Homework 3 / Κατ Οίκον Εργασία

Transcript

1 Homework 3 / Κατ Οίκον Εργασία Name/Όνομα: Ο Πιο Καλός Ο Μαθητής Date/Ημερ.: 19/11/2018 You may need some (or none) of the following equations/constants Μπορεί να χρειαστείτε κάποιες (ή καμία) από τις πιο κάτω εξισώσεις/σταθερές C P A Q MW X RT Co RT Co 61.54mV Co E ln log log (at T=37 zf C zf C z C o C) i i i [ ] o [ ] C A i RT z E [ ] i [ ] C A o F z g E g E g E RT P C P A E ln ( 1) F P C P A E m k k Na Na Cl Cl g g g K Na Cl k k Na Na Cl Cl m m m m gk gna gcl dt m Im gk Ek gnaena gclecl Cm dt K Na Cl g E g E g E dv E I R C R r r m i V g g g 0 x V e dv z P [ C ] z P [ A ] A i ln ( z 1) z P [ C ] z P [ A ] 2 2 C o 2 2 C i A I C dv G n V E G m h V E G n V E dt m m m K m K Na m Na L m L R: Σταθερά αερίων (gas constant) = (Volts Coulomb)/(Kelvin mol) F: Σταθερά Faraday = (Coulomb)/(mol) z: Σθένος (Valence) T: Απόλυτη Θερμοκρασία (absolute temperature) = o C (Kelvin) Extra Points/Έξτρα Βαθμοί Undergraduate students can get up to 5 additional points by successfully answering an equivalent number of Case Study questions. Graduate students can get up to 5 additional points by points by successfully answering an equivalent number of multiple choice questions Οι προπτυχιακοί φοιτητές μπορούν να κερδίσουν μέχρι και 5 επιπρόσθετες μονάδες με επιτυχή συμπλήρωση ανάλογου αριθμού ερωτήσεων από τη Μελέτη Περίπτωσης. Οι μεταπτυχιακοί φοιτητές μπορούν να κερδίσουν μέχρι και 5 επιπρόσθετες μονάδες με επιτυχή συμπλήρωση ανάλογου αριθμού ερωτήσεων πολλαπλής επιλογής. o

2 Multiple Choice Questions (15x2pts = 30 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής (15x2μ. = 30 μ.) 1. Which of the following is the primary function of the three bones in the middle ear? Ποιο από τα ακόλουθα είναι η κύρια λειτουργία των τριών οστών στο μέσο αυτί; A. Amplification of sound pressure waves to increase auditory sensitivity Ενίσχυση των κυμάτων πίεσης του ήχου για αύξηση της ακουστικής ευαισθησίας B. Dampening sound pressure waves to prevent damage to the ear Μείωση των κυμάτων πίεσης του ήχου για την αποφυγή βλάβης στο αυτί C. Selective transmission of high-frequency sounds Επιλεκτική μετάδοση ήχων ψηλής συχνότητας D. Selective transmission of low-frequency sounds Επιλεκτική μετάδοση ήχων χαμηλής συχνότητας 2. Which of the following are TRUE about mechanotransduction in hair cells? Ποιο από τα ακόλουθα είναι ΣΩΣΤΟ σχετικά με τη μηχανική μετατροπή στα τριχωτά κύτταρα; A. The deflection of the hair bundle in any direction leads to a depolarizing receptor potential Η εκτροπή της δέσμης τριχίων σε οποιαδήποτε κατεύθυνση οδηγεί σε εκπόλωση του υποδοχέα B. When mechanotransduction channels open in hair cells there is a passive inward K+ current. Όταν οι δίαυλοι μηχανικής μετατροπής ανοίγουν στα τριχωτά κύτταρα δημιουργείται ένα παθητικό ρεύμα Κ + προς τα μέσα. C. Hair cell mechanotransduction channels are relatively fast, opening and closing in tens of milliseconds Οι δίαυλοι μηχανικής μετατροπής των τριχωτών κυττάρων είναι σχετικά γρήγοροι, ανοίγουν και κλείνουν σε δεκάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου D. Hair cells are fragile, but like olfactory neurons can regenerate in days if killed by trauma or aminoglycoside antibiotics. Τα τριχωτά κύτταρα είναι εύθραυστα, αλλά όπως και οι οσφρητικοί νευρώνες μπορούν να αναγεννηθούν σε μερικές ημέρες αν καταστραφούν από τραύμα ή αντιβιοτικά αμινογλυκοσίδης. 3. The location of the displacement of the basilar membrane determines the sound and the amount of displacement the membrane determines sound. Η θέση της μετατόπισης της βασικής μεμβράνης καθορίζει την του ήχου και το μέγεθος της μετατόπισης της μεμβράνης καθορίζει την/το του ήχου. A. intensity, frequency /ένταση, συχνότητα B. intensity, amplitude / ένταση, πλάτος C. frequency, amplitude / συχνότητα, πλάτος D. frequency, intensity /συχνότητα, ένταση 4. A lesion in the left auditory primary auditory cortex would result in which of the following sound localization deficit Μία βλάβη στοn αριστερό πρωτογενή ακουστικό φλοιό θα οδηγήσει σε ποιό από τα παρακάτω ελλείμματα στον εντοπισμό του ήχου A. Localization of sounds < 4 khz in the horizontal direction Εντοπισμός των ήχων < 4 khz στην οριζόντια κατεύθυνση B. Localization of sounds > 4 khz in the horizontal direction Εντοπισμός των ήχων > 4 khz στην οριζόντια κατεύθυνση C. No localization deficit Δεν θα υπάρχει έλλειμμα εντοπισμού D. Localization of sounds in the vertical direction Εντοπισμός των ήχων στην κατακόρυφη διεύθυνση 2

3 5. In the case of vertigo due to otolith detachment, the patient feels that the world is spinning Στην περίπτωση του ιλίγγου λόγω απόσπασης ωτολίθων, ο ασθενής αισθάνεται ότι ο κόσμος γυρίζει A. Often, especially when there are temperature changes Συχνά, ιδιαίτερα όταν υπάρχουν αλλαγές της θερμοκρασίας B. At random times and without warning Τυχαία και χωρίς προειδοποίηση C. While standing still for a long time Όταν στέκεται ακίνητος για πολλή ώρα D. When moving, especially in a circular motion Όταν κινείται, ιδιαίτερα σε κυκλική κίνηση 6. Squirting cold water in the ear of a reclined person will elicit eye movements Ψέκασμα με κρύο νερό στο αυτί ενός ξαπλωμένου ατόμου θα προκαλέσει κίνηση των ματιών A. because fluid volume contracts and flows γιατί ο όγκος των υγρών συστέλλεται και υπάρχει ροή B. by causing a drowning sensation. λόγω πρόκλησης μιας αίσθησης πνιγμού C. by activating thermoreceptors in the semicircular canals. λόγω ενεργοποίησης θερμο-υποδοχέων στους ημικυκλικούς σωλήνες D. only if the person is comatose. μόνο αν το άτομο βρίσκεται σε κώμα 7. A 25-year-old man who was trimming branches from tall trees in front of his house and fell off his ladder. On examination, he was alert and answered questions normally. However, you found the following signs: Ένας 25χρονος άνδρας που έκοβε κλαδιά από ψηλά δέντρα μπροστά από το σπίτι του και έπεσε από τη σκάλα. Κατά την εξέταση, ήταν σε εγρήγορση και απαντούσε κανονικά στις ερωτήσεις. Εντούτοις, παρουσίαζε τα ακόλουθα σημεία: i. Tactile and vibratory sensation was absent over the entire left lower body and lower limb. He could not tell the orientation of his left leg when you moved it into different positions. Η αίσθηση της αφής και της δόνησης απουσίαζαν απ όλο το αριστερό κατώτερο σώμα και το κάτω άκρο. Δεν μπορούσε να πει τον προσανατολισμό του αριστερού ποδιού του όταν το μετακινούσαν σε διαφορετικές θέσεις. ii. Tactile sensation was normal on the entire right side of his body. He correctly indicated the position of his right leg when it was moved. Η αίσθηση της αφής ήταν φυσιολογική σε ολόκληρη τη δεξιά πλευρά του σώματός του. Δήλωνε σωστά τη θέση του δεξιού ποδιού του όταν μετακινήθηκε. iii. Pin prick sensation was absent on the right side of the lower body and leg from the level of the umbilicus down. Η αίσθηση του τσιμπήματος με καρφίτσα ήταν απούσα στη δεξιά πλευρά του κάτω σώματος και στο πόδι. iv. Pin prick sensation was normal on the entire left side of the body. Η αίσθηση του τσιμπήματος με καρφίτσα ήταν φυσιολογική στην αριστερή πλευρά του σώματος Where was his spinal cord damaged? Που είχε καταστραφεί ο νωτιαίος μυελός του; A. Left at the level C3 / Αριστερά στο επίπεδο A3 B. Right at the level C3 / Δεξιά στο επίπεδο Α3 C. Left at the level T8 / Αριστερά το επίπεδο Θ8 D. Right at the level T8 / Δεξιά στο επίπεδο Θ8 3

4 8. The spinal cord of a 23 year old woman is damaged on the left side at the T5 level after a skiing accident. Symptoms resulting from this injury would most likely be Ο νωτιαίος μυελός μιας 23χρονης γυναίκας έχει υποστεί βλάβη στην αριστερή πλευρά στο επίπεδο Τ5 μετά από ένα ατύχημα στο σκι. Τα συμπτώματα που προκύπτουν από αυτή τη ζημία πιθανότατα θα είναι A. Loss of touch sensation on the left below the level of T5 Απώλεια της αίσθησης της αφής στα αριστερά κάτω από το επίπεδο του Τ5 B. Loss of touch sensation on the right from the level of T5 and below Απώλεια της αίσθησης της αφής στα δεξιά από το επίπεδο του Τ5 και κάτω C. Loss of pain and temperature sensation on the left below the level of T5 Απώλεια του πόνου και της αίσθησης θερμοκρασίας στα αριστερά κάτω από το επίπεδο του Τ5 D. Loss of pain and temperature sensation on the right below the level of T5 Απώλεια του πόνου και της αίσθησης θερμοκρασίας στα δεξιά κάτω από το επίπεδο του Τ5 9. A tactile sensation loss localized to the lower right leg and accompanied by pain and temperature deficits, at the same site, without any other symptoms would most likely be caused by Μια απώλεια αφής στο κάτω δεξί πόδι η οποία συνοδεύεται από απώλειες πόνου και θερμοκρασίας, στην ίδια περιοχή, χωρίς άλλα συμπτώματα κατά πάσα πιθανότητα προκλήθηκε από A. right peripheral nerve damage. βλάβη στο δεξί περιφερικό νεύρο. B. injury to the right side of the lower spinal cord. τραυματισμό στη δεξιά πλευρά του κατώτερου νωτιαίου μυελού. C. injury to the left side of the lower spinal cord. τραυματισμό στη αριστερή πλευρά του κατώτερου νωτιαίου μυελού. D. bilateral spinal cord injury at lower spinal levels. Τραυματισμό και στις δύο πλευρές του κατώτερου νωτιαίου μυελού. 10. Referred pain Αντανακλαστικός πόνος A. Is the name given to symptoms of a patient who has been referred from a general practice physician to a pain management specialist. Είναι το όνομα που δίνεται σε συμπτώματα ενός ασθενούς ο οποίος έχει παραπεμφθεί από τον γενικό παθολόγο σε έναν ειδικό διαχείριση του πόνου. B. Results when cutaneous sensory neurons send aberrant axonal branches to visceral organs. Παρουσιάζεται όταν δερματικοί αισθητήριοι νευρώνες στέλνουν μη φυσιολογικές διακλαδώσεις σε σπλαχνικά όργανα. C. Results when visceral neurons send aberrant axonal branches to the skin. Παρουσιάζεται όταν σπλαχνικοί νευρώνες στέλνουν μη φυσιολογικές διακλαδώσεις στο δέρμα. D. Is a combination of visceral and cutaneous pain information conveyed by parallel and adjacent pathways. Είναι ένας συνδυασμός της πληροφορία του πόνου από δερματικούς και σπλαχνικούς νευρώνες που μεταφέρεται από παράλληλες και παρακείμενες οδούς. 4

5 11. Rigor mortis is caused by: Νεκρική ακαμψία προκαλείται λόγω: A. too much starch in the laundry πάρα πολλής κόλλας στο σιδέρωμα B. acetylcholine released from dying motor neurons onto motor endplates ακετυλοχολίνης, που απελευθερώνεται από τους νεκρούς κινητικούς νευρώνες, στις κινητικές συνάψεις C. calcium released from packets inside of muscle cells ασβεστίου που απελευθερώνεται από χώρους μέσα στα μυϊκά κύτταρα D. natural stiffening of muscle cell membranes after death φυσική σκλήρυνση των κυτταρικών μεμβρανών των μυών μετά από το θάνατο E. stiffening of skeletal joints, having nothing to do with the muscles themselves σκλήρυνση των σκελετικών αρθρώσεων, έχοντας τίποτα να κάνει με τους ίδιους τους μύες 12. The main function of muscle spindles is to: Η κυριότερη λειτουργία των μυϊκών ατράκτων είναι να A. Provide contraction of the muscle Συστέλλουν τον μυ B. Act as structural support for the muscles Παρέχουν μηχανική υποστήριξη στου μύες C. Act as stretch receptors Λειτουργούν ως αισθητήρες τάνυσης D. Provide the specialized membrane that holds nicotinic receptors Παρέχουν εξειδικευμένη μεμβράνη η οποία κρατά νικοτινικούς υποδοχείς 13. The condition called tetanus refers to Η κατάσταση που αποκαλούμε μυϊκό τέτανο αναφέρεται σε A. a muscle firing pattern resulting from one s willing a muscle to contract at maximum velocity. ένα μοτίβο από δυναμικά ενεργείας το οποίο παράγεται σαν αποτέλεσμα της βούλησης κάποιου να συσπάσει ένα μυ με τη μέγιστη δυνατή ταχύτητα. B. a motor unit firing pattern that is rarely observed under normal physiological conditions. ένα μοτίβο από δυναμικά ενεργείας μιας κινητικής μονάδας, το οποίο σπάνια το βλέπουμε σε φυσιολογικές καταστάσεις. C. lockjaw symptoms resulting from exposure to the tetanus toxin. κλείδωμα της σιαγόνας από σύσπαση των μυών λόγω έκθεσης στην τοξίνη του τετάνου D. the response of single muscle fibers to a single action potential input. E. απόκριση μιας μυϊκής ίνας σε ένα μόνο δυναμικό ενεργείας. 5

6 14. Which of the following statements about directional tuning and population coding by primary motor cortical (PMC) neurons is correct? Ποια από τις παρακάτω δηλώσεις σχετικά με την επιλεκτικότητα κατεύθυνσης και την πληθυσμιακή κωδικοποίηση από τους νευρώνες του πρωτοταγούς κινητικού φλοιού (PMC) είναι σωστές; A. The precision of directional motor movements equals the precision of directional tuning of individual PMC cells. Η ακρίβεια στην κατεύθυνση των κινήσεων ισούται με την ακρίβεια της επιλεκτικότητας της κατεύθυνσης των μεμονωμένων κυττάρων του PMC. B. Most PMC neurons have two or three distinct, preferred directions separated by intervening ranges of non-preferred directions. Οι περισσότεροι νευρώνες του PMC έχουν δύο ή τρεις ξεχωριστές, προτιμώμενες κατευθύνσεις που διαχωρίζονται από τα παρεμβαλλόμενα εύρη μη προτιμώμενων διευθύνσεων. C. The vector summation of population responses of PMC neurons is important for directional control of motor movements. Το άθροισμα των διανυσμάτων των πληθυσμιακών αποκρίσεων των νευρώνων του PMC είναι σημαντικό για τον έλεγχο της κατεύθυνσης των κινήσεων. D. Every possible direction of motion is made possible by specific populations of PMC neurons that are tuned specifically to each of the possible directions. Κάθε πιθανή κατεύθυνση της κίνησης καθίσταται δυνατή από συγκεκριμένους πληθυσμούς νευρώνων του PMC που συντονίζονται ειδικά σε κάθε μία από τις πιθανές κατευθύνσεις. 15. Cerebellar ataxia is characterized by Η παρεγκεφαλιδική αταξία χαρακτηρίζεται από A. difficulty with initiating movements. δυσκολία στην εκκίνηση κινήσεων. B. an inability to perform goal-directed movements. αδυναμία εκτέλεσης κινήσεων που κατευθύνονται σε στόχο C. an inability to perform complex sequences of movements. αδυναμία εκτέλεσης πολύπλοκων ακολουθιών κινήσεων. D. jerky, imprecise movements. σπασμωδικές, ανακριβείς κινήσεις. 6

7 Short Answer Questions (70 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (70 μ.) 1. Each inner hair cell in the cochlea synapses with many neurons. What are the benefits of such arrangement? Explain. (Hint: Think low intensity sounds and encoding of their phase.) Κάθε έσω τριχωτό κύτταρο στον κοχλία δημιουργεί συνάψεις με πολλούς νευρώνες. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα μιας τέτοιας διαρρύθμισης; Εξηγείστε. (Βοήθεια: Σκεφτείτε χαμηλής έντασης ήχους και την κωδικοποίηση της φάσης τους.) (5) The advantage of this arrangement is the ability to encode phase (for sounds <4 khz) even for low intensity sounds. The amplitude of sound is encoded in the frequency of the action potentials (APs). For low intensity sounds this frequency is very low and although the APs are produced in phase with the sound cycle there are not enough to be able to recognize the phase of the signal. If many neurons produce APs at different cycles of the sound signal, their sum would result in one AP per cycle and therefore the phase information would be available (for localization in delay lines). Το πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι η δυνατότητα να κωδικοποιήσει τη φάση (για ήχους <4 khz), ακόμη και για χαμηλή ένταση. Η ένταση του ήχου κωδικοποιείται στη συχνότητα των δυναμικών ενεργείας (ΔΕ). Για χαμηλή ένταση αυτή η συχνότητα είναι πολύ μικρή και παρόλο που τα ΔΕ παράγονται σε φάση με τον κύκλο του ήχου δεν υπάρχουν αρκετά για να αναγνωρίζεται η φάση του σήματος. Αν πολλοί νευρώνες παράγουν ΔΕ σε διαφορετικούς κύκλους του ηχητικού σήματος, το άθροισμα τους οδηγεί σε ένα ΔΕ ανά κύκλο και επομένως η πληροφορία της φάσης θα είναι διαθέσιμη (για τον εντοπισμό της κατεύθυνσης στις γραμμές καθυστέρησης). 7

8 2. Recurrent Autitis Media (middle ear infection) can cause hearing loss. Επαναλαμβανόμενες λοιμώξεις του μέσου ωτός μπορεί να προκαλέσουν απώλεια ακοής. a. What might be the cause of this hearing loss? Τι θα μπορούσε να είναι η αιτία αυτής της απώλειας ακοής; (2) b. Is this hearing loss complete? Does it affect some frequencies more than others? Είναι αυτή η απώλεια ακοής πλήρης; Επηρεάζει κάποιες συχνότητες περισσότερο από άλλες; (3) c. How is this hearing loss different than the hearing loss due to aging? Πώς είναι αυτή η απώλεια ακοής διαφορετική από την απώλεια ακοής λόγω της γήρανσης; (3) d. Hearing aids increase the intensity of the sound reaching the inner ear. How effective are hearing aids in the above cases of hearing loss (due to recurrent infections and aging). Τα ακουστικά βαρηκοΐας αυξάνουν την ένταση του ήχου που φτάνει στο εσωτερικό του αυτιού. Πόσο αποτελεσματικά είναι αυτά τα βοηθήματα στις παραπάνω περιπτώσεις απώλειας ακοής (λόγω επαναλαμβανόμενων λοιμώξεων και λόγω γήρανσης) της ακοής. (2) a. This hearing loss is probably due to damage to the middle ear oscicles because of the recurrent infections. The infections might cause damage and scarring to the middle ear which reduces the conduction and amplification of sound to the oval window. Αυτή η απώλεια ακοής είναι πιθανόν να οφείλεται σε βλάβη των οσταρίων του μέσου ωτός, λόγω των επαναλαμβανόμενων λοιμώξεων. Οι μολύνσεις μπορεί να προκαλέσουν βλάβες και ουλές στο μέσο αυτί οι οποίες μειώνουν την αγωγιμότητα και ενίσχυση του ήχου στο ελλειψοειδές παράθυρο. b. This loss is probably not complete since sound can be conducted to the inner ear even through bone. It probably affects all frequencies of the sound. Αυτή η απώλεια είναι πιθανόν να μην είναι πλήρης καθώς ο ήχος μπορεί να μεταδοθεί στο εσωτερικό αυτί, ακόμα και μέσω των οστών. Επηρεάζει πιθανώς όλες τις συχνότητες του ήχου. c. Hearing loss due to aging is a result of the destruction of the hair cells and usually affects the higher frequencies more than the lower frequencies. Η απώλεια της ακοής που οφείλεται στη γήρανση είναι αποτέλεσμα της καταστροφής των τριχωτών κυττάρων και συνήθως επηρεάζει τις υψηλότερες συχνότητες περισσότερο από τις χαμηλές. d. Hearing aids can be effective in both cases when the hearing loss is not complete. However, when all the hair cells are destroyed, in the case of age-related hearing loss, amplification of sound does not help since they are no hair cells left for transduction. Τα ακουστικά βαρηκοΐας μπορεί να είναι αποτελεσματικά και στις δύο περιπτώσεις, όταν η απώλεια της ακοής δεν είναι πλήρης. Ωστόσο, όταν όλα τα τριχωτά κύτταρα καταστρέφονται, στην περίπτωση της απώλεια ακοής λόγω γήρανσης, η ενίσχυση του ήχου δεν βοηθά επειδή δεν υπάρχουν τριχωτά κύτταρα για μετατροπή. 8

9 3. Regarding the vestibular system Όσον αφορά στο αιθουσαίο σύστημα a. Explain how the semicircular canals are specialized to assess rotational acceleration of the head, while the otolith organs are specialized to detect linear acceleration and static position of the head relative to the gravitational axis. Εξηγήστε τον τρόπο με τον οποίο οι ημικυκλικοί σωλήνες εξειδικεύονται στην εκτίμηση της περιστροφικής επιτάχυνσης της κεφαλής, ενώ τα όργανα των ωτολίθων εξειδικεύονται στην εκτίμηση της γραμμικής επιτάχυνσης και της στατικής θέσης της κεφαλής σε σχέση με τον άξονα βαρύτητας. (5) b. What is the vestibulo-ocular reflex (VOR) and what is its purpose? If you lost your VOR, what symptoms would you experience? Τι είναι το αιθουσο-οφθαλμικό αντανακλαστικό (VOR) και ποιος ο σκοπός του; Εάν χάσατε το VOR σας, ποια συμπτώματα θα παρουσιάσετε; (5) a. The semicircular canals are circular tubes filled with fluid that moves, due to inertia, only when the tubes are accelerated rotationally around their axis. Only then, the hair cells move and depolarize. Hence, they respond to rotational acceleration. On the other hand, the otolith organs contain hair cells embedded in a gelatinous material that moves (left-right, forward-backward, updown), due to inertia, in response to either linear acceleration (i.e. linear motion) or due to gravity (i.e. head tilt). Οι ημικυκλικοί σωλήνες είναι κυκλικοί σωλήνες γεμάτοι με υγρό που κινείται, λόγω αδράνειας, μόνο όταν οι σωλήνες επιταχύνονται περιστροφικά γύρω από τον άξονά τους. Μόνο τότε, τα τριχωτά κύτταρα κινούνται και εκπολώνονται. Ως εκ τούτου, ανταποκρίνονται στην περιστροφική επιτάχυνση. Από την άλλη πλευρά, τα όργανα των οτολίθων περιέχουν τριχωτά κύτταρα ενσωματωμένα σε ένα ζελατινώδες υλικό το οποίο κινείται (αριστερά-δεξιά, εμπρόςπίσω, πάνω-κάτω), λόγω αδράνειας, λόγω γραμμικής επιτάχυνσης (δηλαδή γραμμικής κίνησης) ή λόγω βαρύτητα (δηλαδή κλίσης της κεφαλής). b. The vestibulo-ocular reflex (VOR) is a reflex, where activation of the vestibular system causes eye movement. This reflex functions to stabilize images on the retinas during head movement by producing eye movements in the direction opposite to head movement, thus preserving the image on the center of the visual field. Symptoms of VOR malfunction include, among others, vertigo, nausea, imbalance. Το VOR είναι ένα αντανακλαστικό, όπου η ενεργοποίηση του αιθουσαίου συστήματος προκαλεί κίνηση των ματιών. Αυτό το αντανακλαστικό λειτουργεί για να σταθεροποιήσει τις εικόνες στους αμφιβληστροειδείς κατά τη διάρκεια της κίνησης του κεφαλιού, παράγοντας κινήσεις των ματιών προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κίνηση του κεφαλιού, διατηρώντας έτσι την εικόνα στο κέντρο του οπτικού πεδίου. Τα συμπτώματα της δυσλειτουργίας του VOR περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, ίλιγγο, ναυτία, ανισορροπία. 9

10 4. Consider two sensory neurons with receptive fields indicated by the large triangles in the figure. When forces are exerted at points A, B, or C, the second order neurons (numbered 1 and 2) fire as shown in the graphs to the right. Explain how this might happen and show that on the figure. Εξετάστε τους δύο αισθητήριους νευρώνες με υποδεκτικά πεδία όπως υποδεικνύονται από τα μεγάλα τρίγωνα στο σχήμα. Όταν δυνάμεις που ασκούνται στα σημεία Α, Β, ή Γ, οι νευρώνες στη δεύτερη σειρά (αριθμημένοι 1 και 2) πυροδοτούν δυναμικά ενεργείας όπως φαίνεται στο σχεδιάγραμμα στα δεξιά. Εξηγήστε πώς αυτό μπορεί να συμβεί και δείξτε το ότι στο σχήμα. (10) 1 2 Force at A APs at 1 Force at C Force at B A C B APs at 2 t 1 2 A C B It is obvious from the above that the right neuron cannot fire at the same time as the left neuron even if there is a stimulus. Therefore, there must be an inhibitory synapse from the left to the right neuron, either directly (most likely) or through an interneuron (there would be some delay.) Είναι προφανές από τα παραπάνω ότι ο δεξιός νευρώνας δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί ταυτόχρονα με τον αριστερό νευρώνα ακόμη και αν υπάρχει ερέθισμα. Ως εκ τούτου, πρέπει να υπάρχει μια ανασταλτική σύναψη από τον αριστερό προς τον δεξιό νευρώνα, είτε άμεσα (πιθανότατα) ή μέσω ενός ενδιάμεσου νευρώνα (θα υπάρχει κάποια καθυστέρηση.) 10

11 5. Answer the following questions based on what you know about the pain pathways of the human body Απαντήστε στις ακόλουθες ερωτήσεις με βάση το τι ξέρετε για τις διαδρομές του πόνου του ανθρώπινου σώματος a. Pain receptors are multimodal. What kinds of damage can they detect? (3 types) Υποδοχείς του πόνου είναι πολυτροπικοί. Τι είδους ζημιές μπορούν να ανιχνεύσου; (3 τύποι) (3) b. We have two different types of pain responses. What is the purpose of each? Έχουμε δύο διαφορετικούς τύπους αποκρίσεων πόνου. Ποιος είναι ο σκοπός του καθενός; (2) c. What are the characteristics of the neuronal axons that transmit each pain response? How are those characteristics justified based on your answer of the previous question? Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των νευρωνικών αξόνων που μεταδίδουν την κάθε απόκριση του πόνου; Πώς αυτά τα χαρακτηριστικά δικαιολογούνται με βάση την απάντησή σας στην προηγούμενη ερώτηση; (3) d. What is the mechanism that the brain uses to control pain? (Mention the neurotransmitters and where they act) Ποιος είναι ο μηχανισμός που χρησιμοποιεί ο εγκέφαλος για τον έλεγχο του πόνου; (Αναφέρεται τους νευροδιαβιβαστές και την περιοχή δράσης τους. (2) a. Pain receptors can detect mechanical, thermal, chemical or polymodal damage. Οι υποδοχείς πόνου μπορούν να ανιχνεύσουν μηχανικές, θερμικές, χημικές ή πολυτροπικές βλάβες. b. We have two types of pain response fast and slow. The purpose of the fast response is to quickly avert us from the painful stimulus and thus minimize the damage caused. The slow pain is more dull and prolonged and its purpose is to protect the damaged area until it heals. Έχουμε δύο τύπους αντίδρασης του πόνου γρήγορες και αργές. Ο σκοπός της ταχείας απόκρισης είναι να μας αποτρέψει γρήγορα από το επώδυνο ερέθισμα και ως εκ τούτου την ελαχιστοποίηση των ζημιών που προκλήθηκαν. Η αργή πόνος είναι πιο θαμπό και παρατεταμένη και σκοπός του είναι να προστατεύσει την κατεστραμμένη περιοχή μέχρι να επουλωθεί. c. The fast pain neurons have large diameters and are wrapped in myelin whereas the slow pain neurons are small and without myelin. These characteristics are consistent with the previous answer fast pain signals must be transmitted fast whereas slow pain signals must be slow and prolonged. Έχουμε δύο τύπους αντίδρασης στον πόνο, γρήγορο και αργό. Ο σκοπός της γρήγορης απόκρισης είναι να μας απομακρύνει γρήγορα από το επώδυνο ερέθισμα και ως εκ τούτου να ελαχιστοποιήσει την βλάβη που προκαλείται. Ο αργός πόνος είναι πιο αμβλύς και παρατεταμένος και ο σκοπός του είναι να προστατεύσει την τραυματισμένη περιοχή μέχρι να επουλωθεί. d. The brain stem contains areas which project axons to pain neuron synapses in the spinal cord. These axons secrete opioids which bind to opioid receptors on the pain neurons and decrease the secretion of substance P (the pain neurotransmitter). Το στέλεχος του εγκεφάλου περιλαμβάνει περιοχές που προεκβάλλουν άξονες στις συνάψεις πόνου στο νωτιαίο μυελό. Αυτοί οι άξονες εκκρίνουν οπιοειδή τα οποία δεσμεύονται σε υποδοχείς οπιοειδών στους νευρώνες του πόνου και μειώνουν την έκκριση της ουσίας Ρ (του νευροδιαβιβαστή του πόνου). 11

12 6. For the muscle fibers to contract and relax normally, both Ca 2+ and ATP are required. Για να συστέλλονται και να χαλαρώνουν κανονικά οι μυϊκές ίνες, απαιτούνται τόσο Ca 2+ όσο και ATP. a. What will happen if Ca 2+ is depleted from the muscle fiber? What will happen if there is an excess of Ca 2+ in the muscle fiber? Explain why (in the presence of ATP). Τι θα συμβεί εάν το Ca 2+ εξαντληθεί από τη μυϊκή ίνα; Τι θα συμβεί αν υπάρχει περίσσεια Ca 2+ στην μυϊκή ίνα; Εξηγείστε γιατί (στη παρουσία ATP). (5) b. What will happen if ATP is depleted from the muscle fiber? What will happen if there is an excess of ATP in the muscle fiber? Explain why (in the presence of Ca 2+ ). Τι θα συμβεί εάν το ΑΤΡ εξαντληθεί από τη μυϊκή ίνα; Τι θα συμβεί εάν υπάρχει περίσσεια ATP στην μυϊκή ίνα; Εξηγείστε γιατί (στην παρουσία Ca 2+ ). (5) a. Ca 2+ Few or no contractions since the binding sides will not open due to lack of calcium Λίγες ή καθόλου συσπάσεις αφού οι περιοχές πρόσδεσης δεν θα ανοίξουν λόγω έλλειψης ασβεστίου Ca 2+ Prolonged contractions since the binding sides will remain open longer since it will take longer for the calcium to be removed from the cytoplasm Παρατεταμένες συσπάσεις, καθώς οι περιοχές πρόσδεσης θα παραμείνουν ανοιχτές περισσότερο, αφού θα χρειαστεί περισσότερος χρόνος για να αφαιρεθεί το ασβέστιο από το κυτταρόπλασμα b. ATP In the presence of Ca 2+, the muscle fibers will remain contracted (like rigor mortis) since without ATP the fiber cannot relax. Οι μυϊκές ίνες θα παραμείνουν σε σύσπαση (όπως η νεκρική ακαμψία) αφού χωρίς ΑΤΡ η ίνα δεν μπορεί να χαλαρώσει. ATP Normal operation. The muscle fibers are going to use as much ATP as needed and the rest will be stored. Κανονική λειτουργία. Οι μυϊκές ίνες θα χρησιμοποιήσουν όσο το ATP χρειάζονται και το υπόλοιπο θα αποθηκευτεί. 12

13 7. How is the tremor of Parkinson s disease different than that caused by cerebellar damage? How can this be explained based on what you know about the function of the brain regions responsible for each? Ποιες είναι οι διαφορές του τρόμου της ασθένειας Parkinson από αυτόν που προκαλείται από ζημιά στην παρεγκεφαλίδα; Πως εξηγούνται οι διαφορές με βάση τα όσα ξέρετε για τη λειτουργία των εγκεφαλικών περιοχών που ευθύνονται για το καθένα; (5) In Parkinson s disease there is a resting tremor, i.e. the hand or jaw shake when they are at rest. This is a result of the inability of the basal ganglia to close the feedback loop and suppress unnecessary motion. In contrast, in the case of cerebellar damage, there is an intention tremor, i.e. the hand may be shaking as it moves towards a target. This phenomenon is a result of the inability of the damaged cerebellum to coordinate and correct the motion. Στη νόσο του Πάρκινσον υπάρχει τρόμος ηρεμίας, δηλαδή το χέρι ή το σαγόνι κουνιούνται όταν είναι σε κατάσταση ηρεμίας. Αυτό είναι ένα αποτέλεσμα της αδυναμίας των βασικών γαγγλίων για να κλείσει το βρόγχο ανάδρασης και να καταστείλουν τις περιττές κινήσεις. Αντίθετα, στην περίπτωση βλάβης της παρεγκεφαλίδας, υπάρχει πρόθετικός τρόμος, δηλαδή το χέρι τρέμει καθώς κινείται προς ένα στόχο. Αυτό το φαινόμενο είναι αποτέλεσμα της αδυναμίας της παρεγκεφαλίδας να συντονίσει και να διορθώσει την κίνηση. 13

14 8. You are recording potentials from the motor neurons of a cat leg muscle. At the same time, you are recording from an interneuron that projects to the motor neurons that you are recording from. You note that the motor neuron is firing at some frequency. While keeping the muscle at an isometric condition (still), you activate the Golgi-tendon organ afferents in that muscle. You notice that the firing rates of the interneuron and the motor neuron change. Κάνετε εγγραφή δυναμικών από τους κινητικούς νευρώνες ενός μυός του ποδιού της γάτας. Την ίδια στιγμή, εγγραφή γίνεται και από ένα διάμεσο νευρώνα που καταλήγει στους κινητικούς νευρώνες της πρώτης εγγραφής. Παρατηρείτε ότι ο κινητικός νευρώνας πυροδοτεί σε κάποια συχνότητα. Ενώ διατηρείτε τον μυ σε ισομετρική κατάσταση (ακίνητο), ενεργοποιείτε τα τενόντια όργανα Golgi σε αυτό το μυ και παρατηρείτε ότι τα ποσοστά πυροδότησης του διάμεσου νευρώνα και του κινητικού νευρώνα αλλάζουν. a. Do you think that the rate of action potentials in the motor neuron should increase or decrease? Explain why. Πιστεύετε ότι ο ρυθμός των δυναμικών ενεργείας στον κινητικό νευρώνα θα αυξηθεί ή θα μειωθεί; Εξηγήστε γιατί. (3) b. Do you think that the rate of action potentials in the interneuron should increase or decrease? Explain why. Πιστεύετε ότι ο ρυθμός των δυναμικών ενεργείας στον διάμεσο νευρώνα θα αυξηθεί ή θα μειωθεί; Εξηγήστε γιατί. (2) The motor neuron is firing at a constant rate thus keeping the muscle contracting and exerting a constant force (since the limb is not moving.) When the output of the Golgi tendon organ is activated (falsely indicating that the muscle has suddenly contracted too much, the interneuron and the motor neuron adjust in the opposite way, i.e. to relax the muscle. Ο κινητικός νευρώνας πυροδοτεί σε ένα σταθερό ρυθμό διατηρώντας έτσι το μυ σε σύσπαση ασκώντας μια σταθερή δύναμη (αφού το σκέλος δεν κινείται). Όταν ενεργοποιείται η έξοδος του τενόντιου οργάνου Golgi (υποδεικνύοντας, λανθασμένα, ότι ο μυς έχει ξαφνικά συσπασθεί πάρα πολύ) ο διάμεσος και ο κινητικός νευρώνας προσαρμόζονται προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή χαλαρώνοντας τον μυ. a. The firing rate of the motor neuron must have decreased in order for the muscle to relax. Ο ρυθμός πυροδότησης του κινητικού νευρώνα πρέπει να έχει μειωθεί προκειμένου να χαλαρώσει ο μυς. b. The firing rate of the may have decreased or increased depending on whether the interneuron is excitatory or inhibitory, respectively. Ο ρυθμός πυροδότησης του μπορεί να έχει μειωθεί ή αυξηθεί ανάλογα με το αν ο διάμεσος νευρώνας είναι διεγερτικός ή ανασταλτικός, αντίστοιχα. 14

15 9. What makes it possible to have a graded contraction of the muscle organ if each muscle fiber (=muscle cell) contracts in an "all or none" manner? Explain the inconsistency. Τι είναι αυτό το οποίο επιτρέπει στο μυ να έχει βαθμιδωτή σύσπαση αν και κάθε μυϊκή ίνα (=μυϊκό κύτταρο) συσπάται με τη μορφή όλα-ή-τίποτα ; Εξηγείστε την αντίφαση. (5) Although each muscle fiber contracts in the form of all or nothing, we can have a graded muscle contraction since a different number of motor units, with different number of muscle fibers, can be activated. Παρά το γεγονός ότι κάθε μυϊκή ίνα συσπάται με τη μορφή όλα ή τίποτα εντούτοις μπορούμε να έχουμε βαθμιδωτή σύσπαση του μυός αφού ενεργοποιείται διαφορετικός αριθμός κινητικών μονάδων με διαφορετικό αριθμό μυϊκών ινών. 15

16 Case Study Harry is feeling very weak (30 pts) Harry is in his mid-40s. He has come to his doctor reporting general weakness, particularly in his lower extremities. When he enters the doctor s office, he is obviously clumsy. During the examination, the doctor notices that his speech is slurred. In taking his medical history, the doctor notes that Harry has had a sixmonth-long problem with extreme fatigue and he has lost significant weight. In fact, his upper body appears to have nearly wasted away. When asked why he came in, Harry tells the doctor that he has had difficulty in combing his hair, writing, climbing stairs, and climbing up and down out of his truck. His arms have become increasingly weak, and he has also experienced increasing trouble getting dressed (zipping and buttoning his jeans is beyond him). As the doctor speaks with Harry, he notices that Harry s tongue is moving strangely; it keeps writhing and twitching. During the physical examination, Harry gags on the tongue depressor (when it is only touching his lips!) and he has difficulty swallowing. While the remainder of his reflexes is normal, Harry shows pronounced muscle weakness and abnormal spasticity mostly in his legs, but also in his arms, though to a lesser degree. Ο Χάρι είναι στα '40 του. Έχει έρθει στο γιατρό του λόγω γενικής αδυναμίας, ιδιαίτερα στα κάτω άκρα του. Όταν εισέρχεται στο γραφείο του γιατρού, είναι προφανώς αδέξιος. Κατά τη διάρκεια της εξέτασης, ο γιατρός παρατηρεί ότι η ομιλία του είναι ανεπαρκής (σαν μεθυσμένου). Κατά τη λήψη του ιατρικού ιστορικού, ο γιατρός σημειώνει ότι ο Χάρι εδώ και ένα εξάμηνο παρουσιάζει σημαντική κόπωση και έχει χάσει αρκετό βάρος. Στην πραγματικότητα, το πάνω μέρος του σώματος του φαίνεται υπερβολικά αδυνατισμένο. Όταν ρωτήθηκε για ποιο λόγο ήρθε, ο Χάρι λέει στο γιατρό ότι δυσκολευόταν να χτενίσει τα μαλλιά του, να γράψει, να ανέβει σκάλες και να αναρριχηθεί πάνω και κάτω από το φορτηγό του. Τα χέρια του γίνονται όλο και πιο αδύναμα και επίσης το βρίσκει όλο και πιο δύσκολο να ντυθεί (το να κλείσει το φερμουάρ και τα κουμπιά του τζιν είναι αδύνατον γι αυτόν πλέον). Ενώ ο γιατρός μιλάει με τον Χάρι, παρατηρεί ότι η γλώσσα του Χάρι κινείται περίεργα. Συστρέφεται και σφίγγει. Κατά τη διάρκεια της φυσικής εξέτασης, ο Χάρι αντανακλαστικά τείνει προς εμετό (αντανακλαστικό εξεμέσεως - gag reflex) και μόνο που το καταθλιπτικό ξυλάκι της γλώσσας αγγίζει τα χείλη του. Επίσης δυσκολεύεται να καταπιεί. Ενώ το υπόλοιπο των αντανακλαστικών του είναι φυσιολογικό, ο Χάρι δείχνει έντονη μυϊκή αδυναμία και ανώμαλη σπαστικότητα - κυρίως στα πόδια του, αλλά και στην αγκαλιά του, αν και σε μικρότερο βαθμό. 1. Draw a simple diagram and explain the control of motion from the primary motor cortex to the muscle cell including the connections that are responsible for a simple reflex (e.g. the patellar reflex or knee-jerk.) Do not include other parts of the brain (e.g. supplementary motor area, basal ganglia, cerebellum, etc) Σχεδιάστε ένα απλό διάγραμμα και εξηγήστε τον έλεγχο της κίνησης από τον πρωτοταγή κινητικό φλοιό στο μυϊκό κύτταρο, συμπεριλαμβανομένων των συνδέσεων που είναι υπεύθυνες για ένα απλό αντανακλαστικό (π.χ. το επιγονατιδικό αντανακλαστικό από το γόνατο). Μη συμπεριλαμβάνετε άλλα μέρη του εγκεφάλου (π.χ. συμπληρωματικός κινητικός φλοιός, βασικά γάγγλια, παρεγκεφαλίδα, κλπ) (10) 2. Given that most of the reflexes are normal, which parts of the above system are most affected? Δεδομένου ότι τα περισσότερα από τα αντανακλαστικά είναι φυσιολογικά, ποια τμήματα του παραπάνω συστήματος έχουν επηρεαστεί περισσότερο; (5) 3. Why are some reflexes (like the gag reflex in this patient) exaggerated and some muscles (like the tongue muscles in this patient) spastic? Think beyond the simple diagram you have drawn above and 16

17 consider what you have learned in class about more complicated reflex circuits, which may include bilateral responses. Γιατί είναι μερικά αντανακλαστικά (όπως το αντανακλαστικό εξεμέσως σε αυτόν τον ασθενή) είναι υπερβολικά και μερικοί μύες (όπως οι μύες της γλώσσας σε αυτόν τον ασθενή) σπαστικοί; Σκεφτείτε πέρα από το απλό διάγραμμα που έχετε σχεδιάσει παραπάνω και σκεφτείτε τι έχετε μάθει στο μάθημα για τα πιο περίπλοκα κυκλώματα αντανακλαστικών, τα οποία μπορεί να περιλαμβάνουν και αμφίπλευρες αποκρίσεις. (5) 4. Upon performing blood tests, the doctor discovers high levels of glutamate in the patient s cerebrospinal fluid. Based on what you know about this neurotransmitter, how could this increase explain the death of motor neurons? Κατά τη διενέργεια εξετάσεων αίματος, ο γιατρός ανακαλύπτει υψηλά επίπεδα γλουταμινικού οξέος στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό του ασθενούς. Με βάση αυτό που γνωρίζετε για αυτόν τον νευροδιαβιβαστή, πώς θα μπορούσε αυτή η αύξηση να εξηγήσει το θάνατο των κινητικών νευρώνων; (5) 5. The median survival time from onset to death ranges from 20 to 48 months. However, physicist Stephen Hawking, who also suffered from this disease, died 76 years old. Hawking's condition was first diagnosed when he was 21, and he was not expected to see his 25th birthday. Obviously he had a less aggressive form of the disease. However, during the last few years, he required constant medical support. What kind of support do you believe was necessary to sustain his life? Ο μέσος χρόνος επιβίωσης, γι αυτή την ασθένεια, από την εμφάνιση έως το θάνατο κυμαίνεται από 20 έως 48 μήνες. Ωστόσο, ο φυσικός Stephen Hawking, ο οποίος έπασχε επίσης από αυτή την ασθένεια, πέθανε σε ηλικία 76 ετών. Η κατάσταση του Hawking διαγνώστηκε για πρώτη φορά όταν ήταν 21 ετών και δεν αναμενόταν να δει τα 25α γενέθλιά του. Προφανώς έχει μια λιγότερο επιθετική μορφή της ασθένειας. Κατά τα τελευταία του χρόνια, όμως, χρειαζόταν συνεχή ιατρική υποστήριξη. Τι είδους στήριξη πιστεύετε ότι ήταν απαραίτητη να τον διατηρήσει εν ζωή; (5) 17

18 1. The following diagram depicts the basic control of motion and the patellar reflex Το παρακάτω διάγραμμα απεικονίζει τον βασικό έλεγχο της κίνησης και του επιγονατιδικού αντανακλαστικού Lower The upper motor neurons send signals to the lower motor neurons, which in turn activate the muscle fibers and cause contractions. The patellar reflex is caused by extension of the muscle, which is sensed by muscle spindle neuron, which in turn activates the lower motor neuron and causes muscle contraction. Οι άνω κινητικοί νευρώνες στέλνουν σήματα στους κάτω κινητικούς νευρώνες, οι οποίοι με τη σειρά τους ενεργοποιούν τις μυϊκές ίνες και προκαλούν σύσπαση. Το επιγονατιδικό αντανακλαστικό προκαλείται από την επέκταση του μυός, που ανιχνεύεται από την μυϊκή άτρακτο, η οποία με τη σειρά της ενεργοποιεί τον κάτω κινητικό νευρώνα και προκαλεί σύσπαση του μυός. 2. The most affected part is most likely the upper motor neurons. Το πιο επηρεασμένο μέρος είναι πιθανότατα οι άνω κινητικοί νευρώνες. 3. In reality, there are several interneurons interconnecting upper and lower motor neurons in order to coordinate complex reflexes. Some of these interneurons (due to lack of input from upper motor neurons) may be over stimulating the muscles causing them to become spastic. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν αρκετοί διάμεσοι νευρώνες που διασυνδέουν τους άνω και κάτω κινητικούς νευρώνες προκειμένου να συντονίσουν πολύπλοκα αντανακλαστικά. Μερικοί από αυτούς τους διάμεσους νευρώνες (εξαιτίας της έλλειψης εισόδων από τους άνω κινητικούς νευρώνες) μπορεί να διεγείρουν υπερβολικά τους μύες προκαλώντας τη σπαστικότητα. 18

19 4. The excess glutamate may be causing prolonged excitation, which is deleterious to the neurons. Το αυξημένο γλουταμικό οξύ μπορεί να προκαλέσει παρατεταμένη διέγερση, η οποία είναι επιβλαβής για τους νευρώνες. 5. Given the severely restricted motor activity, these patients require mechanical ventilation, intravenous feeding, assisted transportation and, of course, psychological support. Δεδομένης της σημαντικά περιορισμένης κινητικής δραστηριότητας, αυτοί οι ασθενείς χρειάζονται μηχανικό αερισμό, ενδοφλέβια σίτιση, υποβοηθούμενη μεταφορά και, φυσικά, ψυχολογική στήριξη. 19