2025年大学《神经科学》专业题库- 神经元突触结构动态三维成像技术

2025年大学《神经科学》专业题库——神经元突触结构动态三维成像技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项字母填入括号内）1.在神经元突触结构中，负责储存和释放神经递质的膜结构是？A.突触前膜B.突触后膜C.突触间隙D.突触囊泡2.下列哪种显微镜技术能够突破传统光学显微镜的衍射极限，实现超分辨率成像？A.扫描电子显微镜（SEM）B.共聚焦显微镜C.受激拉曼散射（SRS）显微镜D.光学相干断层扫描（OCT）3.多光子显微镜的主要优势之一是？A.提供极高的空间分辨率B.能够对深部组织进行成像而散射较少C.成像速度快，适合观察快速动态过程D.对样本的制备要求非常高4.突触可塑性中的长时程增强（LTP）通常与哪种突触结构变化相关？A.突触间隙增宽B.突触后密度增加C.突触囊泡数量减少D.突触前膜递质释放概率增加5.在三维重建神经元突触结构时，体素追踪算法的主要作用是？A.提高图像的对比度B.计算图像的分辨率C.从二维图像序列中推断出突触的三维形态和空间位置D.消除图像中的噪声6.光漂白是指？A.激光光强随时间衰减的现象B.活细胞在长时间显微镜观察中发生的荧光丢失或淬灭现象C.突触结构在长时间培养中发生的形态改变D.显微镜物镜的球面像差7.STED显微镜利用了哪种原理来实现超分辨率？A.光的衍射B.光的干涉C.激光扫描D.非线性光与荧光团分子的相互作用，使焦点区域荧光淬灭8.研究神经发育过程中特定突触的形成和连接，最适合使用哪种成像技术组合？A.高分辨率SEM和固定样本成像B.多光子显微镜和固定样本成像C.活体双光子显微镜和荧光标记D.光学相干断层扫描（OCT）和电生理记录9.以下哪项技术能够提供关于细胞内分子分布的亚细胞水平信息？A.扫描电子显微镜（SEM）B.共聚焦显微镜结合荧光标记C.扫描探针显微镜（SPM）D.光学相干断层扫描（OCT）10.神经科学研究中，结合光遗传学与突触结构动态成像技术的优势在于？A.直接测量神经元的动作电位B.在活体动物中特异性激活或抑制神经元，并实时观察其突触结构变化C.仅能在体外培养细胞中使用D.无需对神经元进行任何基因改造二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填入横线处）1.突触是神经元之间传递信息的______结构，其基本结构包括突触前膜、突触间隙和突触后膜。2.共聚焦显微镜通过______技术选择性地收集焦点处的荧光信号，从而提高图像的对比度和分辨率。3.超分辨率显微镜技术，如STED和SRS，能够将空间分辨率突破衍射极限，达到约______纳米量级。4.动态三维成像技术不仅要求高空间分辨率，还要求具备良好的______，以捕捉突触结构随时间的变化。5.神经元突触的可塑性是学习和记忆的______基础，涉及突触结构、功能和分子组成的改变。6.体素是三维图像中的最小单位，它代表了空间上一个______大小立方体内的信号强度。7.在体（Invivo）突触结构动态成像面临的主要挑战之一是______对深层组织成像的穿透限制。8.突触素（Synapsin）是一种位于突触前膜的重要蛋白，其表达和分布的变化与______密切相关。9.通过对活体动物大脑进行系列三维成像，可以研究神经环路的______过程。10.计算神经科学与神经成像数据的结合，有助于从复杂的______数据中提取有意义的生物学信息。三、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述扫描电子显微镜（SEM）在神经元突触结构成像中的主要优势和局限性。2.解释什么是多光子显微镜，并说明其在活体神经科学成像中的主要优势。3.简述长时程增强（LTP）在突触功能中的作用及其可能涉及的结构重塑机制。4.描述在神经元突触结构的三维成像中，图像分割的主要目的和基本步骤。四、论述题（每题10分，共30分。请结合所学知识，深入阐述下列问题）1.比较并论述不同类型的超分辨率显微镜技术（如STED、SRS、PALM/STORM）在神经元突触结构成像中的原理、优缺点及适用场景。2.在体（Invivo）神经元突触结构动态三维成像技术在研究神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）中的作用和面临的主要挑战有哪些？请举例说明。3.探讨人工智能（AI）技术在处理和分析大规模神经元突触结构动态三维成像数据中的应用前景及其可能带来的变革。试卷答案一、选择题1.D2.C3.B4.B5.C6.B7.D8.C9.B10.B二、填空题1.功能性2.光学切片3.半4.时间分辨率5.物理基础6.体积7.光学8.突触可塑性9.构建与重塑10.四维三、简答题1.优势：提供高分辨率、高对比度的突触表面和内部结构图像，样品制备相对简单（可干燥），景深大。局限性：通常需要固定和染色样品，无法进行活体动态观察，成像速度相对较慢。2.多光子显微镜利用大于基波频率的激发光，通过双光子吸收过程激发荧光。主要优势：激发光波长更长，散射更少，穿透深度更大（可达几百微米），可用于活体深部组织成像；减少了光漂白和光毒性；提高了成像速度和信号质量。3.LTP是突触传递功能增强的持久形式，是学习和记忆的细胞机制之一。其结构基础可能包括：突触后密度（PSD）增大，涉及谷氨酸受体（特别是NMDA受体）的数量和密度增加；突触囊泡数量增加或释放效率提高；突触结构轻微扩张（如树突棘的增长或分支增加）。4.图像分割的主要目的是将三维图像中的突触结构（如突触前膜、突触间隙、突触后密度）与背景或其他组织区分开来，并识别出不同的结构组件。基本步骤通常包括：预处理（如去噪、对比度增强）；种子点选择或区域生长；利用边缘检测、表面拟合或图谱方法进行分割；连通性分析；后处理（如平滑、去除小对象）。四、论述题1.STED利用非线性光与荧光团分子在焦点外的相互作用导致荧光淬灭，实现亚衍射极限分辨率，对膜结构成像效果好，但通常需要特异性荧光标记，且光毒性相对较大。SRS基于不同分子（如荧光团或天然存在的分子）的拉曼散射光谱差异进行成像，无需标记，背景干扰小，但信号较弱，对扫描速度要求高。PALM/STORM利用光漂白诱导的荧光标记分子定位，通过随机选择少数标记分子进行成像和定位，具有极高的精度，特别适合单分子定位和复杂样品分析，但计算量巨大，成像速度慢。选择取决于研究目标（如是否需要标记、对分辨率的要求、样品特性、实验条件限制等）。2.在体动态三维成像技术可以观察疾病进展过程中特定脑区（如海马体）内突触结构的宏观和微观变化，如树突棘密度的减少、突触间隙增大、突触连接频率改变等，有助于揭示疾病相关的病理机制。主要挑战包括：光学穿透深度有限，难以清晰观察深层脑区；长期观察中样品的保存和稳定性问题；光漂白和光毒性可能影响神经元功能和突触结构；图像处理和数据分析的复杂性和计算量巨大；伦理问题。例如，观察阿尔茨海默病模型中早期突触退化或新突触形成的动态过程。3.AI技术在处理大规模神经成像数据方面具有巨大潜力。它可以自动进行图像分割、目标识别和追踪，极大地提高分析效率和准确性，尤其是在处理包含数百万个突触的复杂三维数据集