasmic reticulum, SR）釋放，儘管平滑肌的肌漿網不如骨骼肌發達。

2. 鈣離子與鈣調節蛋白（Calmodulin）結合：

   • 細胞內鈣離子濃度升高後，鈣離子會與細胞質中的鈣調節蛋白（Calmodulin, CaM）結合，形成 $Ca^{2+}$-CaM 複合物。

3. 活化肌球蛋白輕鏈激酶（Myosin Light Chain Kinase, MLCK）：

   • $Ca^{2+}$-CaM 複合物會進一步活化一種酶，稱為肌球蛋白輕鏈激酶（MLCK）。

此題考驗學生對神經傳導物質種類及其生理功能的知識。需要列出五個神經傳導物質，並說明它們各自參與調控的生理作用。

以下是五個常見的神經傳導物質及其參與調控的生理作用：

1. 乙醯膽鹼 (Acetylcholine, ACh)

   • 參與調控的生理作用：
     • 中樞神經系統： 參與學習、記憶、注意力、睡眠週期和自主神經系統的調節。
     • 周邊神經系統：
       • 運動神經元： 在神經肌肉接頭處，乙醯膽鹼是唯一的神經傳導物質，負責傳遞神經衝動到骨骼肌，引起肌肉收縮。
       • 自主神經系統： 在副交感神經節前纖維與節後纖維之間，以及節後纖維與目標器官（如心臟、平滑肌、腺體）之間傳遞訊息。

2. 多巴胺 (Dopamine, DA)

   • 參與調控的生理作用：
     • 運動控制： 在基底核（basal ganglia）中，多巴胺對於協調和控制身體運動至關重要。多巴胺的缺乏是帕金森氏症的主要原因。
     • 獎勵與動機： 在大腦的獎勵迴路中扮演關鍵角色，與動機、愉悅感、成癮行為有關。
     • 認知功能： 參與注意力、學習和決策。
     • 荷爾蒙調節： 抑制催乳素（prolactin）的分泌。

3. 血清素 (Serotonin, 5-HT)

   • 參與調控的生理作用：
     • 情緒調節： 與情緒、憂鬱、焦慮的調節密切相關。

此題考驗學生對 3R 原則的理解，以及如何將其應用於藥理學和生理學研究中，特別是針對 G protein-coupled receptor (GPCR) 的研究。需要結合體外模型、細胞模型及電腦模擬等替代方法，並構思一個具體的研究情境。

3R 原則：

• 替代 (Replacement)： 使用非動物方法取代動物試驗。
• 減少 (Reduction)： 盡可能減少實驗所用動物的數量。
• 優化 (Refinement)： 改良實驗技術和動物飼養條件，以減少動物的痛苦和壓力。

研究新發現的 GPCR 的生理功能，並應用 3R 原則的策略：

假設我們發現了一個新的 GPCR，暫命名為 "NovelGPCR"，它可能與心血管系統的調節有關，例如影響血管張力。我們的目標是研究它在心血管生理學中的作用，並盡量避免使用動物模型。

替代試驗策略與方法：

1. 體外細胞模型 (In Vitro Cellular Models)：

   • 目標： 探究 NovelGPCR 在細胞層面的激活機制、下游信號傳導通路以及與其他細胞組分的相互作用。
   • 方法：
     • 基因重組與細胞株建立： 利用基因工程技術，將 NovelGPCR 的基因轉殖到易於培養的細胞株中（例如 HEK293 細胞、CHO 細胞）。這些細胞株本身不表達該 GPCR，因此可以清晰地研究其功能。
     • 配體篩選與激活研究：
       • 合成或篩選可能與 NovelGPCR 結合並激活它的潛在配體（agonists）或抑制劑（antagonists）。
       • 利用細胞報告基因檢測（reporter gene assays），如 cAMP 或 $Ca^{2+}$ 流動的測量，來評估 NovelGPCR 被激活後下游信號的變化。例如，如果 NovelGPCR 是一個與 Gs 蛋白偶聯的受體，激活後會增加 cAMP 水平；如果與 Gi 蛋白偶聯，則會降低 cAMP 水平；如果與 Gq 蛋白偶聯，則會引起細胞內鈣離子濃度升高。
     • 信號轉導通路分析： 使用 Western blot、ELISA 或質譜分析等技術，檢測與 NovelGPCR 相關的下游信號分子（如磷酸化的 ERK、AKT 等）的活化狀態。
     • 細胞功能檢測： 如果 NovelGPCR 存在於特定的細胞類型中（如血管平滑肌細胞），可以培養相應的細胞，並觀察 NovelGPCR 的激活對這些細胞功能（如細胞增殖、遷移、分泌因子等）的影響。

2. 組織和器官模型 (Tissue and Organ Models)：

   • 目標： 在更接近生理的環境中研究 NovelGPCR 的功能，觀察其對複雜組織結構和細胞間相互作用的影響。
   • 方法：
     • 離體器官灌流 (Isolated Organ Perfusion)： 使用從動物（在極少量使用情況下，或使用人體捐贈器官）獲取的離體血管、心臟或肺部。透過灌流系統，向器官灌注含有配體或抑制劑的生理鹽水，並監測器官的生理反應（如血管阻力、血壓、心率、收縮力等）。這種方法可以減少動物的使用，並提供更接近整體生理的資訊。
     • 微生理系統/器官晶片 (Microphysiological Systems/Organs-on-a-Chip)： 這是高度先進的替代方法。利用微流體技術，在微小的晶片上構建模擬人體器官（如血管、肺、腸道、腎臟等）結構和功能的微型模型。例如，可以構建一個「血管晶片」，其中包含內皮細胞和血管平滑肌細胞，並在此模型中研究 NovelGPCR 在調節血管張力中的作用。這種方法可以極大地減少動物使用，並提供更精確和可控的實驗環境。