神経インパルス（活動電位）とは｜ニューロンの仕組みとナトリウム・カリウムの役割

神経インパルスは、神経細胞（ニューロン）が互いに通信する方法である。神経インパルスは、ほとんどが樹状突起に沿った電気信号で、神経インパルスまたは活動電位を発生させる。

活動電位は、イオンの細胞内外への移動の結果である。具体的には、カリウムイオン (K⁺ ) とナトリウムイオン (Na⁺ ) が関与しています。イオンは、カリウムチャネル、ナトリウムチャネル、ナトリウム-カリウムポンプによって、細胞内と細胞外に移動されます。

静止膜電位とイオン勾配

ニューロンは通常、膜内が膜外よりも負の電位を持つ静止膜電位を維持しています。典型的には約 -70 mV 前後です。この静止状態は、次の要因で作られます。

• 細胞内外のNa⁺とK⁺の濃度差（Na⁺は細胞外で高く、K⁺は細胞内で高い）。
• 選択的にイオンを通すチャネル（特にK⁺リークチャネル）により、K⁺が膜外へ拡散することで膜内が負に保たれる。
• エネルギー依存性のナトリウム-カリウムポンプ（Na⁺/K⁺-ATPアーゼ）が、3個のNa⁺を細胞外へ、2個のK⁺を細胞内へ能動輸送してイオン勾配を維持する（ATPを消費）。

活動電位の生成過程（段階的な流れ）

活動電位は通常、樹状突起や細胞体で複数のシグナル（興奮性および抑制性）が総和され、閾値を超えたときに軸索起始部で発生します。主な段階は次の通りです。

• 閾値到達：膜電位が約 -55 mV 程度の閾値に達すると、電位依存性ナトリウムチャネルが急速に開く。
• 脱分極：Na⁺が急速に細胞内へ流入し、膜電位が急速に陽性側へ変化する（ピークは約 +30 mV 程度）。
• 再分極：ナトリウムチャネルが不活性化し、同時に電位依存性カリウムチャネルが開いてK⁺が細胞外へ流出することで膜電位が元に戻る。
• 過分極（ハイパーポーラリゼーション）：一時的に膜電位が静止値よりもさらに負になる（例： -80 mV 程度）。その後、ナトリウム-カリウムポンプやチャネルの挙動で静止膜電位へ回復する。

ナトリウムとカリウムの具体的な役割

• ナトリウム（Na⁺）：電位依存性ナトリウムチャネルが閾値で開き、Na⁺の急速な流入が脱分極の主要因となる。これにより活動電位の立ち上がりが起こる。
• カリウム（K⁺）：電位依存性カリウムチャネルは脱分極の後に開き、K⁺の流出によって再分極・過分極が起きる。K⁺の動きは活動電位の戻りを担う。
• ナトリウム-カリウムポンプ：短期的には活動電位の発火に直接必要ではないが、長期的にはイオン勾配を維持するため不可欠（3 Na⁺を細胞外へ、2 K⁺を細胞内へ輸送）。

伝導の仕組みと髄鞘化

活動電位は軸索に沿って隣接する膜領域を順に脱分極させることで伝わります。多くの脊椎動物のニューロンでは軸索が髄鞘で被われ、ランヴィエ絞輪（節）ごとに活動電位が跳躍するように伝わるため、伝導速度が大幅に速くなります（これを跳躍伝導（saltatory conduction）という）。

不応期と信号の一方向性

活動電位の直後には絶対不応期（ナトリウムチャネルが不活性化状態で再度発火できない）と、やや続いて相対不応期（強い刺激なら再発火しうる）が存在します。不応期のため、活動電位は通常一方向にのみ進行します。

情報処理の観点（樹状突起、シナプス）

入力は主に樹状突起や細胞体で受け取られ、興奮性・抑制性のシナプス電位が時間的・空間的に総和されます。十分な総和により閾値に達すると軸索起始部で活動電位が発生し、遠くの標的細胞へ情報が伝達されます。シナプスでは神経伝達物質が放出され、次のニューロンの受容体を介して電位変化を引き起こします。

臨床的・実用的な関連

• 局所麻酔薬（リドカインなど）は電位依存性ナトリウムチャネルを阻害して活動電位の発生を防ぎ、痛覚の伝達を遮断する。
• 電解質異常（特に血中のK⁺やNa⁺の異常）は神経や筋の興奮性に影響を与え、痙攣や心律異常を引き起こす可能性がある。
• 多発性硬化症のような髄鞘障害は伝導を遅らせたり停止させたりし、神経機能障害を招く。

まとめ

神経インパルス（活動電位）は、ナトリウムとカリウムの電位依存性チャネルとナトリウム-カリウムポンプが協調して働くことで発生・伝導される電気信号です。膜電位の変化（脱分極→再分極→過分極）と不応期、そして髄鞘化された軸索による伝導速度の向上が、正確で高速な情報伝達を可能にしています。

特別に高速な接続

より高速な電気シナプスは、逃避反射、脊椎動物の網膜、および心臓で使用されている。シナプスの隙間を横切って神経伝達物質がゆっくりと拡散する必要がないため、より高速に動作する。したがって、電気シナプスは、高速な反応とタイミングの調整が重要な場合に使用される。

このようなシナプスは、シナプス前細胞とシナプス後細胞を直接結びつけている。活動電位がこのようなシナプスに到達すると、イオン電流は2つの細胞膜を通過し、コネクソンと呼ばれる孔を通ってシナプス後細胞に入る。こうして、シナプス前細胞の活動電位はシナプス後細胞を直接刺激する。

興奮性細胞間の電気的シナプスは、化学的シナプスに比べてはるかに高速である

質問と回答

Q:神経インパルスとは何ですか?

Q:神経インパルスを発生させるのは、どのような細胞ですか?

Q:神経インパルスはどのように刺激に反応するのですか?

Q:神経インパルスはどのような種類の信号を発生させるのか?

Q:神経インパルスで発生した電気信号はどこを通過するのか?

Q:神経細胞には他の呼び名がありますか?

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