IB 生物/神经、肌肉和运动

主题 11：神经、肌肉和运动

神经

概述人体神经系统的总体组织，包括中枢神经系统和周围神经系统

大脑，或中枢神经系统 (CNS)，通过脊髓连接到周围神经系统 (PNS)。
周围神经系统分为两类

感觉输入（传入部分） - 感知外部和内部环境条件。
运动输出（传出部分）：不言自明。

躯体神经系统 - 有意识的，**受控反应**
自主神经系统 - 自动发挥作用。

副交感神经 - **放松**状态。
交感神经 - **兴奋**状态。

神经系统分为两个主要部分：**中枢神经系统**（CNS）和**周围神经系统**（PNS）。CNS 的器官，大脑和脊髓，分别位于颅骨和椎骨内并受到保护。PNS 由从 CNS 分支出来的神经组成，**连接 CNS 和身体的其他部位**。CNS **接收来自 PNS 神经的脉冲并对其进行解释**，并将相应的信号通过 PNS 传回原点，从而控制整个身体的功能。

画出运动神经元的结构图

定义静息电位和动作电位"

静息电位是**神经元膜在不传导冲动时**的膜电位能。静息电位期间膜的电荷为**-70 毫伏**，这意味着细胞膜内的电荷相对于外部电荷是相对负的。

动作电位是**细胞膜在传导冲动时**的状态，意味着细胞膜的快速去极化和复极化。膜上的电荷通常达到 +40 毫伏，这意味着**细胞内部相对于外部带正电。**

解释神经冲动如何在非髓鞘神经元（轴突）上传递。

在静息神经元中，**细胞膜内外存在离子不平衡**。重要的离子是 K⁺（**钾**）和 Na⁺（**钠**）。K+ 在细胞内浓度更高，因此倾向于从细胞中扩散出去。正是这种扩散**导致了跨质膜的电荷势能**（在静息神经元中约为 -70 毫伏）。Na+ 在细胞外浓度更高，因此倾向于扩散进入细胞，但由于质膜对 Na⁺ 的通透性很低，所以扩散速度非常慢。**嵌入质膜中的钠钾泵逆着两种离子的扩散梯度起作用，以保持梯度和膜电位**。

当来自树突的等级神经冲动到达**阈值电位**（通常比静息电位正**15 到 20 毫伏**）并到达轴突丘时，它会**触发动作电位**。动作电位是非等级事件，**意味着电位的幅度在所有情况下基本保持恒定**。当达到阈值电位时，**轴突丘上的电压门控钠和钾通道被刺激**。每个钠通道有两个门，一个快速作用的激活门和一个慢速作用的失活门。通常**激活门关闭，失活门打开**。但是，由于 Na+ 要自由通过通道，必须**两个门都打开**，所以通常这些钠通道是关闭的。钾通道只有一个门，它是慢速作用的，并且通常是关闭的。来自阈值电位的电压刺激导致**所有门反转其位置；如果它们是关闭的，它们就会打开，如果它们是打开的，它们就会关闭**。快速作用的钠激活门是第一个做出反应的门，它们打开并允许 Na+ 自由扩散进入神经元。这种大量、快速的 Na+ 流入导致跨质膜的电荷势能变为正。这被称为**去极化**。大多数神经元会去极化至 +40 毫伏，正是这种去极化**导致动作电位或神经冲动**。到电压达到峰值时，失活门已关闭足够长的时间，阻止了更多的 Na+ 进入细胞。同时，钾门终于打开，导致 K⁺ 离子沿着电荷梯度快速从神经元中扩散出去，增加其负性。这是**复极化**阶段。通道门最终会恢复到它们的静息位置，但慢速作用的钾门需要更长的时间才能关闭，这会导致过量的 K⁺ 从细胞中扩散出去，导致短暂的**超极化**或过冲（**膜电位下降至静息电位以下**）。在复极化后的短暂时间内，钠激活门和失活门都保持关闭，因为失活门是慢速作用的，需要时间才能恢复到其打开的静息位置。在此期间，称为**不应期**，神经元的这一特定区域无法去极化。一旦钠失活门再次打开，该区域将能够再次去极化。

随着神经元轴突丘的去极化，它会刺激轴突的下一区域去极化，因为膜电位在去极化至动作电位期间超过阈值电位。通过这种方式，动作电位被反复触发，每次都在轴突上更远更远的地方触发。动作电位仅沿一个方向传播；这是通过不应期的作用实现的。位于动作电位位置后面的区域无法被刺激去极化，因为它们刚刚去极化和复极化，并且在不应期过去之前无法再次去极化。

解释突触传递的原理。

突触是**神经元与另一个神经元或另一种细胞类型（如肌肉细胞）进行交流的位置**。产生神经信号的细胞是**突触前细胞**，接收信号的细胞是**突触后细胞**。有两种类型的突触，电突触和化学突触。电突触**包含间隙连接**，连接两个细胞并**允许动作电位在两个细胞之间不间断地传播**。化学突触更为常见，它们包含**一个称为突触间隙的狭窄间隙**，将突触前细胞和突触后细胞隔开。动作电位不能直接跳过间隙，相反，细胞必须依靠化学信号来传播神经冲动。

当动作电位到达轴突末端和突触末端时，它会**使突触前膜去极化**。在这里，电压门控钙通道打开并允许 Ca²⁺ 离子扩散进入神经元。Ca²⁺ 浓度突然增加导致**充满神经递质的突触囊与质膜融合并释放神经递质到突触间隙**。神经递质可以是多种化学物质，包括乙酰胆碱 (ACh)、去甲肾上腺素、多巴胺和血清素。这些化学物质一旦释放，就会快速扩散穿过突触间隙并到达突触后膜。在突触后膜上，有许多专门的受体蛋白，它们与特定的神经递质结合并打开特定的离子通道。根据接收到的神经递质，离子通道可能会打开以允许 Na⁺、K⁺、Cl^- 或其他离子扩散进入或离开细胞。根据打开的通道，突触后膜会去极化或超极化。突触后膜的去极化称为**兴奋性突触后电位 (EPSP)**，超极化称为**抑制性突触后电位 (IPSP)**。EPSP 使突触后细胞更容易产生动作电位，而 IPSP 使突触后细胞更难产生动作电位。EPSP 和 IPSP 的影响是累积的，这意味着多个 EPSP、IPSP 或两者的组合的影响会叠加，这种现象称为总和。总和可以是空间的，这意味着电位在空间上重叠（例如，它们在神经元上彼此靠近），时间性的，意味着电位在时间上重叠（例如，在非常短的时间内出现多个电位），或两者兼而有之。回到突触间隙，释放的神经递质会迅速消失，要么通过简单的扩散，要么通过酶促分解，例如，胆碱酯酶分解 ACh。如果在下一个动作电位到达突触之前间隙没有被清除，则该电位释放的神经递质将无法与突触后膜上的受体结合，并且信号的影响将不会传播到突触后细胞。

肌肉和运动

概述动物界运动的多样性，例如蚯蚓的运动、硬骨鱼的游泳、鸟类的飞行和节肢动物的行走。

蚯蚓通过收缩和扩张身体的交替节段来向前滑动。硬骨鱼左右摆动尾部以产生前进运动。它使用气囊控制浮力，气囊的大小会增大或减小以迫使鱼向上或向下运动。鸟类上下拍打翅膀以产生向上推力。一旦鸟类升空，它就会利用气流滑翔，偶尔拍打翅膀以保持高度。节肢动物通过伸展和弯曲腿部的肌肉节段来向前移动。

描述神经、肌肉和骨骼在产生运动或运动中的作用。

骨骼提供支撑肌肉的框架。来自大脑运动中心（延髓）的信号沿着神经发送，这些神经与某些肌肉突触。这种突触会导致肌球蛋白和肌动蛋白丝相互滑动，导致肌肉收缩并最终导致运动。

画出人体肘关节的结构图。

概述人体肘关节主要结构的功能。

二头肌 - 屈肌，用于弯曲肘部
肱骨 - 为肌肉提供坚固的锚点
三头肌 - 伸肌，用于伸直手臂
滑液 - 润滑关节以减少摩擦
囊 - 密封关节
肌腱 - 连接肌肉和骨骼
桡骨 - 前臂上部骨骼，传递来自肱二头肌的力量穿过前臂
尺骨 - 前臂下部骨骼，传递来自肱三头肌的力量穿过前臂
韧带 - 强韧的组织索带，连接骨骼，防止关节脱位
软骨 - 一层光滑坚韧的组织，覆盖骨骼末端，在骨骼接触处减少摩擦

绘制电子显微镜下观察到的骨骼肌纤维结构。

解释骨骼肌如何通过肌丝滑动收缩。

利用 ATP，肌动蛋白和肌球蛋白丝相互滑动，导致肌原纤维中的肌小节缩短，最终导致骨骼肌收缩。

肌球蛋白与肌动蛋白丝上的结合位点形成桥接
ATP 与肌球蛋白头部结合，使其从结合位点分离，断开横桥
ATP 失去一个磷酸分子，释放能量，留下 ADP + P+ 并改变肌球蛋白头部的角度。这被称为“上翘”的肌球蛋白头部。
倾斜的头部附着在肌动蛋白上新的结合位点，该位点位于肌动蛋白结合位点行更靠后的位置
ADP + P+ 被释放，导致头部将肌丝推向肌小节内部，导致肌球蛋白和肌动蛋白丝相互滑动。