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

HMY 471/671 Νευροφυσιολογία και Αισθήσεις Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Homework 3 / Κατ Οίκον Εργασία 3 2015 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 2.303 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 0 g g g 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 4 3 4 m m K m K Na m Na L m L R: Σταθερά αερίων (gas constant) = 8.314472 (Volts Coulomb)/(Kelvin mol) F: Σταθερά Faraday = 96 485.3383 (Coulomb)/(mol) z: Σθένος (Valence) T: Απόλυτη Θερμοκρασία (absolute temperature) = 273.16 + 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 Page 1

Multiple Choice Questions (10x3pts = 30 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής (10x3μ. = 30 μ.) 1. Which part of the visual field occupies the largest portion of the primary visual cortex? Ποιο μέρος του οπτικού πεδίου καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος του πρωτοταγούς οπτικού φλοιού; A. The color receptive fields of the periphery Τα έγχρωμα υποδεκτικά πεδία της περιφέρειας B. The color receptive fields of the center Τα έγχρωμα υποδεκτικά πεδία του κέντρου C. The non-color receptive fields of the periphery Τα μη-έγχρωμα υποδεκτικά πεδία της περιφέρειας D. The non-color receptive fields of the center Τα μη-έγχρωμα υποδεκτικά πεδία του κέντρου 2. Our underwater vision is poor because Κάτω από το νερό η όραση μας δεν είναι καλή γιατί A. Water disperses light, making it impossible to focus. Το νερό διασκορπίζει το φως, καθιστώντας αδύνατο να εστιάσει. B. In water there is no longer a refractive index difference between the cornea and the surrounding media. Στο νερό, δεν υπάρχει πλέον διαφορά δείκτη διάθλασης μεταξύ του κερατοειδούς και του περιβάλλοντος υγρού. C. Water seeps into the iris, causing temporary cloudiness. Διαρρέει νερό μέσα στην ίριδα, προκαλώντας προσωρινή νέφωση. D. The hydrostatic pressure of water changes the shape of the eyeball. Η υδροστατική πίεση του νερού αλλάζει το σχήμα του βολβού του ματιού. 3. In the blob areas of the primary visual cortex, receptive fields are Στις κηλιδικές περιοχές του πρωτοταγούς οπτικού φλοιού, τα υποδεκτικά πεδία είναι A. Sensitive to rotation and direction Ευαίσθητα στην κατεύθυνση και τον προσανατολισμό. B. Center-surround with color opponency Κεντρο-περιφερικά με χρωματική ανταγωνιστικότητα C. Binocular Διοφθάλμια D. Hyper-complex Υπερ-πολύπλοκα 4. In the auditory system, exact sound frequency is encoded by Στο ακουστικό σύστημα, η ακριβής συχνότητα του ήχου κωδικοποιείται από A. Basal membrane response Την απόκριση της βασικής μεμβράνης B. Basal membrane response and population coding Την απόκριση της βασικής μεμβράνης και πληθυσμιακή κωδικοποίηση C. Basal membrane response and action potential frequency Την απόκριση της βασικής μεμβράνης και τη συχνότητα των δυναμικών ενεργείας D. Basal membrane response and interaural time delay Page 2

Την απόκριση της βασικής μεμβράνης και την ενδο-ακουστική καθυστέρηση 5. 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 6. 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 7. 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 8. What happens if a sensory impulse is projected to the wrong part of the primary somatosensory cortex? Τι θα συμβεί αν ένα αισθητικό ερέθισμα προβληθεί σε λάθος μέρος του πρωτοταγούς σωματοαισθητικού φλοιού; A. the sensation is "felt" in the wrong part of the body αισθανόμαστε την αίσθηση στο λάθος μέρος του σώματος B. the sensation is interpreted as pain η αίσθηση ερμηνεύεται ως πόνος C. no sensation is experienced δεν υπάρχει καμιά αίσθηση Page 3

D. motor impulses cannot be generated in response to this impulse δεν μπορούν να παραχθούν κινητικοί παλμοί σε απόκριση αυτού του ερεθίσματος 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. Page 4

Short Answer Questions (70 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (70 μ.) 1. The eye has the capacity to adapt to situations of varying light intensity. Το μάτι έχει τη δυνατότητα να προσαρμόζεται σε διαφορετικές εντάσεις φωτός. a. Why is this adaptation necessary? Για ποιο λόγο χρειάζεται αυτή η προσαρμογή; b. What are the adaptations that the eye undergoes when moving from a bright to a dark room? Ποιες είναι οι προσαρμοστικές αλλαγές στο μάτι κατά τη μετάβαση από φωτεινό σε σκοτεινό δωμάτιο; c. Why does it take 20-25 minutes for complete light adaptation? Γιατί χρειάζονται 20-25 λεπτά για πλήρη προσαρμογή στο φώς; d. What is the role of Calcium in this process? Ποιος είναι ο ρόλος του Ασβεστίου σε αυτή τη διαδικασία; Page 5

2. Is the ability to visually perceive depth the same in all parts of the visual field? Explain why. Where in the striate cortex the first depth-sensitive receptive fields appear? Does loss of one eye completely impair the loss of depth perception? Explain why? Είναι η ικανότητα αντίληψης του βάθους η ίδια σε όλο το οπτικό πεδίο; Εξηγήστε γιατί; Που στον ταινιωτό φλοιό παρουσιάζονται τα πρώτα υποδεκτικά πεδία ευαίσθητα στο βάθος ; Αν το ένα μάτι καταστραφεί χάνουμε εντελώς την ικανότητα να αντιλαμβανόμαστε το βάθος; Εξηγήστε γιατί. Page 6

3. 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.) Page 7

4. 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; 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; 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; 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. Page 8

APs at 2 APs at 1 Force at C Force at B Force at A 5. 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. 1 2 A C B t Page 9

6. 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) 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; 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; 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. Page 10

7. After a car accident, a patient presents with a loss of temperature and pain sensation on the right side of her body below the 10th thoracic level. On the left side, she suffers from loss of touch and twopoint discrimination loss below the same level. Where do you expect to find the trauma? (Be specific). Upon more careful examination, do you expect to find any areas of complete somatosensory loss? If yes, where? Μετά από ένα αυτοκινητιστικό ατύχημα, μια ασθενής παρουσιάζει απώλεια της αίσθησης της θερμοκρασίας και του πόνου στη δεξιά πλευρά του σώματός της κάτω από το 10 ο θωρακικό επίπεδο. Στην αριστερή πλευρά, πάσχει από απώλεια της αφής και της διάκρισης δύο σημείων κάτω από το ίδιο επίπεδο. Πού θα περιμένατε να βρείτε το τραύμα; (Να είστε συγκεκριμένοι). Μετά από πιο προσεκτική εξέταση, περιμένετε να βρείτε περιοχές πλήρους σωματοαισθητικής απώλειας; Εάν ναι, πού; Page 11

Case Study Grandma can t hear you An 81 year old woman was admitted to the Royal Gwent Hospital with severe shortness of breath. She had a history of chronic obstructive pulmonary disease (COPD), angina, hypertension, and a previous cerebrovascular accident. She was sensitive to penicillin. She was diagnosed with pneumonia and was started on nebulisers and clarithromycin (a macrolide antibiotic). On day 3 of her admission she complained of new onset deafness in her right ear. She stated that she had been deaf, in her left ear, for many years but had had no prior problems with her right. Her testimony was supported by her family who reported a subjective reduction in her hearing over the first two days of her admission, so much that they had to shout to be heard. Clarithromycin is one of the advanced generation macrolides. It is used commonly as a broad spectrum antibiotic, often in conjunction with a penicillin type antibiotic, for community acquired pneumonia or for patients who are penicillin sensitive (as in this case). It is an erythromycin derivative with slightly greater activity than its parent compound and achieves high tissue concentrations. Macrolides have been investigated for ototoxicity. The conclusion was that there is the possibility of mainly reversible sensorineural deafness which is dose related. Interestingly, in cases of macrolide induced deafness, the deafness occurs around the frequencies used for everyday speech, hence making it easier for patients to detect changes in hearing. Μια 81-χρόνη ηλικιωμένη γυναίκα εισήχθη στο Νοσοκομείο Royal Gwent με σοβαρή δύσπνοια. Είχε ένα ιστορικό χρόνιας αποφρακτικής πνευμονοπάθειας (COPD), στηθάγχη, υπέρταση, και ένα προηγούμενο αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο. Ήταν αλλεργική στην πενικιλίνη. Διαγνώστηκε με πνευμονία και ξεκίνησε νεφελοποιητές και κλαριθρομυκίνη (αντιβιοτικό της ομάδας των μακρολιδίων). Την 3η ημέρα της από την είσοδο της στο νοσοκομείο παραπονέθηκε για νέα εμφάνιση κώφωσης στο δεξί αυτί της. Δήλωσε ότι ήταν κωφή, από το αριστερό αυτί της για πολλά χρόνια, αλλά δεν είχε κανένα προβλήματα με το δεξί της προηγουμένως. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώθηκε και από την οικογένειά της που ανέφεραν ελάττωση της ακοής της, κατά τη διάρκεια των δύο πρώτων ημερών της νοσηλείας της, τόσο πολύ που έπρεπε να φωνάξουν για να τους ακούσει. Η κλαριθρομυκίνη είναι αντιβιοτικό μακρολίδων προηγμένης γενιάς. Συνήθως χρησιμοποιείται ως αντιβιοτικό ευρέους φάσματος, συχνά σε συνδυασμό με ένα αντιβιοτικό τύπου πενικιλίνης, για συνήθη πνευμονία ή για ασθενείς που είναι ευαίσθητοι στην πενικιλίνη (όπως στην προκειμένη περίπτωση). Είναι παράγωγο της ερυθρομυκίνης με ελαφρώς μεγαλύτερη δραστικότητα από την αρχική ένωση και επιτυγχάνει ψηλές συγκεντρώσεις στους ιστούς. Οι μακρολίδες έχουν διερευνηθεί ως προς την ωτοτοξικότητα τους. Το συμπέρασμα ήταν ότι υπάρχει η περίπτωσή κυρίως αναστρέψιμης νευροαισθητήριας κώφωσης που είναι ανάλογη με την δοσολογία. Είναι ενδιαφέρον ότι, στις περιπτώσεις κώφωσης από μακρολίδες, η κώφωση συμβαίνει γύρω από τις συχνότητες που χρησιμοποιούνται για την καθημερινή ομιλία, ως εκ τούτου, καθίσταστε ευκολότερο για τους ασθενείς αντιληφθούν τις αλλαγές στην ακοή τους. 1. Describe the sensation of sound from the outer ear to the cortex. Περιγράψτε την αίσθηση του ήχου από το εξωτερικό αυτί στο φλοιό. 2. Which parts of the sensorineural pathway could these antibiotics affect? List all possible locations you think might be involved! Ποια τμήματα της νευροαισθητήριας οδού θα μπορούσε να επηρεάσει αυτά τα αντιβιοτικά; Δώστε όλα τα πιθανά μέρη που νομίζετε ότι μπορεί να επηρεάζονται! Page 12

3. Given that the hearing impairment is mainly at higher frequencies which part of the Organ of Corti should be most involved? Δεδομένου ότι η εξασθένηση της ακοής είναι κυρίως σε υψηλότερες συχνότητες ποιο μέρος του οργάνου του Corti θα πρέπει να εμπλέκεται περισσότερο; 4. If the ototoxicity is a result of neuronal effects of the antibiotic, what mechanisms might affect the creation of action potentials by the auditory nerve? Εάν η ωτοτοξικότητα είναι αποτέλεσμα δράσης του αντιβιοτικού στους νευρώνες, ποιοι μηχανισμοί θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη δημιουργία Δυναμικών Ενεργείας από το ακουστικό νεύρο; 5. What possible interventions could help a patient with permanent sensorineural hearing impairment? Ποιες πιθανές λύσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν έναν ασθενή με μόνιμη νευροαισθητήρια βλάβη στην ακοή; Page 2