2018年 第20回 固有感覚、体性感覚の伝導路

 今回取り上げた固有感覚は、感覚として生じているのか否かがわかりにくく、なかなか実感が持てません。しかし、筋の収縮や弛緩、すなわち運動を考える上では避けて通れない感覚です。とりわけ筋紡錘と腱器官の機能は重要で、次章の「運動と姿勢の調節」では、運動調節機能の基本として、これらを受容器とする反射を取り上げます。

 同じくらいの分量の教科書でも、筋紡錘についてさらに詳しく説明しているものもありますが、授業では最低限必要な構造と機能について説明しました。少し詳しい説明をプリント287ページにつけているので、時間を作ってみておくようにしましょう。

 筋紡錘を構成する錐内筋、感覚神経はともに2種類ありますが、まずはそれぞれをひとまとめにして「錐外筋よりも直径の小さい錐内筋の中央にⅠa群感覚神経が巻き付いている」と理解しておきましょう。試験ではこのレベルまでを問うことにします。

 筋が収縮、弛緩する(=単純に、短縮、伸長すると考える)と、筋紡錘も一緒に収縮、弛緩しますが、このとき、Ⅰa群感覚神経には機械的な刺激が加わり、短縮すると刺激が弱まって興奮の頻度が低下しますが、伸長すると興奮の頻度が高くなります。興奮の頻度は筋の長さに比例すると考えることができ、筋紡錘は興奮(インパルス)の頻度によって筋の長さを伝えていると考えられます。

 一方、筋の長さの変化のしかたを考えると、長さが急激に変化すると興奮の頻度も急激に変化し、長さが変化する速度が小さいと興奮の頻度の変化も小さくなります。したがって、頻度の変化する速度が変わることによって、筋の長さが変化する速度を伝えていると考えるとわかりやすいでしょう。

 プリント290ページの図の説明ではややごまかしたようなところもありますが、筋長の変化と筋紡錘の反応性(Ⅰa群感覚神経の興奮の頻度)をよく比較しておきましょう。

 筋が収縮すると(ときには弛緩するときにも)その両端に連続する腱を引っ張ることになります。この結果、腱には張力がかかります。この張力を検知するのが腱器官です。構造をうまく表した図がないためわかりにくいですが、筋紡錘に当てはめると、錐内筋のかわりに膠原線維に感覚神経が巻き付いているような状態でしょうか。膠原線維には筋ほどには伸縮性がありませんが、張力がかかると構造的に変化が生じるはずです。これがⅠb群感覚神経に機械的な刺激を加えているのでしょう。

 体性感覚は表在感覚と深部感覚に分けられ、それらの感覚受容器はほぼ全身に分布しています。したがって、これら受容器が刺激を受けて生じた興奮が、中枢である大脳皮質へ伝えられるにはしかるべきルートが必要です。ほぼ全身の受容器から脊髄までは脊髄神経によって脊髄へ伝えられ、その後は後索路と脊髄視床路によって視床へ伝導(あるいは伝達)されます。顔面などの受容器からは三叉神経によって脳幹へ伝えられ、さらに視床へ伝えられていきます。これらのルートが「伝導路」で、受容器がどこにあるのか、その受容器がどのような刺激を適刺激とする受容器であるのかによって、脊髄内あるいは脳幹でのルートや興奮の伝達する部位が異なっています。

 上記の点を含めて、3つの伝導路には共通点と相違点がありますが、簡単に整理できると思います。是非まとめておきましょう。ポイントは、一次ニューロンと二次ニューロンの細胞体の存在部位=一次ニューロンと二次ニューロンとの間で興奮が伝達される部位、二次ニューロンが交叉する部位です。もちろん、脊髄内の伝導路は、どの受容器からのルートが脊髄のどこを通るのかをはっきりとさせておく必要があります。

 来週の授業では第7章を最後まで進みますが、その中では皮膚分節について触れます。表在感覚の受容器の存在部位と、そこが脊髄神経支配領域なのか三叉神経支配領域なのかを改めて確認しましょう。

2018年 第19回 表在感覚

 少し遅くなりましたが、先週の授業内容をまとめておきます。

 感覚機能は一般感覚から取り上げられることが多いようですが、名前の通り、感覚受容器が全身に広く分布しているからでしょう。表在感覚の受容器は、一様ではないにしろ、全身の皮膚に分布しています。

 授業で説明したように、受容器は主に真皮に存在していますが、その構造や反応性はそれぞれに特徴があります。特に触圧覚の受容器は、反応性の違いによってはっきりと分類されていますので、よく整理しておきましょう。

 触圧覚受容器の実体(受容体)は、圧迫や接触、振動などの機械的な刺激に反応して開放するイオンチャネルです。イオンチャネルは多くは樹状突起部分の細胞膜に存在し、刺激によって開放すると陽イオンが細胞外から細胞内へ流入して電位変化が生じます。

 温度覚受容器(受容体)は、温度変化によって開放するイオンチャネルです。侵害受容器(受容体)もそれぞれの適合刺激によって開放するイオンチャネルです。まだまだ詳細が不明なものも多いようですし、今後新たに発見されるものもあることでしょう。授業の最後で触れたように、ポリモーダルな反応をするイオンチャネルも多く、温度受容器や侵害受容器として機能しています。

 プリントの283ページには侵害受容器として機能するイオンチャネルを列挙しました。さまざまな性質を持ったイオンチャネルがあることが分かるでしょう。文中のTRPV4チャネルに関する説明の一部に誤字があるので訂正します。
「低浸透圧や圧などの機械的刺激、案や内因性の発痛物質に反応するほか」とあるのは「低浸透圧や圧などの機械的刺激、内因性の鎮痛物質に反応するほか」と訂正して下さい。これらの他にも、アラキドン酸という鎮痛物質の前駆体となる脂肪酸なその代謝産物にも反応するようですが、詳細は不勉強のため分かりません。

 ところで、「受容器」と「受容体」というよく似た二つの用語がありますが、この区別を簡単に説明します。「受容器」は刺激を受け入れる構造(複数の細胞によって構成される場合もあります)をさして用い、パチニ小体やルフィニ終末、自由神経終末などがそれにあたります。来週取り上げる筋紡錘なども受容器に含めて考えます。これに対して「受容体」は、刺激を受けて次につながる現象へとつなげていく分子(いずれもタンパク質であり、複合体として機能している場合もあります)を指します。つまり、ここで説明しているイオンチャネルや神経伝達物質の受容体などです。

 表在感覚の受容器である細胞レベルの構造からは、一部を除き直接神経線維が伸びています。触圧覚受容器の場合はAβ線維、温覚受容器はC線維、冷覚受容器はAδ線維またはC線維、そして侵害受容器からはAδ線維またはC線維です。侵害受容器には大きく2種類あり、それぞれ受容器としての反応性にも差がありますが、神経線維も異なっています。しっかりと区別しておきましょう。

 受容器から伸びている神経線維がそのまま各感覚の中枢へ至るわけではなく、途中で他のニューロンとシナプス接続しています。来週取り上げる伝導路です。

 生理学に限らず、医学系の学問はすべて知識の積み上げによって成り立っています。各学年ごとにも、教科ごとにも、そして毎回の授業ごとにも、「後でまとめて」できるようなものではありません。予習と復習を毎回しっかりと取り組んでこそ、結果(=成績)がついてきます。しっかりと取り組みましょう。

2018年度 第18回 感覚の一般的な特徴と二点弁別閾

 後期は神経系を中心にして、広い意味での神経機能を感覚機能と運動機能、そして中枢神経系の統合機能と分けて考えていきます。始めに取り上げるのは感覚機能です。今回は、感覚全般に共通する特徴を概観しました。

 共通点としてまず強調すべきは、すべての感覚は、それぞれの中枢に興奮が伝わってはじめて生じるということです。決して受容器が刺激されるだけで感覚が生じるわけではありません。授業でも、この特徴を理解しやすいような説明を心がけているつもりです。やや回りくどい説明になることもあると思いますが、それだけ重要だということです。したがって、感覚機能を理解するためには、中枢神経系の構造や機能も同時に考えていく必要があります。他の科目でも学んでいるはずですので、忘れていたり理解が十分でないと思ったりした部分は、その都度すぐに見直しましょう。

 ただし、実際の感覚は、あたかも感覚受容器の部分で生じているかのように感じます。この「感覚の投射」も大切な特徴ですので、よく理解しておきましょう。

 受容器に対する刺激、すなわち適合刺激を個別に丸暗記しても意味はありませんので、それぞれの感覚機能と合わせて考えましょう。感覚受容器が刺激を受容する仕組みを理解すれば自ずと頭に入ります。

 刺激の強さと生じる感覚の大きさの関係は、ニューロンの興奮(活動電位)がどのように発生するのかということと密接に関わっています。活動電位発生のしくみは前期に取り上げた最も重要な内容です。前期末試験でも問いましたが、改めて見直しておきましょう。

 感覚が生じる場合には、刺激が検知閾(感覚閾値)を超えている必要があり、さらにその後の感覚の変化には、ウェーバーの法則として紹介したような、弁別閾を超える刺激量の変化が必要です。実体験から何となく分かっていることではあると思いますが、生理学的、すなわち科学的にどのように説明するのかをよく理解しましょう。

 授業でも触れましたが、ウェーバーの法則だけで説明できる部分はごくわずかです。ヒトの感覚受容器が受容できる刺激のダイナミックレンジは非常に大きく、そんなに単純な法則性では説明できないようです。聴覚の適合刺激を説明する中で簡単に触れることになるでしょう。

 感覚受容器は、それぞれ非常に特徴的な構造と機能を持っています。その精緻さは知れば知るほど驚きます。しかし、やはりいくつかの共通点で分類することができます。授業では三つに分類して、その構造的な特徴をまとめました。表在感覚は自由神経終末と被包神経終末が中心です。特殊感覚の受容器は、独立した感覚受容器細胞をもっている場合が多いですが、刺激に対する反応性は単純な場合もあります。深部感覚器の代表である筋紡錘は再来週の授業で取り上げることになると思いますが、自由神経終末の変形のような構造と考えればいいでしょう。

 また、触れませんでしたが、感覚受容器から感覚中枢までの間は、複数の神経がシナプスを介してつながっています。つまり、伝導路では何度かの興奮の伝達が生じています。この伝導路を構成する神経を感覚受容器側から数えていく場合に、一次ニューロン、二次ニューロン、三次ニューロンなどと呼び表します。表在感覚を中心とした体性感覚の伝導路を説明するときに、具体的に説明しようと思います。

 後半では、表在感覚を考える上で重要な二点弁別閾を取り上げました。感覚受容器(あるいは来週説明する受容野と考えるとわかりやすい)は点状に存在していますが、やはりそれぞれが一定の面積をもっています。この面積の大小が、体部位によって異なっているために、二点弁別閾の大きさに差が生じます。触圧覚の二点弁別閾がよく調べられているため、教科書によく引用されています。他の表在感覚については、全身をくまなく調べた結果があるのかどうか。興味があれば是非調べて、教えて下さい。

 来週は表在感覚をすべて取り上げる予定です。共通するところ、異なっているところをはっきりとさせながら考えるといいでしょう。

2018年度 第17回 運動単位、収縮の特徴

 期末試験はどうでしたか? 模範解答はWebに掲載をしましたので授業前に見ていたことでしょう。自己採点と比べていかがでしたか?
 
どれだけできたかにかかわらず、必ず一度は見直すようにしましょう。前記の内容は前期で終わってしまうわけではなく、直接、間接に後期の内容に結びついています。

 後期は前期に学んだ神経系と筋系の理解の上に立って、体性神経系の機能を、感覚機能と運動機能に分けて取り上げます。始めに取り上げる感覚器系は、感覚受容器とその適合刺激、さらに感覚受容器からそれぞれの感覚器の中枢への伝導路と中枢の機能を順に考えていきます。来週は、多くの感覚機能に共通する特徴を、『総論』として概説します。後期中盤では、中枢の機能から始まって、実際に運動に関わる筋のはたらきを考えていきます。運動機能に関する中枢のはたらきはまだまだ不明な部分が多いため、一部は疾患の症状から機能を推測することにします。

 後期の後半では、末梢神経系のもう一方である自律神経系について、前記の内容をおさらいしながらより深く取り上げる予定です。生理学Ⅱ&Ⅳで自律機能全般を身につけた後の方が理解しやすい部分が多いため、最後に取り上げます。一応、ここまでが後期末試験の前に授業できる予定です。

 時間の都合で一部を割愛して進めるかもしれませんが、授業後に何回かの授業を予定していますので、その時間に埋め合わせをする予定です。

 さて、後期最初の授業では、前期のやり残しである、運動神経による筋の支配や筋の収縮の特徴を考えました。

 運動単位は、実際の筋の収縮を考える上では重要なまとまりです。特に、一つの運動単位を構成する筋線維の型が同一であり、さらにその筋線維が筋全体に分散していることによって、できるだけ効率的に筋を収縮させ、実際の運動が実行できるようにしてます。筋を支配する運動ニューロンは、すべての運動ニューロンが同時に興奮するわけではなく、求められる張力に応じて、小さな力を発揮する運動単位を支配する運動ニューロンからより大きな力を発揮する運動単位を支配する運動ニューロンへ、順に少しずつ分散していきます。しかも、できるだけ非同期的に、つまり同時に興奮しないように時間差をもって興奮します。さらに、一つの運動単位を構成する筋線維は筋全体に分散しているため、1運動単位の収縮によって筋全体が収縮することができます。運動単位を構成する筋線維は同一の型ですから、発揮できる張力の大きさを調節することも可能だし、エネルギー効率も調節できるでしょう。自然にできたとはとても思えないくらい、みごとなしくみです。

 1運動単位による1回の収縮(運動ニューロンから筋線維へ興奮が1回伝達されることによって生じる収縮)が単収縮で、このときの筋節変化を考えると、おそらくそれほど強く収縮(または短縮)しているわけではないのでしょう。したがって、連続的に興奮が伝達されることによって収縮は加重され、強縮が生じます。

 プリントp237下図の実験の説明がやや簡単でしたので、改めて説明します。
ここでは、ネコの腓腹筋を材料にして、そこに含まれる運動単位の3つの型、FF型、FR型、S型それぞれの運動ニューロンを刺激して、それぞれに含まれている筋線維群を収縮させています。図は『標準生理学第7版』(医学書院)に掲載されていたものですが、1973年に発表された米国公衆衛生院のBruke, Levine, Tsairis and Zajacによる”Physiological types and historochemical profiles in motor units of the cat gastrocnemius”(Journal of Physiology, 234, 723-748、1973)という論文より引用されたものです。

 ⒜、⒟、⒢はいずれもそれぞれの運動ニューロンを1回だけ刺激して生じた単収縮のときの筋電図を示しています。それぞれのグラフは、横軸は時間(単位はミリ秒)、縦軸は生じた張力の大きさ(単位がg)です。グラフ中の左上に描かれた小さな波線は、運動ニューロンの膜電位変化を示しており、下向きに大きく生じたピークの部分で活動電位臥床いています。つまりこのタイミングで興奮が伝達されて、筋活動電位が生じたと考えます。

 授業でも説明したように、単収縮の筋電図を観察すると、収縮を潜伏期、収縮期、弛緩期に分けることができます。グラフからは潜伏期は時間や張力の変化があまりにも小さいため、ほとんど分かりません。しかし、収縮期と弛緩期、そして張力のピークがどこであるかはよく分かります。FF型では、70ミリ秒程度で収縮+弛緩が終わり、張力のピークはおよそ40gくらいでしょうか。FR型は収縮し始めてから弛緩が終わるまでに100ミリ秒程度かかっており、張力はせいぜい10g程度です。S型では200ミリ秒近い時間をかけて収縮+弛緩し、張力はわずかに1g程度です。三つの型を構成する筋線維はそれぞれ、FF型=ⅡB型、FR型=ⅡA型、S型=Ⅰ型ですから、収縮の速度と張力の大きさの特徴がよくわかるでしょう。

 グラフの⒝、⒠、⒣では、100Hz、つまり運動ニューロンに1秒間に100回の刺激を加えることによって単収縮を加重させて強縮を生じさせています。強縮(tetanus)を生じさせる刺激を強縮刺激(tetanus stimulation)強縮を生じることによる張力の変化を表す筋電図を特に強縮曲線といいます。ここでは3~4秒間隔で強縮刺激を加えて、これを図に示された時間だけ継続して毎回の強縮曲線を記録しています。強縮を継続させることによって生じる筋の疲労のしかたが運動単位の型ごとに異なっていることがよく分かります。

 ⒝ではFF型運動単位を刺激開始時(図中には何も示されていない)、刺激を30秒間継続(30”)と示されている)、1分間継続(1’)したとき、強縮によって生じる張力がどのように変化しているかを示しています。それぞれのグラフの横に示された時間の幅は⒜と同様です。刺激開始時には、強縮によって単収縮時よりも大きな張力が生じていますが、30秒継続後には張力のピークがやや低下し、1分継続後には極端に小さくなっています。合わせて、収縮時の立ち上がりも遅くなり、弛緩の終了までも時間がかかっています。強縮が継続されることによって筋が疲労していることを示しています。

 ⒟はFR型運動単位にたいする刺激開始時、2分継続(2’)、5分継続(5’)したときの強縮の変化を示しています。強縮によって張力が非常に大きくなっていますが、それでも50g程度でしょうか。FF型運動単位に比べると、生じる張力は小さいことが分かります。しかし、この大きな張力は2分継続してもそれほど減少しておらず、5分継続すると30%ほど減少しています。FF型に比べると筋が疲労しにくいことが分かります。

 ⒣ではS型運動単位に刺激を加えて、刺激開始時、2分継続、60分継続して、それぞれの強縮による張力の変化を観察しています。生じる張力は5g程度でしょうか。FF型、FR型と比べて、張力はからり小さいですが、長時間刺激を継続してもその張力の大きさは全く変化していません。図中に時間は示されていませんが、刺激開始時と60分継続後での強縮曲線はほとんど重なっています。

 最下段の三つ、⒞、⒡、⒤は上記のような強縮刺激をさらに長時間にわたって継続しています。FR型とS型では強縮刺激を加える頻度はやや下げている場合もあるようです。⒞のFF型では15分間、⒡のFR型では50分間、⒤のS型では60分間にわたって、同一の運動単位に対して強縮刺激を継続して加え、毎回の強縮曲線を記録します。示されているグラフは、上2段のグラフの横軸を極端に狭めた様にしていると考えるとわかりやすいでしょう。張力のピークが縦の鋭いピークとして示されています。

 刺激開始時には、上段の実験を再現していることになりますが、FF型の張力は1分程度で極端に低下しており、その後さらに低下しています。FR型は4分くらいまで、張力はそれほど大きく低下しませんが、5分を過ぎたあたりから急に低下し始めます。しかし、50分後たっても、FF型ほどには低下せず、単収縮1回分ほどの張力を維持しています。FR型が疲労しにくい性質を持っていることが分かります。

 さらにS型は1強縮あたりの張力は4g程度しかありませんが、60分間強縮刺激を継続しても最大張力は変化していません。

 三つの運動単位の性質の違い、言い換えると筋線維の収縮やATP産生に関する性質の違いがよく理解できると思います。

 来週は第6章で感覚機能全般に関する特徴を考え、その後、第7章体性感覚に入ります。