刺激γ-運動神經元會導致所支配肌肉組織產生何種影響？

本題觀念：

本題考查神經肌肉生理學中肌梭 (Muscle Spindle) 的構造與功能，特別是γ-運動神經元 (Gamma motor neuron) 的支配對象及其生理作用。核心觀念在於理解 $\alpha$-運動神經元與 $\gamma$-運動神經元的分工，以及肌梭如何在肌肉長度不變的情況下調節敏感度。

選項分析

• A. 梭外肌纖維的等張收縮 (Incorrect)

  • 支配神經錯誤：梭外肌纖維 (Extrafusal muscle fibers) 是肌肉產生力量的主要來源，由 $\alpha$-運動神經元 (Alpha motor neuron) 支配，而非 $\gamma$-運動神經元。
  • 收縮型態不符：即便改為 $\alpha$-運動神經元刺激，若負重過大導致肌肉長度不變，也可能是等長收縮；但最主要的錯誤在於支配對象不對。

• B. 梭外肌纖維的等長收縮 (Incorrect)

  • 支配神經錯誤：同上，梭外肌纖維是由 $\alpha$-運動神經元支配。刺激 $\gamma$-運動神經元不會直接引起梭外肌纖維的收縮。

• C. 梭內肌纖維的等張收縮 (Incorrect)

  • 支配對象正確：$\gamma$-運動神經元確實支配梭內肌纖維 (Intrafusal muscle fibers)。
  • 收縮型態錯誤：等張收縮 (Isotonic contraction) 意指肌肉收縮時張力維持不變但長度改變（縮短）。梭內肌纖維非常細小，埋藏在巨大的梭外肌纖維之間，且兩端附著於梭外肌的結締組織上。單獨刺激 $\gamma$-運動神經元時，梭內肌纖維產生的力量微乎其微，不足以克服整塊肌肉的阻力使肌肉縮短。因此，梭內肌纖維的總長度被梭外肌「固定」住了，無法進行會縮短長度的等張收縮。

• D. 梭內肌纖維的等長收縮 (Correct)

  • 支配對象正確：$\gamma$-運動神經元支配肌梭內的梭內肌纖維。
  • 收縮型態正確：當 $\gamma$-運動神經元興奮時，會導致梭內肌纖維兩端的收縮性區域 (Polar regions) 收縮。由於梭內肌纖維的總長度受限於整塊肌肉（梭外肌）的長度，而梭外肌並未收縮（假設沒有 $\alpha$-運動神經元同時動作），因此梭內肌纖維無法縮短。這會導致梭內肌纖維兩端收縮，進而拉伸中間的感覺區域 (Central sensory region)，使肌梭內部的張力增加，但總長度不變。這種長度不變、張力增加的狀態，符合等長收縮 (Isometric contraction) 的定義。
  • 生理意義：這種收縮的主要目的是「預先拉緊」肌梭的感覺接受器，維持或提高肌梭對肌肉長度變化的敏感度（Sensitivity），即所謂的 Gamma Bias。

答案解析

$\gamma$-運動神經元專門支配肌梭內的梭內肌纖維。當其受到刺激時，梭內肌纖維兩端的收縮蛋白收縮，但因力量太小無法改變整塊肌肉的長度，故梭內肌纖維的總長度維持不變（被動地被梭外肌固定）。此過程會拉緊中央的感覺接受器區域，增加張力與敏感度。因長度不變、張力改變，故屬於等長收縮。因此，正確答案為 (D) 梭內肌纖維的等長收縮。

核心知識點

考生應複習並掌握以下神經肌肉生理學重點：

1. 運動神經元分類：
   • $\alpha$-Motor Neuron：支配梭外肌 (Extrafusal fibers)，負責產生肌肉力量與動作。
   • $\gamma$-Motor Neuron：支配梭內肌 (Intrafusal fibers)，負責調節肌梭敏感度，不產生明顯肌力。
2. 肌梭結構 (Muscle Spindle)：
   • 兩端為收縮區（受 $\gamma$ 支配），中間為感覺區（Ia, II 感覺神經）。
3. $\alpha$-$\gamma$ 共同活化 (Alpha-Gamma Coactivation)：
   • 大腦發出運動指令時，同時活化 $\alpha$ 與 $\gamma$ 神經元。$\alpha$ 讓肌肉縮短，$\gamma$ 讓梭內肌兩端收縮，抵消肌肉縮短造成的肌梭鬆弛，確保在肌肉收縮過程中肌梭仍能持續回傳長度資訊。
4. 反射機制：
   • 牽張反射 (Stretch Reflex)：肌肉受拉伸 $\rightarrow$ 肌梭偵測 $\rightarrow$ Ia 傳入 $\rightarrow$ $\alpha$ 活化 $\rightarrow$ 肌肉收縮对抗拉伸（維持長度）。

參考資料

1. Ganong's Review of Medical Physiology: Chapter on Control of Posture and Movement (Discussion of Gamma Motor Neurons and Muscle Spindles).
2. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology: Chapter on Muscle Receptors and Spinal Cord Reflexes (Function of the Muscle Spindle).
3. Reflexes and Muscle Tone: Interaction between alpha and gamma motor neurons (Alpha-Gamma Coactivation).