2024届人教版高考生物一轮复习神经调节中膜电位变化分析与相关实验探究学案

第 5 讲　神经调节中膜电位变化分析与相关实验探究

神经调节是高考的高频考点，其中膜电位的测定和膜电位变化分析，设计实验探究兴奋在神经纤维上或神经元之间的传导与传递特点，构建模型判断反射弧中的传入和传出神经以及探究反射弧中各部分的作用等，都是高考的重要命题点，在历年高考中都有所呈现。本讲针对这些常考点予以深入研析，有助于考生贯通知识联系，提高考生的综合分析能力。

1．(2022·浙江6月选考)听到上课铃声，同学们立刻走进教室，这一行为与神经调节有关。该过程中，其中一个神经元的结构及其在某时刻的电位如图所示。下列关于该过程的叙述，错误的是(　 )

A．此刻①处Na＋内流，②处K＋外流，且两者均不需要消耗能量

B．①处产生的动作电位沿神经纤维传播时，波幅一直稳定不变

C．②处产生的神经冲动，只能沿着神经纤维向右侧传播出去

D．若将电表的两个电极分别置于③④处，指针会发生偏转

解析：选A　根据兴奋传递的方向为③→④，则①处恢复静息电位，为K＋外流，②处Na＋内流，A错误；动作电位沿神经纤维传导时，其电位变化总是一样的，不会随传导距离而衰减，B正确；该反射弧中，兴奋在神经纤维上的传导是单向的，由轴突传导到轴突末梢，即向右传播出去，C正确；将电表的两个电极置于③④处时，由于神经冲动会使神经上不同点产生电位差，指针会发生偏转，D正确。

2．(2020·浙江7月选考)欲研究生理溶液中K＋浓度升高对蛙坐骨神经纤维静息电位的影响和Na＋浓度升高对其动作电位的影响。请完善以下实验思路，预测实验结果，并进行分析与讨论。

(要求与说明：已知蛙坐骨神经纤维的静息电位为－70 mV，兴奋时动作电位从去极化到反极化达＋30 mV。测量的是膜内外的电位变化。K＋、Na＋浓度在一定范围内提高。实验条件适宜)

回答下列问题：

(1)完善实验思路：

组1：将神经纤维置于适宜的生理溶液a中，测定其静息电位和刺激后的动作电位，并记录。

组2：______________________________________________________________________。

组3：将神经纤维分别置于Na＋浓度依次提高的生理溶液d、e中，测定其刺激后的动作电位，并记录。

对上述所得的实验数据进行分析与处理。

(2)预测实验结果(设计一个坐标，以柱形图形式表示实验结果)。

(3)分析与讨论：

①简要解释组3的实验结果：__________________________________________________

________________________________________________________________________。

②用放射性同位素24Na＋注入静息的神经细胞内，不久在生理溶液中测量到放射性，24Na＋的这种转运方式属于________。用抑制酶活性的药物处理神经细胞，会使24Na＋外流量________。

③刺激脊蛙的坐骨神经，除了在反射中枢测量到动作电位外，还观察到腓肠肌收缩，说明坐骨神经中含有______________神经。

解析：根据题干信息可知，本实验研究神经细胞膜外K＋浓度升高对静息电位的影响和Na＋浓度升高对动作电位的影响。实验设计应遵循对照原则、单一变量原则等。(1)实验思路中，组1(生理溶液编号为a)是对照组，测得神经纤维的静息电位和刺激后的动作电位；组3是实验组，测得Na＋浓度提高(生理溶液编号为d、e)情况下刺激后的动作电位；因此推断，组2测得K＋浓度提高情况下的静息电位，生理溶液的编号应该为b、c。(2)依据题干信息可知，a组的静息电位是－70 mV，动作电位的峰值是＋30 mV。静息电位的产生依靠K＋外流(K＋通过K＋通道进行易化扩散)，当溶液中的K＋浓度升高时，膜内外的K＋浓度差变小，静息电位的绝对值变小，因此相对于生理溶液a，生理溶液b、c中神经纤维的静息电位绝对值逐渐减小；动作电位的去极化和反极化过程依靠Na＋内流(Na＋通过Na＋通道进行易化扩散)，当溶液中的Na＋浓度升高时，膜内外的Na＋浓度差变大，兴奋时，Na＋内流的量相对增多，动作电位峰值变大，因此相对于生理溶液a，生理溶液d、e中神经纤维的动作电位峰值逐渐增大。(3)②生理溶液中的Na＋浓度大于神经细胞内的浓度，放射性同位素24Na＋逆浓度梯度从神经细胞内进入生理溶液，该跨膜运输方式是主动转运，需要载体蛋白的参与和消耗能量。用抑制酶活性的药物处理神经细胞，会使细胞呼吸强度下降，产生的ATP减少，主动转运减弱，24Na＋外流量减少。③刺激脊蛙的坐骨神经，在反射中枢测到动作电位，说明其具有传入神经，观察到腓肠肌收缩，说明其具有传出神经。因此，坐骨神经中有传入和传出神经。

答案：(1)将神经纤维分别置于K＋浓度依次提高的生理溶液b、c中，测定其静息电位，并记录

(2)如图：

(3)①细胞外Na＋浓度提高，膜内外的浓度差增大，兴奋时，Na＋通过Na＋通道内流加快，导致动作电位增大　②主动转运　减少　③传入和传出

3．(2018·海南高考)为了验证反射弧的完整性是完成反射活动的基础，某同学将甲、乙两只脊蛙(去除脑但保留脊髓的蛙)的左、右后肢最长趾趾端(简称左、右后趾)分别浸入0.5%硫酸溶液中，均出现屈肌反射(缩腿)，之后用清水洗净、擦干。回答下列问题：

(1)剥去甲的左后趾皮肤，再用0.5%硫酸溶液刺激左后趾，不出现屈肌反射。其原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)分离甲的右后肢坐骨神经，假如用某种特殊方法阻断了传入神经，再将甲的右后趾浸入0.5%硫酸溶液中，不出现屈肌反射，则说明________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)捣毁乙的脊髓，再用0.5%硫酸溶液刺激蛙的左后趾，________(填“能”或“不能”)出现屈肌反射，原因是__________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)剥去甲的左后趾皮肤，再用0.5%硫酸溶液刺激左后趾，不出现屈肌反射。其原因是剥去皮肤导致反射弧的感受器缺失。(2)分离甲的右后肢坐骨神经，假如用某种特殊方法阻断了传入神经，再将甲的右后趾浸入0.5%硫酸溶液中，不出现屈肌反射，则说明传入神经结构和功能完整是完成反射活动所必需的。(3)捣毁乙的脊髓，再用0.5%硫酸溶液刺激蛙的左后趾，不能出现屈肌反射，原因是反射弧的神经中枢被破坏。

答案：(1)剥去皮肤导致反射弧的感受器缺失

(2)传入神经结构和功能完整是完成反射活动所必需的　(3)不能　反射弧的神经中枢被破坏

知能集成(一)　膜电位变化与电流表指针偏转的模型构建及应用

1．膜电位测量的两种方法

2．电流表指针的偏转问题

(1)电流表指针偏转的原理。

图中a点受刺激产生动作电位“”，动作电位沿神经纤维传导依次通过“a→b→c右侧”时灵敏电流表的指针变化细化图：

(2)在神经纤维上电流表指针偏转问题。

(3)在神经元之间电流表指针偏转问题。

[典例]　神经细胞外的Ca2＋对Na＋的内流具有竞争性抑制作用，称为膜屏障作用，该机制能使神经细胞保持正常的兴奋性。研究小组展开相关研究工作，请回答下列问题：

(1)血钙较低，肌肉易抽搐痉挛，其原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)为验证膜屏障作用，研究小组首先用含有Ca2＋、Na＋、K＋等离子的培养液培养蛙的坐骨神经—腓肠肌标本，对坐骨神经施加一定刺激，获得膜电位变化的模型(图1)。然后降低培养液中Ca2＋的浓度，其他条件不变，重复实验。

①图1曲线的获得，应采取图2中________所示的连接方式。若是图2中另一种连接方式，请画出理论上所获得的膜电位变化曲线。

②为达实验目的，实验过程中，研究小组还需要测定____________________________。

(3)验证膜屏障作用后，研究小组去除培养液中全部的Ca2＋，其他条件不变，然后对坐骨神经施加一定刺激，结果虽然神经纤维上能发生动作电位，但是腓肠肌未收缩。对轴突末梢的研究发现，其膜上有Ca2＋的运输通道，突触小体中也有一定数量的突触小泡。据此推测Ca2＋的作用是__________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

[解析]　(1)血钙较低，肌肉易抽搐痉挛，其原因是Ca2＋较少，对Na＋内流的抑制作用减弱，神经细胞的兴奋性过强，很容易产生兴奋而使肌肉收缩。(2)①由图1可知，应采取图2中的Ⅱ所示的连接方式。如果是图2中另一种连接方式，刚开始时电位差为0，后来发生两次膜电位的偏转，所获得的膜电位变化曲线具体见答案。②为达实验目的，实验过程中，研究小组还需要测定膜内Na＋含量的变化。Na＋的变化是动作电位形成的标志。(3)据题干信息可推测Ca2＋的作用是促进突触小泡和突触前膜融合，以释放神经递质。

[答案]　(1)Ca2＋较少，对Na＋内流的抑制作用减弱，神经细胞的兴奋性过强，很容易产生兴奋而使肌肉收缩　(2)①Ⅱ　如图所示　②膜内Na＋含量的变化　(3)促进突触小泡和突触前膜融合，以释放神经递质

在电流表两个指针都放在膜外或膜内的情况下，若两个电极先后兴奋，则电流表指针发生两次方向相反的偏转；若两个电极同时兴奋，则电流表指针不发生偏转；若两个电极只有一个发生兴奋，则电流表指针发生一次偏转。　　

[针对训练]

1．某生物实验小组研究兴奋在神经纤维上的传导以及在神经元a、b之间传递的情况(说明：L1和L2距离相等，电流计①两微电极的中点为a3，电流计②两微电极分别位于a、b神经元上)。下列相关叙述正确的是(　 )

A．分别适宜刺激神经元a上的四点，电流计①的指针均发生2次方向相反的偏转

B．分别适宜刺激神经元a上的四点，电流计②的指针均发生2次方向相反的偏转

C．适宜刺激a4点时，指针发生第二次偏转的时间为电流计①的晚于电流计②

D．a1点受适宜刺激后，兴奋在神经元a与b之间发生电信号→化学信号的转化

解析：选B　若刺激电流计①两微电极的中点a3点，兴奋同时到达两微电极，电流计①的两个微电极将同时发生兴奋，指针不会发生偏转，A错误；兴奋在神经

元之间是单向传递的，分别刺激神经元a上的四点，电流计②的指针均发生2次方向相反的偏转，B正确；由于兴奋在神经纤维上传导的速度快于兴奋在神经元之间的传递速度，刺激a4点时，电流计①的指针发生第二次偏转的时间一般要早于电流计②，C错误；兴奋在神经元之间以化学信号进行传递，兴奋在突触处的转化为电信号→化学信号→电信号，D错误。

2.制备蛙的坐骨神经腓肠肌标本，在坐骨神经b，c处分别放置一个电极，将它们连接到同一电表上，如图甲所示，在a处给予适宜强度的电刺激，记录到电位变化如图乙所示。以下叙述正确的是(　 )

A．图乙可以证明b，c两处存在静息电位

B．图乙d处电位表示图甲b处膜内外电位差为零

C．图乙记录了图甲b处的Na＋流至c处的过程

D．图乙反映兴奋在神经纤维上以电信号的形式传导

解析：选D　图乙不能证明b，c两处静息电位的存在，A错误；图乙d处电位表示图甲b处膜内外电位差为负值(静息电位)，B错误；图乙记录了图甲a处给予适宜强度的电刺激，电流计指针会发生反向的两次偏转，C错误；图乙反映出刺激a处产生动作电位并沿神经纤维传导的过程，D正确。

知能集成(二)　与神经调节有关的实验分析和探究

1．“切断实验法”判断传入神经与传出神经

若切断某一神经，刺激外周段(远离中枢的位置)，肌肉不收缩，而刺激向中段(近中枢的位置)，肌肉收缩，则切断的为传入神经，反之则为传出神经。

2．“药物阻断”实验

探究某药物(如麻醉药)是阻断兴奋在神经纤维上传导，还是阻断在突触处传递，可分别将药物置于神经纤维上或置于突触处，依据其能否产生“阻断”效果作出合理推断。

3．“电刺激法”探究反射弧中兴奋传导的特点

[典例]　神经系统及体液在人体内环境稳态的维持中起重要作用，请回答下列问题：

(1)②为____________(填“传入神经”或“传出神经”)，判断的理由是________________________________________________________________________。

(2)反射活动中反射弧中兴奋的传递是单向的，这一方向性由图中________(填序号)所决定。

(3)体内CO2浓度升高时会使人体呼吸中枢兴奋而导致呼吸加快，属于______________调节。

(4)人体感染某些病毒后经常出现发热症状，原因之一是细胞因子刺激了下丘脑的____________中枢，使有关腺体分泌的肾上腺素和______________的量增加，从而使产热增加。

(5)图中，如果用a电极刺激，c处无电位变化，骨骼肌不收缩，则表明____________一定受损；如果用b电极刺激，骨骼肌不收缩，则表明____________受损。

[解析]　(1)②是传入神经，因为上面有神经节，且脊髓灰质内的突触结构能得出信号是从②传到④。(2)兴奋在反射弧中传递是单向的，原因是兴奋在突触处传递是单向的，突触前膜释放神经递质到突触间隙，神经递质与突触后膜上的受体结合，使突触后膜发生电位变化，由图中的③所决定。(3)CO2浓度升高时会刺激脑干中的呼吸中枢，使呼吸加快，排出多余的CO2，该过程的调节方式是神经—体液调节。(4)人体感染病毒后经常出现发热症状，是因为细胞因子刺激了下丘脑的体温调节中枢，使有关腺体分泌的肾上腺素和甲状腺激素增加，产热增加。(5)据图可知，①②③④⑤分别是感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器。用a电极刺激，电流表指针不变化，骨骼肌不收缩，说明传出神经受损，若用b电极刺激时骨骼肌不收缩，说明骨骼肌受损。

[答案]　(1)传入神经　有神经节、根据脊髓灰质内的突触结构、根据脊髓灰质结构　(2)③　(3)神经—体液　(4)体温调节　甲状腺激素　(5)传出神经　骨骼肌

 [针对训练]

将蛙脑破坏，保留脊髓，做蛙心静脉灌注，以维持蛙的基本生命活动。暴露蛙左后肢屈反射的传入神经和传出神经，分别连接电位计ⓐ和ⓑ。将蛙左后肢趾尖浸入0.5%硫酸溶液后，电位计ⓐ和ⓑ有电位波动，出现屈反射。下图为该反射弧结构示意图。

(1)用简便的实验验证兴奋能在神经纤维上双向传导，而在反射弧中只能单向传递。

(2)若在灌注液中添加某种药物，将蛙左后肢趾尖浸入0.5%硫酸溶液后，电位计ⓐ有波动，电位计ⓑ未出现波动，左后肢未出现屈反射，其原因可能有①______________________________________；②________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)设计实验可以应用图中的已有信息进行逆向思考，即在神经纤维的哪个位置给予足够强度的刺激，该位置两侧都能够观察到相应的电位变化(或肌肉收缩)，而另一神经纤维上没有电位变化。(2)某药物处理后，电位计ⓐ有波动，说明该药物不会阻止神经纤维上的兴奋传导，电位计ⓑ未出现波动，说明没有兴奋传递到电位计ⓑ，那么问题应该出现在电位计ⓐ和ⓑ之间的环节，可能是突触前膜不能释放神经递质，也可能是突触前膜释放的神经递质不能与突触后膜上的特异性受体结合。

答案：(1)方法和现象：刺激电位计ⓑ与骨骼肌之间的传出神经。观察到电位计ⓑ有电位波动和左后肢屈腿，电位计ⓐ未出现电位波动。　(2)①突触前膜释放的递质不能与突触后膜上的特异性受体结合　②突触前膜不能释放神经递质