統合生理学実習レポート
�T．神経線維の興奮伝導（活動電位）

実施日　平成１４年１０月２２日（火）

実験１
１． 目的
カエルの坐骨神経から複合活動電位を記録し、その性質を調べることによって神経線維の興奮伝達について考察する。実験１では種々の条件下での閾値、極大刺激、および極大波形を観察し、神経線維の興奮伝導のメカニズムと記録方法を理解する。

２． 方法
取り出された食用カエルの座骨神経を用いて、それが乾燥しないようにリンガー液を時々かけながら実験を行った。
（１）刺激電極を２（＋）、３（−）、記録電極を８（＋）、７（−）とし、閾値刺激、および極大刺激の大きさと極大波形を記録保存した。閾値は、アイソレーター出力を徐々に上げていき、活動電位が出現した刺激強度、極大刺激は活動電位の振幅が最大となる刺激強度の最小値であり、極大波形はその時の波形である。（これはコンピューターで記録）
（２）刺激電極を２（＋）、３（−）、記録電極を７（＋）、８（−）とし、閾値刺激、および極大刺激の大きさと極大波形を記録保存して（１）の結果と比較した。
（３）刺激電極を２（＋）、３（−）、記録電極を８（＋）、５（−）とし、閾値刺激、および極大刺激の大きさと極大波形を記録保存して（１）の結果と比較した。
（４）刺激電極を２（＋）、３（−）、記録電極を９（＋）、８（−）とし、閾値刺激、および極大刺激の大きさと極大波形を記録保存して（１）の結果と比較した。
（５）刺激電極を２（＋）、３（−）、記録電極を８（＋）、７（−）とし、記録電極間をRinger液に浸したタコ糸で短絡してから、閾値刺激、および極大刺激の大きさと極大波形を記録保存して（１）の結果と比較した。
（６）刺激電極を２（＋）、３（−）、記録電極を８（＋）、７（−）とし、刺激電極間をRinger液に浸したタコ糸で短絡してから、閾値刺激、および極大刺激の大きさと極大波形を記録保存して（１）の結果と比較した。
（７）刺激電極を８（＋）、７（−）、記録電極を２（＋）、３（−）とし、閾値刺激、および極大刺激の大きさと極大波形を記録保存して（１）の結果と比較した。
（８）刺激電極、記録電極を（１）と同じにした上で、閾値刺激を与えた時の刺激電極間の電圧をオシロスコープで測定しV1とした。次に、アイソレーターの出力に10kΩの抵抗を入れ、この時の刺激電極間の電圧を再びオシロスコープで測定し（V2）、刺激電極間の神経の抵抗を求めた。

３． 結果
　極大波形については省略。（縦軸の電圧は200倍に増幅されたものである。）閾値、極大刺激は以下のようになった。

４．考察・設問
�@実験（１）において、活動電位の大きさが刺激の大きさによって変化するのはなぜか。この事実は、「全か無かの法則」に矛盾しないか。
実験（１）の結果は「全か無かの法則」に矛盾しない。１本の神経線維について考えると、「全か無かの法則」に従い、閾値より小さい刺激に対しては全く活動電位を発生せず、閾値以上の刺激に対しては（刺激がそれより大きくなっても）一定の大きさの活動電位が発生する。
しかし、座骨神経は多くの神経線維の集合である。実験２の考察・設問�Aで詳述するが、神経線維の中には様々な閾値を持つものがあり、また、刺激の大きさも閾値も同じであっても、神経線維の位置（刺激電極から近いか、遠いか）によっても、受ける刺激の大きさは変化し、活動電位が発生したり、発生しなかったりする。
つまり、活動電位の大きさが刺激の大きさによって変化するのは、神経の中の線維に活動電位を発するものと、発しないものとがあり、活動電位を発する神経線維の数が変化するためであって、「全か無かの法則」に矛盾が生じるためではない。

�A神経線維の興奮伝導の機序を、局所に流れた電流を図示して説明せよ。さらに、興奮伝導を神経線維の等価回路を用いてケーブル理論で説明し、空間定数、外部抵抗、神経膜抵抗、および神経線維の直径と伝導速度との関係を考察せよ。
　興奮部の細胞内はナトリウムイオンの流入により脱分極する。細胞内では興奮部（脱分極部）から未興奮部（未脱分極部）へと電流が流入し、細胞外液中では逆向きの電流が流れる。このように興奮部位の境目では回路（局所回路）が形成され、局所電流が流れる。すると、興奮部位に隣接する未興奮部位は局所電流によって次第に脱分極し、やがて閾値に達して活動電位を発生する。この繰り返しにより、活動電位（興奮部位）は両側性に伝達していく。ただし、一度興奮した部位はしばらく不応期となるため、新しく興奮した部位からその前に興奮していた部位に興奮が戻ることはない。

　神経膜は抵抗とコンデンサーとの組み合わせが並列に並んだ回路と等価であると見なせるので、オームの法則には従わない。（コンデンサーの影響）これを補正した式が、Vt=IR｛1-e^(t/τ)｝であり、τは時定数と呼ばれる。τ＝Rm×Cmである。（Rmは単位面積あたりの膜抵抗、Cmは単位面積あたりの膜容量）τが小さいと、神経線維は脱分極しやすい。
　また、はじめに発生した電圧をＶoとすると、Vx=Vo｛1-e^(-x/λ)｝という関係が成り立つ。（ｘはVoの発生した場所からの距離）λ＝√｛rm/(ri+ro)｝（rm,ri,roはそれぞれ、単位長さあたりの膜抵抗、内部抵抗、外部抵抗）であり、λは空間定数と呼ばれる。内部抵抗≫外部抵抗であることから、λ≒√（rm/ri）である。λが大きいと、より遠くまで高い電位が伝わることを意味し、伝導速度は大きい。
　実験２の考察・設問�Aにも詳述。

�B実験（１）における２相性の活動電位の成因について、記録電極から見た神経表面の電位の変化と、作動アンプの性質から説明せよ。
作動アンプでは、陰極へ入った刺激は反転増幅される。
興奮部が陰極（記録電極の）に達すると、陽極（細胞外液中。細胞外液は正に帯電）と陰極（細胞外液は負に帯電）との間に正の電位差が生じるため、まず上向きに第一相が観察される。続いて興奮部位が陰陽両方の電極にかかると電位差は一度消失し、陽極のみにかかると逆に負の電位差が生じて（つまり陰極への刺激）下向きの第二層が観察されるのである。

�C�Bを参考にして、実験（２）〜（４）と実験（１）との相違を、それぞれ説明せよ。
（２）では、記録電極の陽極、陰極を反転させたため、波形は、大きさはそのまま、正負が反転して表れている。（３）では、記録電極の陽極、陰極が離されるため、やや波形の幅が広くなる。その影響で、正の要素と負の要素が相殺する部分が減り、波の高さも大きくなっている。また（４）では、記録電極の陽極を神経ではなく糸にかけている。糸には活動電位が伝わらないため、波形は正の部分のみとなり、また相殺もないので、波が大きくなっている。それでもわずかに負の波形が観察されたのは、糸（上のRinger液を電流が流れる）に活動電位による電位変化が伝わったためではないかと考えられる。

�D実験（５）および実験（６）について、電極間をタコ糸で短絡した時の活動電位の大きさの相違を等価回路を用いて説明せよ。また、活動電位を大きく記録するためにはどのようにしたらよいか考察せよ。
　実験（５）において、記録電極間をタコ糸で短絡すると、記録電極における抵抗が減少する。流れる電流は変化しないため、オームの法則V=IRに従い、電圧も降下する。すなわち、記録される波形は振幅が小さくなるはずである。今回の実験では、わずかに振幅が減少したものの、ほとんど変化は見られなかった。実験（１）で極大刺激を過小に測定してしまってその影響が表れた可能性がある。
　実験（６）において、刺激回路では記録される波形が極大となるまで刺激を増やして測定するのだから、刺激電極間をタコ糸で連絡しても、記録される波形に変化はないはずである。この場合変化するのは、刺激に要する電流量である。今回の実験では、振幅の増加が観察された。これは、（５）と同じく、実験（１）の極大刺激を過小測定した、と仮定すれば説明が付く。
　活動電位を大きく記録するためには、実験（５）の考察で述べたとおり、抵抗を増やせばよい。それによる電流減少が起こらない程度で、細胞にも悪影響を与えない方法としては、Ringer液をかけた上から、覆うようにワセリンなどの脂質で囲む、という手段が考えられる。

�E実験（７）（逆行性興奮）について、活動電位の大きさが変化する理由を、下図を参考にして、等価回路で説明せよ。
　簡単のために、１０本の神経線維からなる神経で実験を行ったと仮定する。この神経は中枢よりでは１０本がまとまっているが、末梢よりでは何度かの分岐を経て、神経線維が５本になっているものとする。
　中枢よりに極大刺激を与えた場合、１０本の神経線維が全て興奮し、記録電極のある末梢よりの神経線維も５本全てが興奮し、これらの繊維の活動電流の総和が記録される。
　一方で、末梢よりに極大刺激を与えた場合、５本の神経線維が全て興奮し、記録電極のある中枢よりの神経線維のうち５本が興奮し、これらの線維の活動電流の総和が記録される。
　どちらも同じ５本であるから、活動電流は変わらない。しかし、記録電極のある位置の神経が細い場合（末梢より、５本中５本興奮）のほうが、その位置の神経が太い場合（中枢より、５本中５本）の方が、抵抗が大きく、オームの法則（Ｖ＝ＩＲ）により電圧が大きくなる。

�F実験（８）から刺激電極間の抵抗値を求める式を考え、その値を用いて、実験（１）の極大刺激における刺激電圧、活動電位の大きさから刺激電流、および活動電流を求めよ。
　刺激電極間の抵抗をr、流れる電流をiとすると、オームの法則から、以下の２式が成立する。
　V1=(10+r)i
　V2=ri
　よって、この２式からiを消去すると、r=10×V2/(V1-V2)となる。これを用いれば、実験（８）の結果（V1=0.085、V2=0.040）から、この区間の神経の抵抗は8.9kΩと算出された。
　これと実験（１）の値を用いると、刺激電流、活動電流は以下のように求められる。
刺激電流：0.085/8900＝0.00000955（Ａ）＝9.6（μＡ）
活動電流：0.30/8900＝0.0000337（Ａ）＝34（μＡ）

�G細胞内記録法によって知られている単一有髄神経線維の活動電位の大きさを調べ、本実験における活動電位の大きさと比較し、大きさの一致しない理由を考察せよ。
　単一有髄神経線維の活動電位の大きさ　90〜140mV
　本実験における活動電位の大きさ　　　4.8mV
　今回の実験では細胞外記録法をとったため、測定された活動電位には、リンガー液の抵抗も影響を与えている。（リンガー液によって全体の抵抗が下がり、活動電位の大きさも小さくなる。）

実験２
１． 目的
実験２では神経線維の伝導速度がいくつかの群に分けられることを観察し、その機能的意義を考える。

２． 方法
（１）刺激電極を２（＋）、３（−）、記録電極を９（＋）、４（−）に設定した。
（２）神経線維に刺激時間100μsecの短形波を次第に大きくした際の活動電位の波形を記録した。
（３）閾値以上の刺激で、活動電位にこぶが出現するのを観察する。刺激電極と記録電極との距離、刺激アーチファクトから各こぶの立ち上がり、およびピーク部分までの時間、各こぶの閾値などを記録した。刺激を非常に大きくし、オシロスコープの掃引速度を遅くするとC線維によるこぶが観察された。
（４）記録電極を９と５、９と６と、次第に刺激電極から遠ざけて、同様の観察を行った。
（５）以上の実験データから、刺激電極と記録電極との距離をＸ軸に、刺激からのそれぞれのこぶの立ち上がりおよびピークまでの時間をＹ軸にプロットして、その傾きからそれぞれのこぶの伝導速度を計算した。

３．結果
得られた結果について、グラフは省略。ここでは、ピークの見られた時間を表として示す。

　以上のデータについてのグラフは省略。
　グラフ上で、各直線の傾きの逆数が各成分の伝導速度である。
　ピーク１（Ａβ線維）…傾きは最小二乗法により、0.29（ms/cm）。よって伝導速度は3.5（cm/ms）＝35（m/s）
　ピーク２（Ａγ線維）…傾きは0.30（ms/cm）。よって伝導速度は3.3（cm/ms）33（m/s）
　ピーク３（Ｃ線維）　…１カ所しかデータが取れず、速度を求められなかった。
　Ａβ線維は30〜70（m/s）、Ａγ線維は15〜30（m/s）であることから、求めた数値は概ね納得のいくものであった。

４．考察・設問
�@神経線維の直径、伝導速度とその神経線維群の機能との関連を調べよ。
　伝導速度は神経線維の太さに依存しており（太いほど伝導速度は大きい）、髄鞘の有無によっても大きく異なる。
　脊椎動物の神経線維は髄鞘の厚いＡ、薄いＢ、無髄のＣという３種類に大別でき、Ｂ群は自律神経の節前線維であるので、普通の末梢神経はＡ群とＣ群からなる。Ａ線維はさらに直径、伝導速度により、α、β、γ、δに分類される。直径、伝導速度は、α＞β＞γ＞δとなっている。また、Ｃ群は直径、伝導速度共にＡ、Ｂ群より小さい。

�A神経線維の伝導速度と、神経線維の太さ、膜容量、膜抵抗、および内部抵抗との間には、どのような関係があるか。時定数、および空間定数から考察せよ。
　空間定数（λ）＝√｛rm/(ri+ro)｝（rm,ri,roはそれぞれ、単位長さあたりの膜抵抗、内部抵抗、外部抵抗）であり、内部抵抗≫外部抵抗であることから、λ≒√（rm/ri）である。さらに、単位面積あたりの膜抵抗、内部抵抗をそれぞれ、Rm、Riとすると、rm=Rm/2πa（Ω･cm）、ri=Ri/πa^2（Ω/cm）であるから、（ａは線維の半径）これらの式を用いて、λ＝√（aRm/2Ri）となる。つまり、λは神経線維が太ければ太いほど大きくなる。ここで、時定数（τ）＝Rm×Cm（Cmは単位面積あたりの膜容量）だから、Rm が大きいとτが大きく、脱分極までの時間が大きく、伝導速度が遅い。また、実験１の考察・設問�Aより、λが大きいと伝導速度は速い。ゆえに、伝導速度はλに比例し、τに反比例する。

�B持続の短い刺激では、なぜ太い線維が閾値が低いのか。
　等価回路を考えた際に、太い繊維は、抵抗が並列に負荷される形となり、より抵抗が小さくなる。すると、短時間の刺激であっても大きな電流が流れ、（実験１の考察・設問�Aを参照）閾値が低くなるのではないかと考えられる。

�CＣ線維の活動電位が小さいのはなぜか。考察せよ。
　この設問は�Dとほぼ同じであるので、一緒に述べる。

�DＣ線維の活動電位が小さいのは、Ｃ線維の数が少ないのか、単一Ｃ線維の活動が小さいのか、あるいはＣ線維の活動電流が小さいのか、考察せよ。
Ｃ線維は１本１本が細いために、表面積が小さく、内部抵抗が大きい。（�Bで述べた太い繊維の逆）そのために活動電流が小さく、活動電位も小さい。

実験３
１． 目的
　実験３では短形波刺激による興奮のメカニズムを考察し、刺激条件によって陰極および陽極でそれぞれ活動電位が発生すること（極興奮の法則）を確認、その機序を理解する。

２． 方法
（１）刺激電極を３（＋）、４（−）、記録電極を８（＋）、７（−）とし、刺激の持続時間を6~10msecにして、刺激強度を上げていくと活動電位が刺激中（on response）、および刺激後（off response）に発生した。これをコンピューターに記録、保存した。
（２）刺激電極の極性を入れ替え、４（＋）、３（−）として（１）と同様の実験を行い、記録、保存した。
（３）刺激電極の極性を（１）と同じ状態に戻し、刺激電極間の神経をピンセットで強くつまみ、つまんだ部位より左側で発生した活動電位が記録電極に到達するのをブロックすると、実験（１）で観察された波形のうち、一方が消えることが確認された。これも、記録、保存を行った。
（４）刺激電極の極性を入れ替え、４（＋）、３（−）として（３）と同様の観察を行い、記録保存した。（ピンセットを外しても興奮伝達はブロックされる。）

３．結果
　得られた結果のグラフは省略。

４．考察・設問
�@本実験によって、on responseおよびoff responseが、それぞれ陰極および陽極のどちらで発生したと言えるか。
　陽極側の興奮が伝わらない（３）でoff responseが消え、陰極側の興奮が伝わらない（４）でon responseが消えたことから、on responseは陰極で、off responseは陽極でそれぞれ発生したと考えられる。このことから、このことから、on responseは陰極開放興奮、off responseは陽極開放興奮と呼ばれる。

�A下図は刺激電極における刺激電流の方向を示したものである。これを参考にして、陰極および陽極における膜電位の変化を図示し、それぞれの極における活動電位の発生機序を説明せよ。
　電極に電流が流れると、陰極側では外向きの電流が、陽極側では内向きの電流が流れる。これは、陰極では低電位側から高電位側への電流であるので、脱分極が起こる。反対の陽極では過分極である。短い刺激の場合では、陰極での脱分極による、活動電位のみが記録される。しかし長い刺激の場合、陰極側では長時間か分極が起き続けることになる。これにより、ナトリウムイオンチャネルの不活性化の抑制や、カリウムイオンチャネルの不活性化（いずれも脱分極を促す変化である）が起きる。この状態で刺激が止められると、これまで過分極を促していた電流はすぐに止まるが、脱分極を促すイオンチャネルの変化はすぐには止まらない。そのため、刺激を止めると一気に脱分極が起こり、膜電位が閾値に達して活動電位が生じるのである。

参考文献　生理学テキスト（大地陸男著、文光堂）
　　　　　標準生理学（本郷利憲ら編集、医学書院）

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