I C dv G n V E G m h V E G n V E

Transcript

1 Midterm Exam / Ενδιάμεση Εξέταση 2014 Name/Όνομα: Date/Ημερ.: 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) E E m i i i P [ C ] o [ ] C P A A i [ ] i [ ] C A o RT ln F P C P A g E g E g E k k Na Na Cl Cl g g g K Na Cl g E g E g E dv E I R C R k k Na Na Cl Cl m m m m gk gna gcl dt m Im gk Ek gnaena gclecl Cm dt r r m i V 0 g g g K Na Cl x V e I C dv G n V E G m h V E G n V E dt dv 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)

2 Laplace Transform Pairs

3 Laplace Transform Properties

4 Multiple Choice Questions (14 x 2 = 28 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής (14 x 2 = 28 μ.) 1. The blood reaches the lungs from Στους πνεύμονες το αίμα φτάνει από A) The right ventricle Την δεξιά κοιλία B) The left atrium Τον αριστερό κόλπο C) The left ventricle Την αριστερή κοιλία D) The right atrium Τον δεξιό κόλπο 2. Based on the following diagram and knowing that the anomaly in the electrocardiogram is stronger in leads V1, V2, and avf, we can conclude that the region of the infarction is (with respect to the patient Με βάση το πιο κάτω σχήμα και γνωρίζοντας ότι η ανωμαλία στο ηλεκτροκαρδιογράφημα είναι πιο έντονη στις απαγωγές V1, V2 και avf τότε μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η περιοχή του εμφράγματος βρίσκεται (σε σχέση με τον ασθενή) I avr avl Δεξί Χέρι II V 1 V 6 avf III Αριστερό Χέρι Δεξί Πόδι Αριστερό Πόδι A) Upper left Πάνω αριστερά B) Lower right Κάτω δεξιά C) Lower left Κάτω αριστερά D) Upper right Πάνω δεξιά 3. What is the meaning of an ion's equilibrium potential? Choose the correct option. Τι σημαίνει δυναμικό ισορροπίας ενός ιόντος; Επιλέξετε το σωστό A) Electrical potential difference that exactly balances an ionic concentration gradient Διαφορά δυναμικού η οποία εξισορροπεί ακριβών την διαφορά συγκέντρωσης του ιόντος B) Difference between the real membrane potential and equilibrium potential for a particular ion Η διαφορά μεταξύ του πραγματικού δυναμικού μεμβράνης και του δυναμικού ισορροπίας ενός ιόντος

5 C) Difference in concentration between region with high ionic concentration and region with low ionic concentration Διαφορά συγκέντρωσης μεταξύ μια περιοχής με ψηλή συγκέντρωση ιόντων και μιας με χαμηλή συγκέντρωση D) Net movement of ions from a region of high concentration to a region of low concentration Μέση μετακίνηση ιόντων από μια περιοχή με ψηλή συγκέντρωση σε περιοχή με χαμηλή συγκέντρωση 4. Why do action potentials travel in only one direction? Γιατί τα δυναμικά ενεργείας ταξιδεύουν μόνο προς μια κατεύθυνση; A) The membrane just behind the action potential is refractory due to inactivated sodium channels. Η μεμβράνη ακριβώς πίσω από το δυναμικό ενεργείας βρίσκεται σε κατάσταση ανερεθιστότητας λόγω της απενεργοποίησης των διαύλων νατρίου B) The membrane proteins are destroyed when an action potential fires and it takes time to replace them. Οι πρωτεΐνες της μεμβράνης καταστρέφονται από το δυναμικό ενεργείας και χρειάζεται κάποιος χρόνος για να αντικατασταθούν. C) There is not enough sodium in the extracellular space after an action potential has just fired. Δεν υπάρχει αρκετό νάτριο στο εξωκυτταρικό υγρό μετά από τη διέλευση ενός δυναμικού ενεργείας D) The membrane just behind the action potential is refractory due to inactivated potassium channels. Η μεμβράνη ακριβώς πίσω από το δυναμικό ενεργείας βρίσκεται σε κατάσταση ανερεθιστότητας λόγω της απενεργοποίησης των διαύλων καλλίου 5. During an epileptic crisis the waves in the electroencephalogram are Κατά την διάρκεια επιληπτικών κρίσεων τα κύματα στο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα είναι A) Sharp and small Αιχμηρά και μικρά B) Smooth and small Ομαλά και μικρά C) Sharp and large Αιχμηρά και μεγάλα D) Smooth and large Ομαλά και μεγάλα 6. The vestibular system is NOT able to detect Το αιθουσαίο σύστημα ΔΕΝ είναι σε θέση να ανιχνεύσει A) Translational acceleration in any direction. Γραμμική επιτάχυνση σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. B) Rotational acceleration in any direction. Περιστροφική επιτάχυνση σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. C) Orientation of the head with respect to gravity. Προσανατολισμό της κεφαλής σε σχέση με τη βαρύτητα. D) Absolute value of speed of a constantly moving body Απόλυτη τιμή της ταχύτητας ενός συνεχώς κινούμενου σώματος 7. During excitation-contraction coupling all of the following happen EXCEPT Κατά τη σύζευξη διέγερσης-σύσπασης συμβαίνουν όλα τα πιο κάτω ΕΚΤΟΣ

6 A) The action potential travels down the transverse tubules. Το δυναμικό ενεργείας ταξιδεύει μέσα στα εγκάρσια σωληνάρια B) Ca2+ is taken up by the sarcoplasmic reticulum. Το Ca2+ επναπροσλαμβάνεται μέσα στο σρκοπλασμικό δίκτυο. C) Tropomyosin moves Η τροπομυοσίνη μετακινείται D) Cross-bridges form between actin and myosin Δημιουργούνται προσδέσεις μεταξύ ακτίνης και μυοσίνης 8. Which of the following abnormalities could give rise to sensorineural deafness? Ποια από τις πιο κάτω ανωμαλίες θα μπορούσε να καταλήξει σε νευροαισθητήρια απώλεια ακοής A) Damage to the occipital lobes of the cortex. Τραύμα στους ινιακούς λοβούς του φλοιού B) Restriction of ossicular movement because of adhesions between the bones. Μείωση της κίνησης των οσταρίων λόγω προσφύσεων μεταξύ των οστών. C) Rupture of the tympanic membrane. Διάτρηση της τυμπανικής μεμβράνης. D) Disease or injury in the organ of Corti. Ασθένεια ή τραύμα στο όργανο του Corti 9. The primary motor cortex Ο πρωτοταγής κινητικός φλοιός A) Is located in the parietal lobes. Βρίσκεται στο βρεγματικό λοβό. B) In the left cerebral hemisphere controls the skeletal muscles on the right side of the body. C) Στο αριστερό ημισφαίριον ελέγχοι τους σκελετικούς μύες στη δεξιά πλευρά του σώματος D) Is the only region of the brain involved with motor control. Είναι η μόνη περιοχή του εγκεφάλου που ασχολείται με τον έλεγχο της κίνησης E) Develops motor programs for specific voluntary movements. Δημιουργεί κινητικά προγράμματα για συγκεκριμένες εθελούσιες κινήσεις 10. Which of the following statements concerning negative feedback is INCORRECT? Ποιο από τα πιο κάτω που αφορούν την αρνητική ανάδραση είναι ΛΑΝΘΑΣΜΕΝΟ; A) Negative feedback exists when a change in a regulated variable triggers a response that opposes the change. Αρνητική ανάδραση υπάρχει όταν μια αλλαγή σε μια ελεγχόμενη παράμετρο προκαλεί μια απόκριση που αντιτίθεται στην αλλαγή. B) Negative feedback exists when the input to a system increases the output and the output limits its own production by inhibiting the input. Αρνητική ανάδραση υπάρχει όταν η είσοδος στο σύστημα αυξάνει την έξοδο και η έξοδος περιορίζει τη δική της αύξηση με αναστολή της εισόδου. C) With negative feedback, a control system's input and output continue to enhance each other. Με αρνητική ανάδραση, η είσοδος και η έξοδος ενός συστήματος ελέγχου συνεχίζουν να ενισχύουν το ένα το άλλο D) Most of the body's homeostatic control mechanisms operate on the principle of negative feedback.

7 Οι περισσότερη ομοιοστατικοί μηχανισμοί του σώματος λειτουργούν με βάση την αρχή της αρνητικής ανάδρασης. 11. Which of the following factors would produce the greatest change in blood flow? Ποιος από τους πιο κάτω παράγοντες θα προκαλούσε τη μεγαλύτερη αλλαγή στη ροή του αίματος; A) Doubling the difference in the pressure gradient within the vessel. Διπλασιασμός της διαφοράς πίεσης μέσα στο αγγείο. B) Doubling the viscosity of the blood. Διπλασιασμός του ιξώδους του αίματος. C) Doubling the length of the vessel. Διπλασιασμός του μήκους του αγγείου. D) Doubling the radius of the vessel. Διπλασιασμός της ακτίνας του αγγείου. 12. Cochlear implants with a single electrode can transmit information Τα κοχλιακά εμφυτεύματα με ένα μόνο ηλεκτρόδιο μπορούν να μεταδώσουν πληροφορία A) Regarding the presence and frequency of sound Που αφορά στη παρουσία και συχνότητα του ήχου B) Regarding the presence and intensity of sound Που αφορά στη παρουσία και ένταση του ήχου C) In a uniform manner Με ένα ομοιόμορφο τρόπο D) That is completely useless Που είναι εντελώς άχρηστη. 13. Evoked potentials are used for brain-computer interfaces (BCIs) for all the following reasons EXCEPT Τα προκλητά δυναμικά χρησιμοποιούνται για διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιτή (ΔΕΥ) για όλους τους πιο κάτω λόγους ΕΚΤΟΣ A) They appear at a constant time after the stimulus Παρουσιάζονται σε σταθερό χρόνο μετά από ένα ερέθισμα B) They can be averaged Μπορούν να προστεθούν κατά μέσο όρο C) They are similar between patients Είναι παρόμοια μεταξύ ασθενών D) They are strong signals with very little noise Είναι ισχυρά σήματα με πολύ λίγο θόρυβο 14. The output of the following circuit will be Η έξοδος του πιο κάτω κυκλώματος θα είναι

8 A) The difference between the two inputs without the low frequencies of V 1 Η διαφορά των δύο εισόδων χωρίς τις χαμηλές συχνότητες του V 1 B) The difference between the two inputs without the high frequencies of V 1 Η διαφορά των δύο εισόδων χωρίς τις ψηλές συχνότητες του V 1 C) The sum of the two inputs without the low frequencies of V 1 Το άθροισμα των δύο εισόδων χωρίς τις χαμηλές συχνότητες του V 1 D) The sum of the two inputs without the high frequencies of V 1 Το άθροισμα των δύο εισόδων χωρίς τις ψηλές συχνότητες του V 1

9 Short Answer Questions (72 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (72 μ.) There are 7 questions below. You can choose and answer any 6. If you provide an answer for all 7, the 6 questions with the highest score will be counted. Πιο κάτω υπάρχουν 7 ερωτήσεις. Μπορείτε να διαλέξετε και να απαντήσετε οποιεσδήποτε 6. Αν απαντήσετε και τις 7 ερωτήσεις, τότε θα μετρήσουν οι 6 με τον ψηλότερο βαθμό. 1. Blood glucose concentration is usually around 100 mg/dl. When blood glucose increases above that concentration, receptors sense that change and signal the control center which in turn signals the pancreas to increase insulin secretions. When insulin reaches the cells, they begin absorbing glucose lowering its concentration in blood. Η συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα είναι συνήθως γύρω στα 100 mg/dl. Με την αύξηση της γλυκόζης στο αίμα πάνω από αυτή τη συγκέντρωση, αισθητήρες γλυκόζης ανιχνεύουν αυτή την αλλαγή και αποστέλλουν ένα σήμα στο κέντρο ελέγχου, το οποίο με τη σειρά του προκαλεί αύξηση της έκκρισης ινσουλίνης από το πάγκρεας. Όταν η ινσουλίνη φθάσει στα κύτταρα, αυτά αρχίζουν να απορροφούν γλυκόζη, μειώνοντας την συγκέντρωση της στο αίμα. a. Where do you think is the control center for blood glucose concentration? Πού νομίζετε ότι είναι το κέντρο ελέγχου για τη συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα; b. Draw a block diagram that describes the above situation. Σχεδιάστε ένα δομικό διάγραμμα που περιγράφει την παραπάνω κατάσταση. c. Even the sight of food increases the secretion of insulin by the pancreas. Add that to the above block diagram. Ακόμη και η θέαση τροφής αυξάνει την έκκριση της ινσουλίνης από το πάγκρεας. Προσθέστε και αυτό στο παραπάνω δομικό διάγραμμα. d. If someone keeps looking at food (and therefore signaling the pancreas to secrete insulin), will their blood glucose drop below tolerable levels? Explain why? Αν κάποιος συνεχίζει να βλέπει τροφή (και ως εκ τούτου να προκαλεί έκκριση ινσουλίνης από το πάγκρεας), θα πέσει η γλυκόζη στο αίμα του κάτω από τα ανεκτά επίπεδα; Εξηγήστε γιατί; a. The control center for blood glucose (as well as other homeostatic centers) is in the hypothalamus b. The following is a block diagram corresponding to this situation Sight of Food Υποθάλαμος Blood Glucose Set Point - Σ + + Pancreas (secretes insulin) Insulin Cells (absorb glucose) Blood Glucose BG Receptors

10 c. See above d. The blood glucose levels will not drop too much because of the presence of the feedback loop which will compensate for the sight of food trying to increase insulin by reducing its secretion (due to low blood glucose levels). 2. Below is a simple feedback system. Ποιο κάτω είναι ένα απλό σύστημα ανάδρασης. a. Write Y(s) as a function of X(s) Γράψετε το Y(s) σαν συνάρτηση του X(s). b. Find y(t) for a x(t) = u (t), i.e. a unit step function, and H(s) = g/(s+a) and G(s)=k (where G, a, and k are constants). Βρείτε το y(t) για x(t) = u (t), δηλ. μια μοναδιαία βηματική συνάρτηση, και H(s) = g/(s+a) και G(s)=k (όπου g, a, και k είναι σταθερές). a. b. Y( s) E( s) H( s) X ( s) R( s) H( s) X ( s) H( s) Y( s) G( s) H( s) Hs () (4) Y( s) X ( s) 1 G ( s ) H ( s ) g 1 g Y() s s a s g 1 k s( s a kg) (8) s a g ( akg ) t y( t) 1e a kg 3. You are investigating a new bacterium that was discovered in the swamps that house the political party offices of the Republic of Pattichia. The temperature in the swamps is 33 o C. The concentrations of ions in the swamp and in the bacterium, as well as the relative permeabilities, and conductances are shown below. The bacterial membrane capacitance is 0.8 μf/cm 2. Διερευνάτε ένα καινούργιο βακτήριο το οποίο ανακαλύφθηκε στα βαλτόνερα που περιβάλλουν τα γραφεία των πολιτικών κομμάτων στη Δημοκρατία της Παττιχίας. Η θερμοκρασία στα βαλτόνερα είναι 33 o C. Οι συγκεντρώσεις των ιόντων στα βαλτόνερα και στο βακτήριο, όπως και οι σχετικές περατότητες και οι αγωγιμότητες φαίνονται πιο κάτω. Η χωρητικότητα της μεμβράνης του βακτηρίου είναι 0.8 μf/cm 2. Ion Ιόν Concentr. In Συγκ. Μέσα (mm) Concentr. Out Συγκ. Έξω (mm) Relative Permeability Σχετική Περατότητα Conductance Αγωγιμότητα (ms/cm 2 ) K Na

11 a. What is the membrane potential of the bacterium under normal conditions? Ποιο είναι το δυναμικό της μεμβράνης του βακτηρίου υπό κανονικές συνθήκες; b. What will be the bacterial membrane potential 2 msec after you change the outside concentration of K+ to 150 mm? (Assume a Hodgkin-Huxley model for the membrane). Ποιο είναι το δυναμικό της μεμβράνης 2 msec μετά από αλλαγή της εξωτερικής συγκέντρωσης Κ+ σε 150 mm; (Θεωρήστε ότι ισχύει το μοντέλο Hodgkin-Huxley για την μεμβράνη.) a. The membrane potential is E m1 RT P [ C ] o P [ A ] C A i 8.31(273 33) 10*15 1*150 ln ln 42.68mV F P [ C ] P [ A ] *150 1*15 C i (3) b. First we need the membrane potential for the case of K+ out =150mM E m1 A o RT P [ C ] o P [ A ] C A i 8.31(273 33) 10*150 1*150 ln ln 2.24mV F P [ C ] P [ A ] *150 1*15 (3) Then find the equation for t>0 C i A o V () t A Be t / C 0.8 t 0.727ms g g 1m 0.1m K Na V ( t ) A 2.24mV V ( t 0) A B 42.68mV B 44.92mV 2/ V (2 ms) e mv 0.62mV (2+2+2) 4. The following questions concern the cardiovascular system Οι πιο κάτω ερωτήσεις αφορούν το καρδιαγγειακό σύστημα a. The atrioventricular node imparts a delay in the transmission of the depolarization signal from the atrial to the ventricles. Why is there this delay and why is it important? Ο κολποκοιλιακός κόμβος προσδίδει μία καθυστέρηση στη μετάδοση του σήματος εκπόλωσης από τους κόλπους στις κοιλίες. Γιατί υπάρχει αυτή η καθυστέρηση και γιατί είναι σημαντική; b. The systolic pressure is a result of the force pushing on the blood during cardiac systole. Where does the diastolic pressure come from since the heart is now exerting any force during that time (diastole)? Η συστολική πίεση είναι αποτέλεσμα της δύναμης που ωθεί το αίμα κατά τη διάρκεια της καρδιακής συστολής. Από πού προέρχεται η διαστολική πίεση δεδομένου ότι η καρδιά δεν ασκεί πλέον κάποια δύναμη κατά τη διάρκεια αυτού του χρόνου (της διαστολής); c. Blood contains three major types of cells. Which are they and what is their function. Το αίμα περιέχει τρεις βασικούς τύπους κυττάρων. Ποιοι είναι αυτοί και ποια είναι η λειτουργία τους.

12 a. This delay is important to fully allow the atria to contract and fill the ventricles completely before ventricular contraction begins. (3) b. The diastolic pressure comes from the recoiling (going back to their original size) of the arteries which were dilated during systole. (3) c. The major cell types of blood are (3x2) Red blood cells carry oxygen White blood cells immune protection Platelets Thrombus formation 5. In the example of the typing system shown in class, the electroencephalogram (EEG) P300 evoked potential is used in a brain-computer interface (BCI) to identify the row and column corresponding to the letter which the user intends to write. Στο παράδειγμα του συστήματος πληκτρολόγησης που είδαμε στο μάθημα, τα προκλητά δυναμικά P300 του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ) χρησιμοποιούνται σε διεπαφής υπολογιστή-εγκεφάλου (ΔΥΕ) για να αναγνωρίσουν τη γραμμή και τη στήλη που αντιστοιχεί στο γράμμα που ο χρήστης θέλει να γράψει. a. What is the stimulus that evokes the P300 potential? Ποιο είναι το ερέθισμα που προκαλεί το δυναμικό P300; b. Why does it take about 30 sec to type a letter? Γιατί χρειάζονται 30 sec για να πληκτρολογηθεί ένα γράμμα; c. What 3 disadvantages of EEG with regards to its use for BCIs? Ποια είναι 3 μειονεκτήματα του ΗΕΓ όσον αφορά στην χρήση του για ΔΥΕ; a. The P300 potential is evoked by a visual (light) stimulus. (3) b. Several evoked potentials must be averaged in order to get good SNR, hence it takes a long time to get each letter (3) c. The disadvantages of the EEG (for use in BCI systems are: (any 3 of the list below) (3x2) 1. The SNR is low (weak signal) 2. There is significant variability between patients therefore always requiring extensive training. 3. The signal is almost random (unless evoked potentials are used) 4. If evoked potentials are used the system is slower since it requires averaging 5. EEG is prone to artifacts and interference 6. Theoretically, a subretinal prosthesis could be completely implantable without the need for a power supply and processing unit. Θεωρητικά, ένα υπαμφιβληστροειδικό προσθετικό θα μπορούσε να ήταν πλήρων εμφυτεύσιμο χωρίς να χρειάζεται τροφοδοσία και μονάδα επεξεργασίας. a. How would the processing be performed in such a subretinal prosthesis? Where would the prosthesis get its power from? Πως θα γινόταν η επεξεργασία σε ένα τέτοιο υπαμφιβληστροειδικό προσθετικό; Από πού θα έπαιρνε το προσθετικό την απαραίτητη ενέργεια; b. In reality, these implants have an external power supply. Why is that necessary? Στην πραγματικότητα, αυτά τα εμφυτεύματα έχουν εξωτερική πηγή τροφοδοσίας. Γιατί χρειάζεται αυτή; c. What is another reason that might lead to failure of such devices? Ποιος είναι ακόμα ένας λόγος που μπορεί να οδηγήσει σε αποτυχία αυτά τα προσθετικά;

13 a. Processing is performed by the retinal cells (bipolar, amacrine, and ganglion cells). Power comes from the photodiode itself. (2+2) b. The current from the photodiode is low and varying (due to varying light conditions) and cannot be relied upon for the needs of the prosthesis. (4) c. The retinal cells that perform the processing may be destroyed. (Or) The blood supply to the retinal cells may be interrupted. (4) 7. The following questions concern the musculoskeletal system: Οι πιο κάτω ερωτήσει αφορούν το μυοσκελετικό σύστημα a. How is the body able to control the muscle force exerting from very weak forces to very strong forces using the same muscle groups? Πως μπορεί το σώμα μας να ελέγχει τη δύναμη που ασκούν οι μύες από πολύ αδύνατες δυνάμεις μέχρι και πολύ δυνατές από τις ίδιες μυϊκές ομάδες; b. For an average force, how are the motor units of a muscle recruited? What advantage does this scheme have? Για μια μέση δύναμη, πως επιστρατεύονται οι κινητικές μονάδες ενός μυός; Ποιο προτέρημα έχει αυτή η μέθοδος; c. In each of the following cases, explain which part of the brain is involved and why Για την κάθε μια από τις πιο κάτω περιπτώσεις, εξηγείστε πιο μέρος του εγκεφάλου εμπλέκεται και γιατί i. A patient is sitting still and suddenly his arm moves up and down. Ένας ασθενής ενώ κάθεται ακίνητος το χέρι του κινείται πάνω κάτω. ii. A patient tries to walk but his gait is uncoordinated with large choreiform (like dancing) movements. Ένας ασθενής προσπαθεί να περπατήσει αλλά το βάδισμα του είναι ασυντόνιστο με μεγάλες χορειόμορφες (σαν χορευτικές) κινήσεις. iii. A patient cannot move her right arm and right leg. Μια ασθενής δεν μπορεί κινήσει το δεξί της χέρι και το δεξί της πόδι. a. The force of the muscle depends on the APs (higher frequency more force) and the recruited motor units (more and bigger motor units more force). (1+2) b. They are being recruited asynchronously. The advantage is that the muscle fatigues less easily. (2+1) c. The structures involved are 1. Basal ganglia (suppress unnecessary motion) (1+1) 2. Cerebelum (motion coordination) (1+1) 3. Left motor cortex (control of the right side of the body) (1+1)