中科院生物医学工程陈靖容期末考试总结

第一章

1.生物医学工程（Biomedical Engineering，简称BME）是结合物理、化学、数学和计算机与工程学原理，从事生物学、医学、行为学或卫生学的研究；提出基本概念，产生从分子水平到器官水平的知识，开发创新的生物学制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息学方法，用与疾病预防、诊断和治疗，病人康复，改善卫生状况等目的新兴的边缘学科，它综合工程学、生物学和医学的理论和方法，在各层次上研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去控制这类变化，其目的是解决医学中的有关问题，保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。

2.生物医学工程学的研究以应用基础性研究为主，其领域十分广泛，并在不断扩展。现阶段它所涉及的研究领域主要有生物力学、生物材料、人工器官、生物系统的建模与控制、物理因子的生物效应、生物系统的质量与能量传递、生物医学信号的检测与传感器原理、生物医学信号处理方法、医学成像和图象处理方法、治疗与康复的工程方法等而微创伤手术、老年医学、家庭健康监护和远程医疗等正在成长为新的研究领域。

第二章

1. 为什么神经细胞的动作电位为时约1毫秒？

答：细胞膜上有多种离子通道。而动作电位的产生，则与钠和钾离子通道有关。这些离子通道的开关状态与膜电位有关，即是所谓的电压门控通道。

例如钠离子通道，在静息时它是关闭并且是可激活的。当去极化到一特定值时就会引起其构象的改变，成为打开状态。但是离子通道却不会持续停留在开放状态，它会在几毫秒内关闭。这是通过膜上一蛋白质的失活域的活动实现的，这个失活域会像塞子一样堵住离子通道。离子通道这种状态被称为关闭并失活的。过渡状态关闭但可激活的只有在完全复极化后才可能出现，而开放可激活的状态是在简单模型中不可能实现的。（文献中也写道，一个关闭并失活的通道在复极过程中首先短时间内还是开放状态，然后才改变构象直接成为关闭但可激活的。再次激活只能发生在完全复极之后，在去极化的细胞膜中不可能存在着过渡状态开放并失活的）。

当然，并不是所有的通道在电位到达一定值之时全部打开。更可能的是，通道的处于某种状态的概率是与电压相关的。而当阈电位出现时，大部分的通道便会开放，上述的模型便能很好的描述这种状态。

而状态之间过渡所需的时间也是因通道而异的。钠通道从关到开发生在1毫秒之内，而钾通道则要10毫秒。当细胞受到刺激时，膜上的钠离子通道和钾离子通道都会打开，但由于钠离子通道的开启比钾离子通道更迅速，所以在受到刺激后的短时间内（以毫秒计），细胞内外的离子运动表现为钠离子大量进入细胞。钠离子也是带正电的。它会迅速倒转钾离子外流造成的外正内负状态——动作电位的标志——外负内正，来了。

（除了电压外，还有其他开关通道的机制。对动作电位来说，有两种值得一提。一种是与内向整流性钾通道Kir有关，这种通道是不可调控的。但却有一些带正电的小分子如精素，能够在去极化到一定程度时堵塞通道孔。另一种机制与钾通道有关，当细胞间的钙离子与它结合后会开放。）

2. 神经细胞的沟通手段——动作电位

动作电位的图像非常神奇，它竟然和人的情绪波动有着惊人的相似之处——起伏不定，喜怒无常。人的思维其实就是神经细胞们经过彼此对话达成的共

识。神经细胞之间的对话靠的是神经冲动，可能是兴奋也可能是抑制——就像阴

阳或是电脑的0

、1一样，只有两个符号。神经冲动是一股生物电，流经之处会引起神经细胞的电位变化,即产生动作电位。

现在就聊聊动作电位，这是它的一张全身照。

横轴表示的是时间，单位是毫秒（ms，1s=1000ms）。纵轴表示的是电位，单位是毫

伏（mV）。神经细胞不忙活的时候称为静息电位，如图中1号线所示。为什么静息电位是-70mV，而不是0呢？因为那才是神经细胞的习惯。以0为标准是我们人类的习惯（也就是大多数神经细胞的共识），可这个习惯未必适合其他事物。以人为本是人与人相处的规矩，和谐共进才是大自然的法则。

神经细胞为了迎接下一个信息（兴奋或者抑制）的到来，时刻准备着把电位调低，信息一来就迅疾地发生极性转换以产生局部电流，把这个信息迅速的向下传递。日子久了，神经细胞就只剩这两个状态了：静息电位（工作前的状态），动作电位（工作中的状态）。图中的1号线和6号线是静息电位，2、3、4、5号线共同组成动作电位。

多看动作电位的照片几眼，你就会发现它并不是对称的一个波峰。2、3号线的上升速率并不一样，2号线似乎是为快速上升做准备；3、4号线的零上部分比较尖锐，被称为锋电位；4号线好像下降的过猛了，导致5号线都超过了静息电位的水平；所幸，6号线时终于又平静了……

其实这些曲线随着时间的上升、下降，代表的是神经细胞内外电位差的变动。电位差的变动是由神经细胞内外的带电成分的变动造成的，起主要作用的是钠离子和钾离子（有料才有功能，印证了“巧妇难为无米之炊”的正确性）。

钠离子主要分布在细胞外，钾离子主要分布在细胞内。神经细胞的膜上存在着专门供钠离子和钾离子分别通行的钠离子通道和钾离子通道。静息状态下，钾离子通道打开，钾离子外流。细胞内因带正电的钾离子减少而显负性，而细胞外因钾离子的增多而显正性。当电位差积累到-70mV时，电位梯度与浓度梯度持平，钾离子在细胞内外的分布达到动态平衡。静息电位表现为外正内负。

当细胞受到刺激时，膜上的钠离子通道和钾离子通道都会打开，但由于钠离子通道的开启比钾离子通道更迅速，所以在受到刺激后的短时间内（以毫秒计），细胞内外的离子运动表现为钠离子大量进入细胞。钠离子也是带正电的。它会迅速倒转钾离子外流造成的外正内负状态——动作电位的标志——外负内正，来了。

钠离子通道的打开，存在一个阈值。在电位差达到-50mV前，钠离子通道打开的相对慢些，一旦过了-50mV这个界限，钠离子进入细胞就真是一泻千里般了。照片里2号线和3号线就是因为这个原因存在一个拐点。

也许你也注意到了：钠离子和钾离子虽然都是有进有出，但我们更关注的是钠离子的内流和钾离子的外流。钠离子内流造成了细胞膜内外电性的改变，成全了动作电位的巅峰。钾离子的外流是静息电位的主要成因，时刻为动作电位的产生保持着一个电位差。

就在钠离子通道全面开放的时候，钾离子通道开启的数量也在悄悄的增加。钠离子内流带来的效果正在逐渐被逆转。而这逆转的趋势更因为钠-钾泵活动的增强而变得更加激进。

钠-钾泵，其实是一种ATP酶，消耗一分子ATP，泵入细胞2个钾离子，泵出细胞3个钠离子。在它的作用下，静息电位逐渐被重新构建。5号线超过了静息电位的正常水平，可能是由于钾离子通道和钠-钾泵的生理惯性，虽然超过了正常水平，但由于静息电位时钾离子的电位梯度和浓度梯度的平衡状态是一定的，所以5号线最终会在钠-钾泵的微调下变为6号线。

除钠离子、钾离子外，其他离子如钙离子、氯离子也与静息电位和动作电位有关。静息电位的维持除钾离子的外流外，钠离子、氯离子的内流也起了一定的作用。发生动作电位时，除了钠离子、钾离子外流外，至少还有钙离子内流。钙离子内流虽然不多，但它对神经末梢和肌纤维的激活是必不可少的。

3.跨膜运输比较