膜電位と情報伝達の基盤

本文の目次

1. 入力を受け、離れた所へ伝える

神経細胞をニューロンという。細胞体には核があり、典型的なニューロンでは枝分かれした樹状突起や細胞体が入力を受ける。細長い突起の軸索は、離れた部位へ情報を伝える。興奮した膜に生じる短い電位変化を活動電位という。多くの中枢ニューロンでは、細胞体の近くの軸索起始部がその開始に関わる。全てのニューロンが同じ形をしているわけではない。ここでいう内側と外側は、一つの細胞膜を挟んだ細胞内と細胞外である。血管の内外や、細胞体に近いか遠いかとは別の基準になる。

2. 膜電位の符号とmV

膜電位は、細胞膜を挟んだ電位差である。ここでは「内側の電位−外側の電位」で表す。外側を0とした−60 mVは、内側の電位が外側より60 mV低いという意味になる。mV（ミリボルト）は電位差の単位で、1 mVは0.001 Vである。電位差は電荷を動かす電気的な条件の一つ。電流は電荷の移動を単位時間当たりで表す量なので、電位差そのものではない。濃度や流れる体積とも区別する。時間に使うmsはミリ秒で、1 msは0.001 sである。膜電位の記録では、縦軸が電位差、横軸が時間かを確かめる。

3. 負のままでも電位は上がる

負の静止値から0に近づく変化を脱分極という。たとえば−70 mVから−50 mVへ変わると、まだ負の値でも電位は上がっている。正の値になることが脱分極の必須条件ではない。脱分極の後、静止値へ戻る向きの変化が再分極、静止値より負になる変化が過分極である。どれも基準と経過を見て読む。これらの数値は読み方を確かめる例で、全てのニューロンに共通する正常値を示してはいない。

上の模式は同じ膜部分の外側を左、内側を右に示す。外側を相対測定の基準0とし、内側の電位が外側より低い前の記録を−70とする。中央の二本線は細胞膜、二つの点を結ぶ細線は電位差を読む位置の対応で、物質移動の矢印ではない。下の縦軸は膜電位をミリボルトで比べる比例した数値軸。目盛の間隔は数値の差に比例し、0から−50までの間隔は−50から−70までの2.5倍である。正式しずくまめの同じ画像を、前は−70、後は−50の高さに置き、前後の目印を横に分け、上向きの矢印で高くなる変化を示す。横位置は電位ではなく前後の区別で、高さが電位を表す。まめは同じ記録の目印役で、実際に膜内を動く物体やイオンではない。内側−外側の同じ基準では−50は−70より高く、まだ負の値でも電位は上がる。これらの値は負の静止値から始める読み方の模型で、全ニューロンの正常値や細胞内液全体の電荷を示さない。 — 内側−外側の同じ基準で、外側を0として比べます。しずくまめは同じ記録の目印役で、横位置は前後の区別、高さが電位です。負の静止値から−70→−50となる模型で、全ニューロンの正常値ではありません。位置や面積も電荷の分布を表しません。

4. イオンには二つの駆動がある

イオンは電荷を持つ粒子で、Na⁺やK⁺は正の電荷を持つ。開いた通路を通る受動的な移動には、濃度差による働きと電位差による働きが両方関わる。濃度による働きはそのイオンの高濃度側から低濃度側へ向かい、正のイオンは電気的には低い電位側へ引かれる。負のイオンでは電気的な向きが逆になる。二つの働きが反対なら、向きだけでは正味の移動を決められない。どちらが強いかを確かめる必要がある。イオンが通れない膜では、駆動があってもそのイオンはその経路を通過しない。

同じ正の電荷を持つイオンについて、外側を左、内側を右にした膜の模型。中央にはこのイオンが通れる開いた通路がある。外側はこのイオンの低濃度かつ高い電位、内側は高濃度かつ低い電位という指定条件である。丸印は指定イオンの濃度を比べるための模式で、液全体の電荷を表さず、他のイオンは省略している。下の実線矢印は濃度差による内側から外側への働き、破線矢印は正のイオンが電気的に低い電位の内側へ向かう働きである。矢印はそれぞれの向きだけを示す。線の長さ・太さは力や移動量を表さず、同じ長さでも相殺を意味しない。二つの強さが未提示なので、正味の移動方向は確定しないと図内にも明記する。負のイオンや閉じた通路へこの条件をそのまま広げる図ではない。 — 正のイオンが通れる模型です。実線は濃度差、破線は電位差による向きで、矢印の長さは強さを示しません。強さが未提示なので、反対向きというだけでは正味方向は決まりません。他のイオンは省略しています。

5. 静止していても維持は続く

入力などによる一過性の電位変化と分けた、細胞が静止状態にあるときの膜電位を静止膜電位という。典型的な正常ニューロンでは、Na⁺は外側、K⁺は内側に多く、静止時にはK⁺を通す性質が大きく関わる。膜がイオンを選んで通す性質と、内外のイオン分布が組み合わさって電位差が生じる。全ての細胞で同じ透過性や値になるわけではない。負の膜電位を支える電荷の偏りは主に膜の近くにあり、細胞内外の液全体はほぼ電気的に中性に保たれる。電位が安定しているだけで、全てのイオン移動や維持作用が停止しているとはいえない。

6. 通路の開閉と分布の維持

チャネルは膜のイオン通路で、開閉によって受動的な通過を変える。開いた後の向きは、そのイオンの電気化学的な駆動にもよる。一方、Na⁺/K⁺ポンプはATPを使い、Na⁺を外へ、K⁺を内へ運んで分布を維持する。ATPはこの輸送に使われるエネルギーの受渡しに関わる分子である。典型的な軸索の短い活動電位では、ごく一部のイオンの移動で電位が変わる。すぐに負の電位へ戻る再分極と、ポンプによる長い時間の分布の維持を同じ段階にしない。ポンプ自体も電位に寄与し得るが、毎回の再分極を全てポンプだけで説明するものではない。

7. 刺激の入口と局所の変化

光や変形などの刺激を受容器で電気的な変化へ変える過程を感覚変換という。受容器は刺激を受け取る部分、受容器電位はそこで生じる段階的な電位変化である。別のニューロンから入力を受けた膜にも、段階的なシナプス後電位が生じる。これらの大きさは入力や状態により変わり得る。一つの軸索膜で起きる活動電位とは別の段階なので、受容器の変化が二倍でも、一回の活動電位のピークまで二倍になるとは限らない。刺激を受ける全ての細胞が必ず脱分極するわけでもない。

8. 入力は時間と場所で重なる

短い間隔で同じ入力が続き、前の変化が残るうちに次が加わるのが時間的加重である。別々の場所からの入力が重なるのが空間的加重。多くの中枢ニューロンでは、これらが軸索起始部での活動電位の開始に関わる。興奮性の入力は発火しやすくする側、抑制性の入力は発火しにくくする側に働く。抑制性をいつも過分極という数値方向へ固定せず、他の入力や膜の状態を合わせて見る。

9. 閾値と一回の活動電位

活動電位の開始に必要な条件の境目を閾値という。同じ状態の一つの軸索で、その条件を満たすと活動電位が生じる。閾値未満の段階的な変化を、小さな活動電位と呼ぶわけではない。発火できる同じ状態では、一回の活動電位の大きさはほぼ一定で、この性質を全か無かという。閾値やピークの数値を、全ニューロンや全状態へ共通の値として使わない。

10. 典型的な軸索の上昇と戻り

ここではNa⁺に依存する典型的な軸索の活動電位を考える。電位の変化でNa⁺チャネルが開き、Na⁺の内向き電流が脱分極を進める。その後、Na⁺チャネルは不活性化して通しにくくなり、K⁺の外向き電流などによって電位が静止値へ戻る側に向かう。Na⁺チャネルの状態変化、K⁺の通過、Na⁺/K⁺ポンプの輸送は別の働きである。心臓の細胞など、別の細胞の全ての段階までこの軸索の説明にまとめない。

一つの膜部分の電位を、時間が進む順に記録する模型。縦軸は膜電位をミリボルト、横軸は時間をミリ秒で示す。縦の0から−70まで210、0から＋30まで90の比例した間隔であり、横の0・2・4も等間隔である。破線は例の静止値−70を読むための基準。太い曲線は初めその値にあり、上昇して正の側まで達する例を描き、その後に静止値へ戻る向きへ下がり、一時的に基準より負となってから戻る。曲線の一回の高さ・時刻・長さは読み方の模型で、全ニューロンの正常波形・固定ピーク・固定持続時間ではない。横軸は軸索上の場所ではなく同じ膜部分の時間で、線が軸索の物理的な形やイオン一粒の道を描くものではない。再分極と過分極の区別は静止値と経過を見て読む。 — 縦は電位、横は一つの膜部分の時間です。静止値への戻りと、それより負になる部分を基準と経過から読みます。数値・波形・時刻は説明用の例で、正常値や全細胞の共通波形ではありません。軸索の場所を並べる図と区別します。

11. ピークと発火の並びを分ける

一回のピークが同じでも、一定時間に何回発火したか、どの時刻に発火したかは違い得る。単位時間当たりの発火回数が発火頻度である。同じ長さの記録で6回と12回なら頻度が違うが、それだけで刺激の種類や原因が唯一に決まるわけではない。ピーク・回数・時刻を、それぞれの記録として読む。

12. 次の発火までの回復

チャネルが閉じている状態と、不活性化してすぐには開けない状態は違う。典型的なNa⁺依存性の軸索では、必要なNa⁺チャネルが十分に回復していない間、同じ膜部分は通常の刺激を強めても再発火できない。この期間を絶対不応期という。回復が進んでも、残るK⁺の通過などによって普段より強い入力が必要となる期間が相対不応期である。一回のピークが終わったことと、全ての状態の回復は同じではない。

13. 波が進む場所とイオンの移動

一つの場所の電位変化は、隣の膜へ局所的な電気的影響を与える。そこで必要なチャネルが働けば、その場所でも活動電位が再生される。この繰返しで軸索を伝わるので、一つのイオンが軸索の端から端まで走ることを表してはいない。通常の開始部位から先へ伝わる流れと、途中の膜を人工的に刺激する場合を分ける。途中の刺激では両側が発火できる条件なら両方向へ伝わり得る。隣へ影響が届いても、その部分の必要なチャネルが回復していなければ再生は保証されない。

髄鞘を省略した連続した軸索の、隣り合う二つの膜部分を二つの時刻で比較する。場所は両コマで固定し、手前のまるまめと隣のそらまめは、それぞれの膜部分の反応役として同じ位置に描く。前の時刻では手前に二重の活動枠と発生の表示があり、隣は未発火とする。破線の矢印は手前から隣へ届く電気的な影響で、イオン一粒が全長を走る道ではない。次の時刻では隣のそらまめに二重枠と再生の表示が現れる。前の場所の後の状態は図では省略する。隣の膜が必要なチャネルを使える状態で、開始に必要な閾値へ達するという模型条件で再生を示す。各場所で局所のイオン移動は起きるが、同じ一粒の長旅とは分ける。まめは実際の細胞やイオンでなく膜部分の反応役である。通常の開始部位からの一例で、途中の人工刺激の全方向や全神経の伝導条件を示さない。 — 同じ連続した軸索の二つの膜部分を、前と次の時刻で見ます。まめは膜部分の反応役です。隣が必要なチャネルを使える状態で閾値に達する模型で、局所のイオン移動はあります。髄鞘と前の場所の後の状態は省略しています。

14. 髄鞘の下と絞輪

髄鞘は軸索を覆う構造で、覆われない短い間隔をランヴィエ絞輪という。有髄軸索では髄鞘下へ電気的影響が受動的に広がり、次の絞輪で活動電位が再生される。この伝導を跳躍伝導と呼ぶ。軸索が切れていたり、信号が細胞外を飛んだりする意味ではない。髄鞘は漏れを減らすなどして伝導に役立つが、髄鞘下の変化を完全なゼロにはしない。髄鞘がない軸索も存在し、髄鞘の有無だけで神経細胞の有無や全ての速度差を決めない。

15. 電気的な到着から化学的な連絡へ

シナプスは細胞間の連絡部位である。典型的な化学シナプスでは、活動電位が軸索終末へ届き、電位依存性Ca²⁺チャネルからCa²⁺が入る。Ca²⁺はカルシウムイオンで、この流入が小胞の放出を促す。小胞は膜で囲まれた区画で、放出された伝達物質が細胞外のシナプス間隙を介して受け手の受容体へ届く。軸索の上昇に関わるNa⁺と、終末の放出に関わるCa²⁺を入れ替えない。化学シナプスの間隙は二細胞の細胞質の連続ではなく、全てのシナプスがこの方式という意味でもない。

16. 受容体は受け取り方を変える

伝達物質が結合する相手が受容体で、受容体に結合する分子をリガンドという。イオンチャネル型受容体では結合が通路の開閉へ結びつく。別の方式では、Gタンパク質などの細胞内の中継を介して働く。Gタンパク質は受容体から別の分子へ情報をつなぐタンパク質の一種である。受容体やイオンの条件が違えば、同じ伝達物質でも受け手の作用は変わり得る。膜の外側での結合から細胞内へ情報が伝わることは、伝達物質そのものが細胞内へ入ることとは別である。

典型的な活動電位に伴う化学シナプスの位置と段階を、上下に広げた模型。図の起点はナトリウム依存性の典型的な軸索とラベルで指定し、終末のカルシウムと分ける。上の破線矢印は活動電位が軸索終末へ到着する関係を示し、イオン一粒の長距離移動ではない。終末の外側から上の膜の通路を通って内側へ向かう実線矢印は、カルシウムイオンの流入。軸索の立ち上がりに関わるナトリウムとは別である。終末内の閉じた円は「放出前の小胞」と図内でも名前を示し、丸印が伝達物質の内容物。下の終末膜のくぼみは小胞膜が前の細胞膜とつながる放出時の形を示す。前の形と放出時を同じ図に並べ、短い破線の矢印で段階を結んでいる。丸印の内容物は膜の外側のすき間へ出て、実線の下向き矢印は内容物が受け手側へ届く経路を示す。小胞全体が受け手へ渡る図ではない。すき間は二つの細胞の外側で、下には別の細胞の膜と内部がある。受容体の結合部分は下の細胞膜の外側にあり、丸印が膜の外側にある結合部分に接触して結合を示す。受け手の細胞内へ伝達物質が入る矢印は描かない。結合後に必ず発火することや、全てのシナプスがこの方式であることは示さない。距離・粒の数・時刻・通路の大きさは模式で、体積比や測定量ではない。 — ナトリウムに依存する典型的な軸索の例です。活動電位の到着、終末へのカルシウム流入、小胞の内容物の放出、膜の外側での受容を分けています。閉じた小胞は放出前、下のくぼみは放出時の膜の形です。すき間を広げた模式で、受け手の内部へ物質が入る矢印ではありません。全シナプスや必ず発火する反応へ一般化しません。

17. どの段階を記録したか

放出された量、受容体への結合、局所の電位変化、軸索の出力は別の段階である。放出や結合だけを見て、全ての下流応答が成功したとはいえない。局所入力があっても、開始部位での条件を満たさなければ活動電位は生じない。どの段階が保たれ、どの記録がまだないかを分けて読む。同じ伝達物質の名前だけで、全ての受け手を興奮性または抑制性へ固定しない。

18. 情報が届くことと制御が閉じること

神経細胞から別の細胞へ情報が届く経路は、制御回路の一部になり得る。しかし、それだけで恒常性の調節が完成したとはいえない。対象の状態を検出し、応答が状態へ働き、変わった状態が再び検出される戻りを確かめる必要がある。一つの伝達経路の記録から、全ての制御が正常、原因が唯一、状態が必ず元に戻るとは断定しない。

用語を確かめる

ニューロン: 神経細胞。入力を受け、他の細胞へ情報を伝える働きを持つ。
細胞体: ニューロンの核などを含む部分。典型的なニューロンでは入力も受ける。
樹状突起: 典型的なニューロンで入力を受ける部位の一つである、枝分かれした突起。
軸索: ニューロンから離れた部位へ情報を伝える突起。
膜電位: 細胞膜を挟む電位差。この単元では内側の電位−外側の電位で表す。
mV: ミリボルト。電位差の単位で、1 mV=0.001 V。
電流: 単位時間当たりの電荷の移動を表す量。電位差そのものとは別。
脱分極: 負の静止値から膜電位がより高くなる向きの変化。正の値に達することが必須ではない。
再分極: 脱分極した後、膜電位が静止値へ戻る向きの変化。
過分極: 負の静止値よりも、膜電位がさらに負になる変化。
電気化学的勾配: イオンに働く濃度差と電位差を合わせた駆動の条件。
選択的透過性: 膜が物質やイオンの種類により通しやすさを変える性質。
静止膜電位: 細胞が静止状態にあるときの膜電位。入力などによる一過性の変化と区別し、全てのイオン移動や維持作用の停止を意味しない。
イオンチャネル: イオンが通過する膜の通路。開閉状態と駆動の条件が通過に関わる。
Na⁺/K⁺ポンプ: ATPを使いNa⁺を細胞外へ、K⁺を細胞内へ運び、その分布を維持する輸送タンパク質。
感覚変換: 受容器で刺激を電気的な変化へ変える過程。
受容器電位: 刺激により受容器に生じる段階的な電位変化。
シナプス後電位: シナプスの受け手の膜に生じる局所の段階的な電位変化。
時間的加重: 前の入力の変化が残るうちに次の入力が加わること。
空間的加重: 別々の場所からの入力が重なること。
閾値: 活動電位の開始に必要な条件の境目。
活動電位: 興奮する膜で生じ、伝導中に再生される一過性の電位変化。
全か無か: 同じ状態の一つの軸索で、発火条件を満たすと一回の活動電位がほぼ一定の大きさで生じる性質。
発火頻度: 単位時間当たりの活動電位の発生回数。
不活性化: 典型的な電位依存性Na⁺チャネルが、回復するまですぐには開けない状態へ移ること。単に閉じた回復済みの状態とは別。
絶対不応期: 同じ膜部分で必要なチャネルが回復せず、通常の刺激を強めても再発火できない期間。
相対不応期: 回復が進んでも、普段より強い入力が必要となり得る期間。
髄鞘: 軸索を覆い、電気的な漏れを減らすなどして伝導に役立つ構造。
ランヴィエ絞輪: 有髄軸索の髄鞘で覆われない短い間隔。
跳躍伝導: 有髄軸索で髄鞘下の受動的な広がりと、絞輪での活動電位の再生をつなぐ伝導。
化学シナプス: 伝達物質を介して細胞間を連絡するシナプス。
シナプス間隙: 化学シナプスの送り手と受け手の間の細胞外の区間。
Ca²⁺: カルシウムイオン。典型的な化学シナプスでは終末への流入が活動電位に伴う小胞放出を促す。
受容体: シグナル分子を受け取り、細胞の応答へつなぐ分子。結合だけで全ての下流応答は保証されない。
リガンド: 受容体に結合する分子。
抑制性の入力: 他の入力や細胞状態と合わせたときに、活動電位を生じにくくする側へ働く入力。いつも過分極を起こすとは限らない。