逍遥学能 2014-03-05 08:48
神经细胞的电位变化日益成为各套高考试题集中考查的热点。原因是电位变化能够综合考查考生对“兴奋在神经纤维上的传导”及其相关知识掌握的透彻和灵活程度。而另外可以综合的考查物理学的电位变化，数学模型的概括统一。所以，现将近年高考试题中的相关问题做一梳理和比较，希望能够对此类问题清晰思路，深入理解。
一、有关电位变化机理的背景知识
1.静息电位 由于神经细胞膜内外各种电解质离子浓度不同，膜外钠离子浓度高，膜内钾离子浓度高，而神经细胞膜对不同离子的通透性各不相同。神经细胞膜在静息时对钾离子的通透性大，对钠离子的通透性小，膜内的钾离子扩散到膜外，而膜内的负离子却不能扩散出去，膜外的钠离子也不能扩散进来。所以，膜内为负，膜外为正（极化状态）。
2.动作电位 在神经纤维膜上有两种离子通道，一种是钠离子通道，一种是钾离子通道。当神经某处受到刺激时会使钠通道开放，于是膜外的钠离子在短期内大量涌入膜内，该处极化状态被破坏，变成了内正外负（反极化）。但在很短的时期内钠通道又重新关闭，钾通道随之开放，钾离子又很快涌出膜外，使得膜电位又恢复到原来外正内负的状态。右图即为整个过程的电位变化曲线。接着，在短时间内，神经纤维膜又恢复到原来的外正内负状态──极化状态。
去极化、反极化和复极化的过程，也就是动作电位──负电位的形成和恢复的过程，全部过程只需数毫秒的时间。
3.测定电位的方法 科学家发现了一种枪乌贼大神经，具有的粗大的神经纤维。又发现了一种玻璃管微电极，很细到尖端直径＜1μm（只有0．5μm），管内充以KCl溶液，插入神经纤维膜内，另一个电极放在膜外为参考电极，两电极连接到电位仪测定极间电位差。发现未受刺激时的外正内负为静息电位，此状态时神经纤维膜内的电位低于膜外的电位。也就是说，膜属于极化状态（有极性的状态）。受刺激后形成的外负内正为动作电位。不管是静息电位还是动作电位均为跨膜电势差。
二、几种高考典型试题的分类解读
题型一：神经细胞膜内外电位变化──
【典型题例１】：（2003年上海卷）将离体神经置于不同钠离子浓度的生理盐水中，给予一定刺激后，下图中能正确反映膜电位变化与钠离子浓度关系的是（ ）
【试题解读】：生理盐水中的离体神经，给予一定刺激后，可以出现膜电位变化，出现动作电位。钠离子浓度越高，内流量就越大，形成的动作电位电位峰值就越大，则膜电位变化就越大。可见，神经细胞膜外的膜电位变化和钠离子浓度成正相关。D曲线正确。
【典型题例２】：（2010年课标卷）将神经细胞置于相当于细胞外液的溶液(溶液S)中，可测得静息电位。给予细胞一个适宜的刺激，膜两侧出现一个暂时性的电位变化，这种膜电位变化称为动作电位。适当降低溶液S中的Na+浓度，测量该细胞的静息电位和动作电位，可观察到（ ）
A．静息电位值减小 B．静息电位值增大
C．动作电位峰值升高 D．动作电位峰值降低
【试题解读】：静息电位的形成是因为神经细胞内的钾离子外流，动作电位的形成是因为神经细胞外的钠离子的内流导致。降低了外液中的Na+浓度，必然使得Na+内流减少，则动作电位的峰值就降低。
【解题启示】：从两道试题可以概括：神经细胞的动作电位变化是在稳定的生理盐水溶液中进行的膜电位变化。外界钠离子浓度不同，所产生的膜电位差也不同，动作电位的峰值就不同，两者呈现正相关增长。
题型二、电流表指针偏转推理──
【典型题例3】：(2007广东卷/多选)神经细胞在静息时具有静息电位，受到适宜刺激时可迅速产生能传导的动作电位，这两种电位可通过仪器测量。A、B、C、D均为测量神经纤维静息电位示意图，正确的是（ ）
【试题解读】静息电位是指细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧的电位差。不管是静息电位还是动作电位均为跨膜电势差。所以，B、D选项不是静息电位测量方法。而A左侧的内膜为负，右侧膜外为正，电表指针向左偏转；C选项右侧的内膜为负，左侧膜外为正，电表指针向右偏转。正确选AC。
【典型题例4】：（2010年浙江卷）下图①-⑤依次表示蛙坐骨神经受到刺激后的电位变化过程。下列分析正确的是（ ）
A．图①表示甲乙两个电极处的膜外电位的大小与极性不同
B．图②表示甲电极处的膜处于去极化过程，乙电极处的膜处于极化状态
C．图④表示甲电极处的膜处于复极化过程，乙电极处的膜处于反极化状态
D．图⑤表示甲电乙两个电极处的膜均处于极化状态
【试题解读】：要注意审题不细致导致错误（有资料解析偏误），这五个指针变化图是神经受到刺激后的电位变化的连续过程电位变化图，即指针由①中间而②右偏，回③中间，再④向左，最后回到⑤中间。图①指针不偏转，说明甲和乙都为极化状态且电位大小相同，A错；图②指针右偏，说明电流方向为甲→乙，受刺激部位为乙侧，甲为极化状态，乙为反极化状态，处于去极化过程，B错；③中指针偏回中间，说明兴奋传到了中点，甲和乙都为极化状态；图④指针左偏，兴奋传到甲处，甲膜外为负，电流方向为乙→甲，处于反极化状态，乙膜外为正，处于极化状态，C错；⑤指针偏回中间，说明甲乙都回到极化状态，所以答案为D。
【典型题例５】右图表示神经元联系的一种形式，与此相关的表述正确的是 ( )
A．刺激a处，会导致b处连续兴奋或抑制，c处也发生电位变化
B．刺激b处，不会引起a和c处发生电位变化
C．刺激c处，a和b处都会产生兴奋
D．刺激a处，b、c同时产生兴奋或抑制
【试题解读】兴奋在神经元之间的传递是单向的，只能由一个神经元的轴突末端传递到下一个神经元的细胞体或树突。当刺激a处时，兴奋方向a→b外、还有ａ→c环形路径，因ｃ处兴奋，形成兴奋传导的环形回路而反复循环，ｂ处相继又连续兴奋或抑制，Ａ选项正确；因为兴奋绕一圈传递至c处时，还要经过一个突触，兴奋通过突触时有一个时间距离，b处产生电位变化在先，c处在后。刺激b处，c处会发生兴奋或抑制，而无法逆突触的反向传导到a处，ａ没有电位变化。刺激c处，同样a没有反应，b处有反应。
【解题启示】：要注重刺激神经纤维后的电位连续性变化过程；要梳理清楚几个关系：极化状态、去极化过程、反极化状态、复极化过程的关系如；注意神经纤维静息电位测量方法与结果判断；注意神经纤维上的传导方向和突触间的单向传导。
题型三、膜电位变化的坐标曲线──
【典型题例６】：（2009年安徽卷）离体神经纤维某一部位受到适当刺激时，受刺激部位细胞膜两侧会出现暂时性的电位变化，产生神经冲动。图示该部位受刺激前后，膜两侧电位差的变化。图中a线段表示 电位；b点膜两侧的电位差为 ，此时Na+ （内、外）流。
【试题解读】静息电位时，因为膜内是负电位，受刺激后，电位出现反极化过程，所以曲线向上走向，直至到达ｙ轴正值；到达峰值后，下降到ｙ轴负值，最后复极化，恢复到原初的静息电位的极化状态。b点交于ｘ轴，说明膜两侧的电位差为0mV。此时，仍然在去极化过程中，Na+仍然内流。
【典型题例７】：（2009年山东卷）右图表示枪乌贼离体神经纤维在Na+浓度不同的两种海水中受刺激后的膜电位变化情况。下列描述错误的是（ ）
A．曲线a代表正常海水中膜电位的变化
B．两种海水中神经纤维的静息电位相同
C．低Na+海水中神经纤维静息时，膜内Na+浓度高于膜外
D．正常海水中神经纤维受刺激时，膜外Na+浓度高于膜内
【试题解读】曲线a完全符合动作电位曲线图，代表正常海水中膜电位的变化，Ａ正确。ａｂ两条曲线的起点与终点的膜电位值相同，则说明两种海水中神经纤维的静息电位相同，Ｂ正确。低Na+海水中神经纤维静息时，仍然钾离子通道打开，向外流，而Na+主要位于膜外，比膜内浓度高，Ｃ正确。正常海水中神经纤维受刺激时，膜外Na+通道打开，大量内流，导致膜内浓度高于膜外，答案为D。
【典型题例8】（2009年上海卷）神经电位的测量装置如右上图所示，其中箭头表示施加适宜刺激，阴影表示兴奋区域。用记录仪记录A、B两电极之间的电位差，结果如右侧曲线图。若将记录仪的A、B两电极均置于膜外，其它实验条件不变，则测量结果是（ ）
【试题解读】右上图施加刺激时，电流传到A，A为正电位，B为正电位。若将记录仪两电极均置于膜外，施加刺激，A为负电位，B为正电位，电位差为负，曲线向负轴延伸；然后恢复到A、B两处都是正电位，电位差为0；电流到B时，A为正电位，B为负电位，电位差为正，然后又恢复为原0电位差。答案为C。
【解题启示】：注意神经细胞外的钠离子的浓度和电位变化之间的关系。注意电流表的两个电极的连接位置，放于膜内外而导致的电流方向和曲线方向不同；还要注重刺激后电位变化的方向性。
三、同类电位变化题型的变式拓展
【变式拓展１】神经递质的主要作用机制，是通过与细胞膜上的受体结合，直接或间接调节细胞膜上离通道的开启或关闭，造成离子通透性的改变，进而改变细胞膜电位。假如某一神经递质会使细胞膜上的氯离子通道开启，使氯离子进入细胞内，由此会（ ）
A．使细胞膜膜内电位变正 B．使钠离子通道开放
C．使膜电位差维持不变 D．抑制细胞兴奋
【变式拓展２】下图是反射弧的局部结构示意图，刺激c点，检测各位点电位变化。下列说法错误的是（ ）
A．若检测到b、d点有电位变化，说明兴奋在同一神经元上是双向传导的
B．兴奋由c传导到e时，发生电信号一化学信号_电信号的转换
C．a处检测不到电位变化，是由于突触前膜释放的是抑制性递质
D．电表①不偏转，电表②偏转两次
【变式拓展3】（2010年海南卷）将记录仪（R）的两个电极置于某一条结构和功能完好的神经表面，如下图，给该神经一个适宜的刺激使其产生兴奋，可在R上记录到电位的变化。能正确反映从刺激开始到兴奋完成这段过程中电位变化的曲线是（ ）
【变式拓展4】（2011年浙江卷）在离体实验条件下单条神经纤维的电位示意图如右，下列叙述正确的是（ ）
A．a-b段的Na+ 内流是需要消耗能量的
B．b-c段的Na+外流是不需要消耗能量的
C．c-d段的K+ 外流是不需要消耗能量的
D．d-e段的K+ 内流是需要消耗能量的
【变式拓展答案】1.D 2.C 3.D 4.C
参考文献：
[1] 吴相钰．《普通生物学》 北京：高等教育出版社，2005．7 第二版 146-149
[2] 陈阅增．《普通生物学》 北京：高等教育出版社，1997．7 第一版 228-230
[3] 吴相钰 刘恩山．《生物学·稳态与环境》 杭州：浙江科学技术出版社 2004．6第一版 19-24
[4] 朱正威 赵占良．《生物·稳态与环境》 北京：人民教育出版社 2007．1 第二版 17-18