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114年:物治基礎(2)

運動開始2～3秒會有換氣量突然增加的現象，此現象主要是那個大腦部位造成？

A大腦皮質（cerebral cortex）
B延腦（medulla）
C中腦（midbrain）
D丘腦（thalamus）

詳細解析

本題觀念：

本題考查的是運動生理學中關於呼吸調節（Control of Ventilation）的機制，特別是針對**運動開始初期（Onset of exercise）**換氣量變化的神經控制理論。

運動時的換氣反應通常分為三個階段：

  1. 第一階段（Phase I, Neural Phase）：運動開始後**幾乎立即（數秒內）發生，換氣量呈現步階式（abrupt）的突然增加。此階段發生極快，血液化學成分（如 PCO2PCO_2, PO2PO_2, pHpH）尚未改變，因此無法用化學接受器解釋，主要是由神經訊號（Neural signals）**驅動。
  2. 第二階段（Phase II, Humoral/Metabolic Phase）：換氣量呈現指數型上升，逐漸達到穩定狀態。此階段受周邊化學接受器與代謝產物累積驅動。
  3. 第三階段（Phase III, Steady State）：換氣量達到穩定高原期，與代謝需求平衡。

題目問的是「運動開始2～3秒」，這屬於第一階段，其核心機制為中央指令（Central Command）。

選項分析

  • A. 大腦皮質（cerebral cortex）：正確。

    • 中央指令理論（Central Command Theory）：這是解釋運動初期換氣量急遽增加的主流理論。當大腦皮質（特別是運動皮質 Motor Cortex和前運動皮質）發出神經衝動去驅動骨骼肌收縮時，它會透過**側枝訊號（Collateral fibers）**同步傳送興奮性訊號至腦幹的呼吸中樞。
    • 這種「預期性」或「前饋（Feedforward）」機制使得呼吸系統能在代謝廢物（如 CO2CO_2）實際升高之前，就先增加換氣量，以應付即將到來的代謝需求。
    • 因此，造成運動開始2~3秒換氣量突然增加的部位是大腦皮質。

  • B. 延腦（medulla）：錯誤。

    • 延腦包含呼吸節律中樞（Respiratory Control Center），如背側呼吸群（DRG）和腹側呼吸群（VRG），是負責執行呼吸動作和維持基本節律的部位。
    • 雖然大腦皮質的訊號最終是傳到延腦來改變呼吸頻率與深度，但題目問的是「造成此現象（突然增加）的來源」。延腦是被動接收來自皮質的指令，而非此快速反應的發起者。若無皮質的額外刺激，延腦僅維持安靜時的呼吸節律。

  • C. 中腦（midbrain）：錯誤。

    • 中腦主要涉及視覺、聽覺反射及眼球運動控制，並含有網狀致活系統（RAS），雖與警覺狀態有關，但不是運動初期呼吸驅動的主要來源。

  • D. 丘腦（thalamus）：錯誤。

    • 丘腦是大腦的感覺轉運站，負責過濾與傳遞感覺訊息，並不負責產生運動指令或直接調控運動初期的呼吸急促反應。

答案解析

運動開始後的瞬間（Phase I），換氣量會出現神經性的急遽上升。此現象主要歸因於大腦皮質（Cerebral Cortex）的中央指令（Central Command）。當大腦皮質發出運動指令給肌肉時，會同時發送平行訊號給腦幹呼吸中樞，導致換氣量在化學變化發生前就先行增加。此外，肌肉和關節中的**本體感覺受器（Proprioceptors）**受到機械性刺激，也會透過脊髓傳入訊號刺激呼吸，但大腦皮質的中央指令被認為是啟動此快速反應的最主要關鍵。

因此，正確答案為 (A) 大腦皮質（cerebral cortex）。

核心知識點

考生應掌握運動對呼吸調節的三階段理論及其控制機制：

  1. Phase I（快速期）：
    • 時間：運動開始瞬間（0~20秒）。
    • 特徵：換氣量急遽上升。
    • 機制：神經性控制（Neural control）。
      • 大腦皮質（主要）：Central Command（前饋機制）。
      • 本體感覺受器（次要）：肌肉/關節的機械性刺激。
  2. Phase II（慢速期）：
    • 時間：隨後數分鐘。
    • 特徵：指數上升至穩定。
    • 機制：體液/化學性控制（Humoral control）。
      • 動脈血 CO2CO_2、H+H^+ 刺激中樞及周邊化學接受器。
  3. Phase III（穩定期）：
    • 機制：神經與體液調節達到平衡（Fine-tuning）。

參考資料

  1. Physiology of Sport and Exercise, "Control of Ventilation During Exercise".
  2. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, Chapter on Regulation of Respiration During Exercise.
  3. Bell, H. J., & Duffin, J. (2006). The respiratory response to exercise. European Journal of Applied Physiology. (Confirming Phase I is driven by central command and muscle mechanoreceptors).
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