Homework 3 / Κατ Οίκον Εργασία

Transcript

1 Homework 3 / Κατ Οίκον Εργασία 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 m V 0 ri g g g K Na Cl x V e dv 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 (10 x 3 = 30 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής (10 x 3 = 30 μ.) 1. Rods Τα ραβδία A. Are more sensitive to light than cones. Είναι πιο ευαίσθητα στο φως από ότι οι κώνοι B. Provide high acuity. Παρέχουν ψηλή ευκρίνεια C. Provide color vision. Παρέχουν έγχρωμη όραση D. Are more prevalent in the center of our visual field. Είναι πιο διαδεδομένα στο κέντρο του οπτικού μας πεδίου. 2. Taste information is derived from a large number of similar sensors distributed everywhere in the mouth and pharynx. The brain can understand what type of taste the information represents (e.g. sweet) because Η πληροφορία της γεύσης προέρχεται από ένα μεγάλο αριθμό παρόμοιων αισθητήρων κατανεμημένων παντού στο στόμα και στον φάρυγγα. Ο εγκέφαλος μπορεί να καταλάβει ποιο τύπο γεύσης (π.χ. γλυκό) αντιπροσωπεύει αυτή η πληροφορία επειδή A. The signals are grouped by type in labeled lines Τα σήματα ομαδοποιούνται κατά τύπο σε γραμμές κατάταξης B. Of population coding by different broadband receptors Υπάρχει πληθυσμιακή κωδικοποίηση από αισθητήρες με μεγάλο εύρος C. Of different action potential frequencies generated Παράγονται δυναμικά ενεργείας σε διαφορετικές συχνότητες D. The amplitude of the action potentials differs Το πλάτος των δυναμικών ενεργείας είναι διαφορετικό 3. Which of the following structures is designed to detect angular acceleration? Ποια από τις ακόλουθες δομές είναι σχεδιασμένη να ανιχνεύει γωνιακή επιτάχυνση; A. Basal Membrane / Βασική Μεμβράνη B. The Organ of Corti / Το όργανο του Κόρτι C. Semicircular canals / Ημικυκλικοί Σωλήνες D. Cochlea / Κοχλίας 4. Which is characteristic of fast pain? Ποιο είναι χαρακτηριστικό του πρώτου (γρήγορου) άλγους; A. Poorly localized. Δεν εντοπίζεται επακριβώς B. Occurs upon stimulation of polymodal nociceptors. Παρουσιάζεται μετά από διέγερση των πολυτροπικών αλγοϋποδοχέων. C. Impulses carried along myelinated fibers Τα δυναμικά μεταφέρονται από μυελινωμένες ίνες D. Persists for a long period of time. Διαρκεί για μεγάλη χρονική περίοδο.

5 5. 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 6. Shift of the electrodes of a cochlear implant further into the cochlea will Μια μετατόπιση των ηλεκτροδίων ενός κοχλιακού εμφυτεύματος πιο μέσα στο κοχλία θα A. Render the implant useless for the patient Καταστήσει το εμφύτευμα άχρηστο για τον ασθενή B. Shift of the perceived sound to higher frequencies Θα μετατοπίσει την αντίληψη του ήχου σε ψηλότερες συχνότητες C. Shift of the perceived sound to lower frequencies Θα μετατοπίσει την αντίληψη του ήχου σε χαμηλότερες συχνότητες D. Cause no perceptible change in the sound quality Δεν θα προκαλέσει καμιά αντιληπτή αλλαγή στην ποιότητα του ήχου 7. In a subretinal implant, the light is converted to electrical signals by and the signals are processed by the. Σε ένα υποαμφιβληστροειδές εμφύτευμα, το φως μετατρέπεται σε ηλεκτρικά σήματα από και τα σήματα επεξεργάζονται από. A. the photoreceptors, functional cells of the retina τους φωτουποδοχείς, λειτουργικά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς B. the photoreceptors, processing unit του φωτουποδοχείς, μονάδα επεξεργασίας C. photodiodes, processing unit φωτοδιόδους, μονάδα επεξεργασίας D. photodiodes, functional cells of the retina φωτοδιόδους, λειτουργικά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς 8. Motor units Οι κινητικές μονάδες A. Are found only in cardiac muscle Βρίσκονται μόνο στον καρδιακό μυ B. Are largest in muscles responsible for delicate movements Είναι μεγαλύτερες στους μύες που είναι υπεύθυνοι για λεπτές κινήσεις C. Consist of a muscle fiber and all the nerves that supply it Αποτελούνται από μια μυϊκή ίνα και όλους τους νευρώνες που την ενευρώνουν D. Consist of a motor neuron and all the muscle fibers it supplies Αποτελείται από ένα κινητικό νευρώνα και όλες τις μυϊκές ίνες που ενευρώνει

6 9. A toxin can cause convulsive paralysis by Μια τοξίνη μπορεί να προκαλέσει παράλυση μετά από σπασμούς A. Blocking acetylcholine from binding to its receptor Εμποδίζοντας την ακετυλοχολίνη από το να προσδεθεί στον υποδοχέα της B. Inhibiting acetylcholinesterase Αναστέλλοντας την ακετυλοχολινεστεράση C. Causing motor neurons to release massive amounts of epinephrine Προκαλώντας απελευθέρωση τεραστίων ποσοτήτων επινεφρίνης από τους κινητικούς νευρώνες D. Blocking acetylcholine from being released by motor neurons Εμποδίζοντας την έκκριση ακετυλοχολίνης από τους κινητικούς νευρώνες 10. The condition called tetanus refers to Η κατάσταση που αποκαλούμε 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. απόκριση μιας μυϊκής ίνας σε ένα μόνο δυναμικό ενεργείας.

7 Short Answer Questions (70 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (70 μ.) 1. What is the difference between sensing and perception? Give one example where the two are not the same. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ αίσθησης και αντίληψης? Δώστε ένα παράδειγμα όπου τα δύο δεν είναι τα ίδια. Sensing is the action of converting a stimulus to an electrical signal using specific receptors. Perception is what the cortex consciously recognizes based on the signal it receives from the receptors. One example where the two are not the same is the sense and perception of taste. The perception of taste incorporates (in addition to the actual signals from the taste receptors) the temperature, texture, and smell of the food. Αίσθησης είναι η μετατροπή ενός ερεθίσματος σε ένα ηλεκτρικό σήμα με τη χρήση συγκεκριμένων υποδοχέων. Αντίληψη είναι ότι ο φλοιός αναγνωρίζει συνειδητά με βάση το σήμα που λαμβάνει από τους υποδοχείς. Ένα παράδειγμα όπου οι δύο δεν είναι το ίδιο, είναι η αίσθηση και η αντίληψη της γεύσης. Η αντίληψη της γεύσης ενσωματώνει (εκτός από τα πραγματικά σήματα από τους υποδοχείς της γεύσης) τη θερμοκρασία, την υφή, και την οσμή του τροφίμου. 2. You are investigating the possibility of using bilateral cochlear implants in order to provide patients, with a complete loss of hearing, the ability to localize sounds (in addition to a sense of hearing). Describe how the implants should work in order for the patient to be able to localize a sound coming from any direction. Διερευνάτε τη δυνατότητα χρήσης κοχλιακών εμφυτευμάτων και στα δύο αυτιά, προκειμένου να παράσχετε σε ασθενείς, με πλήρη απώλεια της ακοής, την ικανότητα να εντοπίσουν ήχους (επιπρόσθετα με την αίσθηση της ακοής). Περιγράψτε πώς τα εμφυτεύματα θα πρέπει να λειτουργούν έτσι ώστε ο ασθενής να είναι σε θέση να εντοπίσει έναν ήχο που μπορεί να προέρχεται από οποιαδήποτε κατεύθυνση. The cochlear implants must be designed in such a way so that to allow the ear to extract the sound direction adequately. In order to localize the direction of the sound in the horizontal plane (left/right), the ear uses two techniques: delay and intensity difference between the two ears. Therefore, the implants must be sensitive enough, in phase, and calibrated to effectively detect both the slight delay (in the order of < 150 msec) and the sight intensity difference (in the order of < 1 db) and transmit that information (in the form of appropriate electrical pulses) to the cochlea. In order to localize the direction of the sound in the vertical plane (up/down), the ear detects the shape of the pinna changes the sound wave. This is much more difficult to emulate with cochlear implants. One approach would be to have multiple, highly directional microphones, pointed at different vertical angles. The recordings from these microphones can be used to calculate the angle of the incoming sound wave. Then, this sound wave can be convoluted with the transfer function of the pinna (which must be measured experimentally) and subsequently the modified sound encoded and transmitted to the cochlea as electrical pulses.

8 3. How does the ear encode the frequency and intensity of sounds? How are modern implantable cochlear electrodes designed to be able to simulate that function? Πως κωδικοποιεί το αυτί τη συχνότητα και την ένταση των ήχων; Πως σχεδιάζονται τα μοντέρνα κοχλιακά ηλεκτρόδια ώστε να προσομοιάζουν αυτή τη λειτουργία; Since different portions of the basal membrane resonantly vibrate at different frequencies the location of the firing neurons along the membrane encodes the frequency of the sound. The intensity of the sound is encoded in the rate of action potentials and the number of neurons firing. Higher intensity results in more action potentials and more neurons firing. Modern cochlear implants are designed with many contact points along the length of the basal membrane so they can excite neurons at different locations and induce the perception of different frequencies. The number of pulses sent to each location as a function of time creates the perception of different intensities. Δεδομένου ότι διαφορετικά τμήματα της βασικής μεμβράνης συντονιστικά δονούνται σε διαφορετικές συχνότητες η θέση των ενεργοποιημένων νευρώνων κατά μήκος της μεμβράνης κωδικοποιεί τη συχνότητα του ήχου. Η ένταση του ήχου κωδικοποιείται από τον ρυθμό των δυναμικών ενεργείας και τον αριθμό των ενεργοποιημένων νευρώνων. Ψηλότερη ένταση οδηγεί σε πιο πολλά δυναμικά ενεργείας ανά χρόνο και περισσότερους ενεργοποιημένους νευρώνες. Τα σύγχρονα κοχλιακά εμφυτεύματα έχουν σχεδιαστεί με πολλά σημεία επαφής κατά μήκος της βασικής μεμβράνης, έτσι ώστε να μπορούν να διεγείρουν νευρώνες σε διαφορετικές θέσεις και να προκαλούν την αντίληψη διαφορετικών συχνοτήτων. Ο αριθμός των παλμών που αποστέλλονται σε κάθε θέση σαν συνάρτηση του χρόνου δημιουργεί την αντίληψη των διαφορετικών εντάσεων. 4. 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; a. Processing is performed by the retinal cells (bipolar, amacrine, and ganglion cells). Power comes from the photodiode itself. 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. c. The retinal cells that perform the processing may be destroyed. (Or) The blood supply to the retinal cells may be interrupted.

9 5. 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). b. They are being recruited asynchronously. The advantage is that the muscle fatigues less easily. c. The structures involved are 1. Basal ganglia (suppress unnecessary motion) 2. Cerebelum (motion coordination) 3. Left motor cortex (control of the right side of the body) 6. A number of paralytic poisons, such as curare and cobra toxin, act at the neuromuscular junction. How might they act to cause paralysis? There are a number of possibilities. Write 4 of them. Ένας αριθμός παραλυτικών δηλητήριων, όπως κιουράρι και τοξίνη κόμπρας, δρουν στη νευρομυϊκή σύναψη. Πώς θα μπορούσε να ενεργήσουν για να προκαλέσουν παράλυση; Υπάρχουν διάφορες δυνατότητες. Γράψτε 4 από αυτές. Paralysis can come from the lack of ACh or from too much ACh (spasms followed by paralysis). Some possible ways of causing paralysis are Reduce the effect of ACh o ACh antagonist - Block the nach receptors (curare) o Block the release of ACh o Break down ACh Enhance the effect of ACh o ACh agonist - Open the nach receptors. o Block ACh reuptake o Block ACh breakdown (Inhibit AChE) Παράλυση μπορεί να προέλθει από την έλλειψη της ACh ή από πάρα πολύ ACh (σπασμούς που

10 ακολουθούνται από παράλυση). Μερικοί πιθανοί τρόποι που προκαλούν παράλυση είναι Μείωση της επίδρασης της ACh o Ανταγωνιστής της ACh - Αποκλείει τους υποδοχείς nach (curare) o Αποκλεισμός της απελευθέρωσης της ACh o Ενζυματική διάσπαση της ACh Ενίσχυση της επίδρασης της ACh o Αγωνιστής της ACh - Ανοίγει τους υποδοχείς nach. o Παρεμπόδιση της επαναπρόσληψης της ACh o Παρεμπόδιση της ενζυματικής διάσπαση της ACh 7. When people drink large quantities of alcohol their gait becomes unstable. (The ability to walk on straight line is one of the tests performed when the police check a driver for alcohol consumption.) Which part of the motor system do you believe is affected by alcohol? Explain based on the symptoms and what you know about the control of movement. Όταν οι άνθρωποι καταναλώσουν μεγάλες ποσότητες αλκοόλ, ο βηματισμός τους γίνεται ασταθής. (Η ικανότητα να περπατήσουν πάνω σε μια ευθεία γραμμή είναι μια από τις δοκιμασίες που υποβάλλει η αστυνομία τους οδηγούς για έλεγχο της κατανάλωσης αλκοόλ.) Ποιο μέρος του κινητικού συστήματος πιστεύετε ότι επηρεάζεται από το αλκοόλ; Εξηγήστε με βάση τα συμπτώματα και ότι ξέρετε για τον έλεγχο της κίνησης. A person who has consumed large quantities of alcohol suffers from unsteady gait and choreiform movements. These symptoms are similar to those of cerebellar dysfunction and, therefore, one can assume that the reason this phenomenon is the effects of alcohol on the cerebellum. Ένα άτομο που έχει καταναλώσει μεγάλες ποσότητες αλκοόλ πάσχει από αστάθεια βάδισης και χορειόμορφες κινήσεις. Αυτά τα συμπτώματα είναι παρόμοια με εκείνα της παρεγκεφαλιδικής δυσλειτουργίας και, ως εκ τούτου, μπορεί κανείς να υποθέσει ότι ο λόγος για αυτό το φαινόμενο είναι οι επιπτώσεις του αλκοόλ στην παρεγκεφαλίδα.