微专题9 兴奋的传导和传递的实验探究
题型一 膜电位的测量及电流表指针偏转的判断
【知识·方法】
1.膜电位的测量方法及比较
2.电表指针偏转问题分析
(1)神经纤维上兴奋传导与电表指针偏转问题。
注:电表指针偏转方向与电流方向一致。
(2)在神经元之间兴奋传递与电表指针偏转问题。
【类题·精练】
1.(2024·湖南岳阳三模)将枪乌贼离体神经置于生理盐水中,下图表示其动作电位传导示意图(图示中的横坐标表示距离刺激点的距离),下列叙述正确的是( )
[A] ①～③段Na+通道开放,Na+内流
[B] 随着传导距离的增加,③点将逐渐下移
[C] 静息电位是指AB之间膜内的电位差
[D] 兴奋在轴突上从A向B侧传导
【答案】 D
【解析】 ⑤处对应位置即将兴奋,⑤～③段Na+通道开放,Na+内流,③～①是恢复静息电位的过程,主要是K+外流;③点表示产生的动作电位最大值,其大小不会因为传导距离的增加而变化;静息电位是神经纤维未受刺激时的外正内负的电位,而不是兴奋部位与未兴奋部位之间的电位差;由图分析可知,A为兴奋部位,B为未兴奋部位,兴奋在轴突上从A向B侧传导。
2.(2024·广东广州一模)某生物实验小组研究兴奋在神经纤维上的传导以及在神经元a、b之间传递的情况(说明:L1和L2距离相等,电流计①两微电极的中点为a3,电流计②两微电极分别位于神经元a、b上)。下列相关叙述错误的是( )
[A] 分别适宜刺激神经元a上的四点,电流计①的指针均发生两次方向相反的偏转
[B] 分别适宜刺激神经元a上的四点,电流计②的指针均发生两次方向相反的偏转
[C] 适宜刺激a4点时,电流计①的指针发生第二次偏转的时间早于电流计②
[D] a1点受适宜刺激后,兴奋在神经元a与b之间发生电信号→化学信号→电信号的转化
【答案】 A
【解析】 电流计①两微电极的中点为a3,若刺激a3点,电流计①的两个微电极将同时产生兴奋,指针不会发生偏转;兴奋在神经元之间是单向传递的,分别刺激神经元a上的四点,电流计②的指针均发生两次方向相反的偏转;由于兴奋在神经纤维上传导的速度快于兴奋在神经元之间的传递速度,刺激a4点时,电流计①的指针发生第二次偏转的时间要早于电流计②;兴奋在神经元之间以化学信号的形式进行传递,兴奋在突触处的转化为电信号→化学信号→电信号。
3.(2024·山东菏泽一模)吗啡是临床上常用的麻醉性镇痛药,吗啡通过激活感觉神经突触前膜上的相关受体,引起一系列反应,使致痛物质释放减少,最终减弱或阻滞痛觉信号的传递,产生镇痛作用,但具有成瘾性。为研究神经元电位变化,设计了实验装置图甲,两个神经元之间以突触联系,电表Ⅰ的电极分别在Q点细胞内外侧、电表Ⅱ的电极分别在R、S点的细胞外侧;图乙和图丙是可能存在的电位变化。下列叙述正确的是( )
[A] 静息时,若降低细胞外K+浓度,则电表Ⅰ的指针右偏幅度减小
[B] ①→②电位变化对应于P→Q兴奋传导过程
[C] 刺激P点,电表Ⅰ和电表Ⅱ记录到的电位变化波形分别为图乙和图丙
[D] 长期使用吗啡后突然停止,会使得致痛物质释放量迅速增加
【答案】 D
【解析】 静息时,若降低细胞外K+浓度,使得膜内外K+浓度差增大,K+外流增多,则电表Ⅰ的指针右偏幅度增大;①→②电位变化产生动作电位,对应于Q点的兴奋;由于兴奋在神经元之间的传递是单向的,只能由突触前膜到突触后膜,所以刺激Р点,兴奋只能传到Q点、R点,不能传到S点,所以电表Ⅰ、Ⅱ的指针均只能发生1次偏转,电表Ⅰ记录到的电位变化波形与图乙基本相同,电表Ⅱ记录到的电位变化波形与图丙中的④基本相同,不发生⑤;使用吗啡能减少致痛物质释放,但易依赖成瘾,一旦突然停止使用吗啡,会使得致痛物质释放量迅速增加,出现更强烈的痛觉。
题型二 反射弧中兴奋传导和传递特点的实验探究
【知识·方法】
1.切断法确认传入神经与传出神经
若切断某一神经,刺激外周段(远离中枢的位置),肌肉不收缩,而刺激向中段(近中枢的位置),肌肉收缩,则切断的为传入神经,反之则为传出神经。
2.“药物阻断”实验
探究某药物(如麻醉药)是阻断兴奋在神经纤维上的传导,还是阻断在突触处的传递,可分别将药物置于神经纤维上或置于突触处,依据其能否产生“阻断”效果作出合理推断。
3.电刺激法探究反射弧中兴奋传导和传递的特点
(1)探究兴奋在神经纤维上的传导。
(2)探究兴奋在神经元之间的传递。
【类题·精练】
4.(2024·广东茂名一模)家兔的减压反射对维持血压的相对稳定有重要意义,该反射弧中连接减压神经中枢的有减压神经和迷走神经。某同学对已麻醉的家兔进行手术,并用电流刺激神经中枢后测定其血压变化,以区分传入神经和传出神经,手术处理和结果如表。下列对该实验的分析正确的是( )
组别 减压神经 迷走神经 血压
甲组 + + 下降
乙组 — + 下降
丙组 + — 不变
注:“+”表示该神经完好,“—”表示剪断该神经。
[A] 手术离体部位要用蒸馏水浸润以维持反射弧活性
[B] 减压反射需要中枢神经的参与,属于条件反射
[C] 该实验证明减压反射中减压神经是传出神经
[D] 减压反射可以缓解血压突然升高带来的变化
【答案】 D
【解析】 手术离体部位要用生理盐水浸润以维持反射弧活性;减压反射是机体对血压的调节活动,是生来就有的,不需要大脑皮层参与,属于非条件反射;分析表格可知,用电流刺激神经中枢后,迷走神经完好时血压下降,而迷走神经被剪断时血压不变,据此推测,减压反射中迷走神经是传出神经;由实验可知减压反射能使血压下降,因此减压反射可以缓解血压突然升高带来的变化。
5.(2024·湖南永州二模)科学家谢切诺夫发现刺激蟾蜍的间脑会导致反射抑制,这一现象被称为“谢切诺夫抑制”。为探究酒精延长屈反射时长的机理,某兴趣小组进行了以下实验。
实验材料:间脑蟾蜍(切除了大脑和部分间脑、相关机能正常的蟾蜍),小滤纸片,任氏液,酒精(浓度为中度酒精中毒的浓度),去甲肾上腺素(NA),酚妥拉明(PT),1%硫酸溶液等。(要求与说明:任氏液为两栖类的生理盐水;酒精、NA和PT均用任氏液配制;NA是一种神经递质;PT是NA受体的抑制剂。实验条件适宜)
实验步骤:①取6组间脑蟾蜍,用不同试剂刺激间脑断面;②用1%硫酸刺激间脑蟾蜍一侧后肢的中趾趾端,测定屈反射时长。
实验结论:NA与其受体结合,显著延长了间脑蟾蜍的屈反射时长;酒精通过NA受体参与的途径,显著延长了间脑蟾蜍的屈反射时长。
回答下列问题。
(1)任氏液(成分见下表)中NaHCO3、NaH2PO4的作用是 。任氏液中葡萄糖的主要作用是提供能量,若将其浓度提高到150 g/L,标本活性会显著降低,主要是因为
。
任氏液 成分 NaCl KCl CaCl2 NaHCO3 NaH2PO4 葡萄糖
含量 (g/L) 6.5 0.14 0.12 0.2 0.01 2.0
(2)该实验的分组处理应为:
A组 B组 C组 D组 E组 F组
任氏液 NA PT 酒精
(3)酒后驾车属于危险的驾驶行为,由本实验结果推测其可能的生物学机理是 。
(4)另取一只脊蛙(去除脑保留脊髓的蛙),将其右侧坐骨神经(包括传入神经和传出神经的混合神经)原位暴露,将含有1%可卡因(麻醉剂)的棉球放在坐骨神经上,一段时间后用电针给予右后肢适宜强度的刺激,屈腿反射不再发生,这时把浸有1%硫酸的滤纸片贴在脊蛙下腹部,脊蛙出现搔扒反射(用左右后肢试图蹬掉腹部的滤纸片)。过一段时间后,搔扒反射消失。推测可卡因对坐骨神经的传入神经和传出神经的麻醉顺序是 。
(5)为了验证神经—肌肉突触的兴奋传递是单向的,将蛙的脑和脊髓损毁,然后制作坐骨神经—腓肠肌标本,如图所示,结合图示设计实验方案并预测实验结果。
【答案】 (1)维持酸碱平衡(pH稳定) 细胞发生渗透作用失水,甚至死亡
(2)NA+PT 酒精+PT(答案顺序可变)
(3)酒精通过NA受体参与的途径,显著延长了屈反射时长,酒后驾车导致司机反应迟钝
(4)先麻醉传入神经再麻醉传出神经
(5)在刺激点A给予刺激,观察腓肠肌收缩情况,结果为腓肠肌收缩;在刺激点B给予刺激,观察电表指针偏转情况,结果为电表指针不发生偏转。
【解析】 (1)NaHCO3、NaH2PO4中的无机盐离子可维持酸碱平衡(pH稳定);任氏液中葡萄糖作为能源物质,主要作用是提供能量,若将其浓度提高到150 g/L,细胞可能发生渗透作用失水,甚至死亡,故若将其浓度提高到150 g/L,标本活性会显著降低。(2)本实验目的是探究酒精延长屈反射时长的机理,而实验结论是①NA与其受体结合,显著延长了间脑蟾蜍的屈反射时长;②酒精通过NA受体参与的途径,显著延长了间脑蟾蜍的屈反射时长。实验设计应遵循对照与单一变量原则,故图中的E组处理是NA+PT(该处理使NA无法通过NA受体起作用,与A、B、C组对比得到结论①)、F组处理是酒精+PT(该处理使酒精无法通过NA受体起作用,与A、C、D组对比得到结论②)。(4)分析题意,右侧坐骨神经包括传入神经和传出神经的混合神经,将含有1%可卡因(麻醉剂)的棉球放在坐骨神经上,一段时间后用电针给予右后肢适宜强度的刺激,屈腿反射不再发生,说明传入神经或传出神经被麻醉,故仍需进一步实验。这时把浸有1%硫酸的滤纸片贴在脊蛙下腹部,脊蛙出现搔扒反射(用左右后肢试图蹬掉腹部的滤纸片),说明传出神经仍正常,过一段时间后,搔扒反射消失,说明传出神经也被麻醉,综上所述,可卡因对坐骨神经的传入神经和传出神经的麻醉顺序是先麻醉传入神经再麻醉传出神经。(5)分析题意,本实验目的是验证神经—肌肉突触的兴奋传递是单向的,图示电表连接在坐骨神经上,可分别刺激点A和B,分别通过观察腓肠肌收缩情况和电表偏转情况进行探究。
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微专题9
1.膜电位的测量方法及比较
2.电表指针偏转问题分析
(1)神经纤维上兴奋传导与电表指针偏转问题。
注:电表指针偏转方向与电流方向一致。
(2)在神经元之间兴奋传递与电表指针偏转问题。
1.(2024·湖南岳阳三模)将枪乌贼离体神经置于生理盐水中,下图表示其动作电位传导示意图(图示中的横坐标表示距离刺激点的距离),下列叙述正确的是( )
[A] ①～③段Na+通道开放,Na+内流
[B] 随着传导距离的增加,③点将逐渐下移
[C] 静息电位是指AB之间膜内的电位差
[D] 兴奋在轴突上从A向B侧传导
D
【解析】 ⑤处对应位置即将兴奋,⑤～③段Na+通道开放,Na+内流,③～①是恢复静息电位的过程,主要是K+外流;③点表示产生的动作电位最大值,其大小不会因为传导距离的增加而变化;静息电位是神经纤维未受刺激时的外正内负的电位,而不是兴奋部位与未兴奋部位之间的电位差;由图分析可知,A为兴奋部位,B为未兴奋部位,兴奋在轴突上从A向B侧传导。
2.(2024·广东广州一模)某生物实验小组研究兴奋在神经纤维上的传导以及在神经元a、b之间传递的情况(说明:L1和L2距离相等,电流计①两微电极的中点为a3,电流计②两微电极分别位于神经元a、b上)。下列相关叙述错误的是( )
[A] 分别适宜刺激神经元a上的四点,电流计①的指针均发生两次方向相反的偏转
[B] 分别适宜刺激神经元a上的四点,电流计②的指针均发生两次方向相反的偏转
[C] 适宜刺激a4点时,电流计①的指针发生第二次偏转的时间早于电流计②
[D] a1点受适宜刺激后,兴奋在神经元a与b之间发生电信号→化学信号→电信号的转化
A
【解析】 电流计①两微电极的中点为a3,若刺激a3点,电流计①的两个微电极将同时产生兴奋,指针不会发生偏转;兴奋在神经元之间是单向传递的,分别刺激神经元a上的四点,电流计②的指针均发生两次方向相反的偏转;由于兴奋在神经纤维上传导的速度快于兴奋在神经元之间的传递速度,刺激a4点时,电流计①的指针发生第二次偏转的时间要早于电流计②;兴奋在神经元之间以化学信号的形式进行传递,兴奋在突触处的转化为电信号→化学信号→电信号。
3.(2024·山东菏泽一模)吗啡是临床上常用的麻醉性镇痛药,吗啡通过激活感觉神经突触前膜上的相关受体,引起一系列反应,使致痛物质释放减少,最终减弱或阻滞痛觉信号的传递,产生镇痛作用,但具有成瘾性。为研究神经元电位变化,设计了实验装置图甲,两个神经元之间以突触联系,电表Ⅰ的电极分别在Q点细胞内外侧、电表Ⅱ的电极分别在R、S点的细胞外侧;图乙和图丙是可能存在的电位变化。下列叙述正确的是( )
[A] 静息时,若降低细胞外K+浓度,则电表Ⅰ的指针右偏幅度减小
[B] ①→②电位变化对应于P→Q兴奋传导过程
[C] 刺激P点,电表Ⅰ和电表Ⅱ记录到的电位变化波形分别为图乙和图丙
[D] 长期使用吗啡后突然停止,会使得致痛物质释放量迅速增加
D
【解析】 静息时,若降低细胞外K+浓度,使得膜内外K+浓度差增大,K+外流增多,则电表Ⅰ的指针右偏幅度增大;①→②电位变化产生动作电位,对应于Q点的兴奋;由于兴奋在神经元之间的传递是单向的,只能由突触前膜到突触后膜,所以刺激Р点,兴奋只能传到Q点、R点,不能传到S点,所以电表Ⅰ、Ⅱ的指针均只能发生1次偏转,电表Ⅰ记录到的电位变化波形与图乙基本相同,电表Ⅱ记录到的电位变化波形与图丙中的④基本相同,不发生⑤;使用吗啡能减少致痛物质释放,但易依赖成瘾,一旦突然停止使用吗啡,会使得致痛物质释放量迅速增加,出现更强烈的痛觉。
1.切断法确认传入神经与传出神经
若切断某一神经,刺激外周段(远离中枢的位置),肌肉不收缩,而刺激向中段
(近中枢的位置),肌肉收缩,则切断的为传入神经,反之则为传出神经。
2.“药物阻断”实验
探究某药物(如麻醉药)是阻断兴奋在神经纤维上的传导,还是阻断在突触处的传递,可分别将药物置于神经纤维上或置于突触处,依据其能否产生“阻
断”效果作出合理推断。
3.电刺激法探究反射弧中兴奋传导和传递的特点
(1)探究兴奋在神经纤维上的传导。
(2)探究兴奋在神经元之间的传递。
4.(2024·广东茂名一模)家兔的减压反射对维持血压的相对稳定有重要意义,该反射弧中连接减压神经中枢的有减压神经和迷走神经。某同学对已麻醉的家兔进行手术,并用电流刺激神经中枢后测定其血压变化,以区分传入神经和传出神经,手术处理和结果如表。
注:“+”表示该神经完好,“—”表示剪断该神经。
组别 减压神经 迷走神经 血压
甲组 + + 下降
乙组 — + 下降
丙组 + — 不变
下列对该实验的分析正确的是( )
[A] 手术离体部位要用蒸馏水浸润以维持反射弧活性
[B] 减压反射需要中枢神经的参与,属于条件反射
[C] 该实验证明减压反射中减压神经是传出神经
[D] 减压反射可以缓解血压突然升高带来的变化
D
【解析】 手术离体部位要用生理盐水浸润以维持反射弧活性;减压反射是机体对血压的调节活动,是生来就有的,不需要大脑皮层参与,属于非条件反射;分析表格可知,用电流刺激神经中枢后,迷走神经完好时血压下降,而迷走神经被剪断时血压不变,据此推测,减压反射中迷走神经是传出神经;由实验可知减压反射能使血压下降,因此减压反射可以缓解血压突然升高带来的变化。
5.(2024·湖南永州二模)科学家谢切诺夫发现刺激蟾蜍的间脑会导致反射抑制,这一现象被称为“谢切诺夫抑制”。为探究酒精延长屈反射时长的机理,某兴趣小组进行了以下实验。
实验材料:间脑蟾蜍(切除了大脑和部分间脑、相关机能正常的蟾蜍),小滤纸片,任氏液,酒精(浓度为中度酒精中毒的浓度),去甲肾上腺素(NA),酚妥拉明(PT),1%硫酸溶液等。(要求与说明:任氏液为两栖类的生理盐水;酒精、NA和PT均用任氏液配制;NA是一种神经递质;PT是NA受体的抑制剂。实验条件适宜)
实验步骤:①取6组间脑蟾蜍,用不同试剂刺激间脑断面;②用1%硫酸刺激间脑蟾蜍一侧后肢的中趾趾端,测定屈反射时长。
实验结论:NA与其受体结合,显著延长了间脑蟾蜍的屈反射时长;酒精通过NA受体参与的途径,显著延长了间脑蟾蜍的屈反射时长。
回答下列问题。
(1)任氏液(成分见下表)中NaHCO3、NaH2PO4的作用是 。任氏液中葡萄糖的主要作用是提供能量,若将其浓度提高到150 g/L,标本活性会显著降低,主要是因为 。
维持酸碱平衡(pH稳定)
细胞发生渗透作用失水,甚至死亡
任氏液
成分 NaCl KCl CaCl2 NaHCO3 NaH2PO4 葡萄糖
含量
(g/L) 6.5 0.14 0.12 0.2 0.01 2.0
【解析】 (1)NaHCO3、NaH2PO4中的无机盐离子可维持酸碱平衡(pH稳定);任氏液中葡萄糖作为能源物质,主要作用是提供能量,若将其浓度提高到150 g/L,细胞可能发生渗透作用失水,甚至死亡,故若将其浓度提高到150 g/L,标本活性会显著降低。
(2)该实验的分组处理应为:
【答案】 (2)NA+PT 酒精+PT(答案顺序可变)
A组 B组 C组 D组 E组 F组
任氏液 NA PT 酒精
【解析】 (2)本实验目的是探究酒精延长屈反射时长的机理,而实验结论是①NA与其受体结合,显著延长了间脑蟾蜍的屈反射时长;②酒精通过NA受体参与的途径,显著延长了间脑蟾蜍的屈反射时长。实验设计应遵循对照与单一变量原则,故图中的E组处理是NA+PT(该处理使NA无法通过NA受体起作用,与A、B、C组对比得到结论①)、F组处理是酒精+PT(该处理使酒精无法通过NA受体起作用,与A、C、D组对比得到结论②)。
(3)酒后驾车属于危险的驾驶行为,由本实验结果推测其可能的生物学机理是
。
酒精通过NA受体参与的途径,显著延长了屈反射时长,酒后驾车导致司机反应迟钝
(4)另取一只脊蛙(去除脑保留脊髓的蛙),将其右侧坐骨神经(包括传入神经和传出神经的混合神经)原位暴露,将含有1%可卡因(麻醉剂)的棉球放在坐骨神经上,一段时间后用电针给予右后肢适宜强度的刺激,屈腿反射不再发生,这时把浸有1%硫酸的滤纸片贴在脊蛙下腹部,脊蛙出现搔扒反射(用左右后肢试图蹬掉腹部的滤纸片)。过一段时间后,搔扒反射消失。推测可卡因对坐骨神经的传入神经和传出神经的麻醉顺序是
。
先麻醉传入神经再麻醉传出神经
【解析】 (4)分析题意,右侧坐骨神经包括传入神经和传出神经的混合神经,将含有1%可卡因(麻醉剂)的棉球放在坐骨神经上,一段时间后用电针给予右后肢适宜强度的刺激,屈腿反射不再发生,说明传入神经或传出神经被麻醉,故仍需进一步实验。这时把浸有1%硫酸的滤纸片贴在脊蛙下腹部,脊蛙出现搔扒反射(用左右后肢试图蹬掉腹部的滤纸片),说明传出神经仍正常,过一段时间后,搔扒反射消失,说明传出神经也被麻醉,综上所述,可卡因对坐骨神经的传入神经和传出神经的麻醉顺序是先麻醉传入神经再麻醉传出神经。
(5)为了验证神经—肌肉突触的兴奋传递是单向的,将蛙的脑和脊髓损毁,然后制作坐骨神经—腓肠肌标本,如图所示,结合图示设计实验方案并预测实验结果。
【答案】 (5)在刺激点A给予刺激,观察腓肠肌收缩情况,结果为腓肠肌收缩;在刺激点B给予刺激,观察电表指针偏转情况,结果为电表指针不发生偏转。
【解析】 (5)分析题意,本实验目的是验证神经—肌肉突触的兴奋传递是单向的,图示电表连接在坐骨神经上,可分别刺激点A和B,分别通过观察腓肠肌收缩情况和电表偏转情况进行探究。
