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作成者: 大阪大学大学院 医学系研究科
大阪大学大学院生命機能研究科 統合生理学 教室
生体電気信号研究の歴史
1. ガルバニとボルタの時代
生体の電気信号は、古くは、イタリアのガルバニやボルタにより、生命とはなにか、という根源的な問いから研究が行われました。
ガルバニは、雷鳴とともに、屋外の置いてあった死んだカエルの筋が収縮することや、金属のメスで筋に触れると収縮する現象などから、生体には金属を流れるものと共通の仕組みがあると考えました。ボルタは、同じような現象を観察しつつ、生体の仕組みが、外に取り出すことができる「電気」であることを発見し、後の「ボルタの電池」の発明につながりました（今でも電圧の単位はボルタの名前に由来している）。
このように生体の電気現象は、「生物らしさ」のひとつとして研究されるとともに、物理学の電気の発見と一体になって行われました。日本では平賀源内がエレキテルを作成し、一般の人たちを驚かしたことが有名です。
2. 神経でなぜ電気信号が生まれるのか
しかし、神経は生体の一部であり、電気回路のように絶縁体としても不完全であり、そもそも軸方向の抵抗がきわめて高い導体なので、いわば、庭に、孔のあいたホースで、遠くまで水を撒こうとするようなものです。どのような仕組みで電気が伝わるのかは大きな謎のままでした。
神経の電気信号の研究は、２０世紀初頭まで麻酔薬を使った現象の記載の研究に限定され、なかなか定量的な計測に基づいた研究はなされませんでした。その中でも、神経が信号を減衰せずに伝えるのか、あるいは、減衰しながら伝達するのかは、明確なことがわかっていませんでした。神経はマテリアルとしては伝導性が悪く、とても減衰せずに伝えることはできないだろう、という常識の中で、減衰しながら伝達されるという説が世界的に有力でした。
慶応大学の加藤元一や田崎一二らは、実験的にカエルの座骨神経を使って、信号が減衰せずに伝わる説を提唱し、海外で大きな脚光を浴びることになりました。ストックホルムの万国生理学会（現在の国際生理学会）で世界各地の大御所が集まる場で展覧実験を行って納得させたことは有名です。
その後、エレクトロニクス技術の発展と相まって、神経の活動を電気回路で計測することができるようになり、イギリスの生理学者Adrianらにより末梢神経からスパイクと呼ばれるデジタル信号の波形が記録されました。これにより、神経を同じ波形の信号が減衰せずに伝達すること、ある閾値をもって全か無の法則に従ってスパイクが生じることなどが見いだされました。このようなスパイクは、神経だけでなく、筋や内分泌細胞でも生じることがその後明らかにされていきました。
3. イオンチャネルの発見
神経は多くの細胞の軸索という細い突起の集まり（いわば神経の配線の束）から成っているので、ひとつひとつの細胞レベルでどのような信号が運ばれているのかは、なかなか明らかにされませんでした。とくに、細胞膜がどのような性質をもち、どのように活動電位が細胞膜の興奮として生じるかは、その後、ヤリイカの巨大軸索の実験によって詳しく解明されることになりました。
電気化学の研究の進歩により当時既に、カリウムイオンが細胞内に多く、細胞外に少ないこと、イオンの不均等な分布から膜電位が推定できることなどから、静止状態の膜電位が、カリウムイオン分布の平衡で説明されました［静止膜電位の項を参照］。しかし神経の興奮は、この膜電位が変化することによって生じるらしいということまではわかっていたものの、膜電位の変化がおこるメカニズムについては不明のままでした。
イギリスの動物学者Youngは、それまで太い血管と信じられていたヤリイカの巨大軸索が、実は太い神経であることを発見しました。イギリスの物理学者であったホジキンはいち早くこれに注目し、ヤリイカの軸索を用いて電気計測を行いました。巨大軸索は太いため細胞内に大きな電極を入れて、一本の軸索において正確な膜電位変化を計測することが可能であり、また細胞内のイオン濃度を変化させて実験することも可能だったのです。
一連の優れた実験によって、ナトリウムイオンの一時的な流入がおこることで膜電位がプラス側に変化して活動電位が生じることが明らかになりました（Na説）。ホジキンはハックスレーと更に研究を進め、細胞膜を通る電流成分を厳密に測定することを行ったり、これに数理的な解析を適用し、「イオン流入経路と電位センサーを併せ持つ実体が細胞膜に存在することで、細胞膜の興奮を説明できる」ことを示しました。これが最初の「イオンチャネル」の概念です。
また、この発見はKatzによる、シナプス電位のメカニズムの研究とほぼ同じ時期に行われ、シナプスで電気的信号が発生する仕組みも神経軸索とは別の性質のイオンチャネルが関わっていることで説明されることがわかりました。シナプスの研究とともに、現在の神経科学の重要な基礎となっています。
その後、イオンチャネルという実体が明らかにされるには、現代の薬理学の研究や分子クローニングの発展を待つことになりましたが、生理現象を数理的に記載することから分子実体までを予測した、金字塔的な研究として現在でも高く評価されています。
続いて「YOUTUBE」です。
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【ゆっくり解説】生物は電気信号を使っている?! 神経伝達の仕組み【神経科学・脳科学】
1,592 回視聴2020/11/06
ゆっくりバイオLab / 生命科学解説
生物の体で使われている電気信号、生体電気(生体電位)について解説します。
電気というと電流を想像する人が多いと思いますが、生体電気こと膜電位は電流と少し違います。
また生体電位を利用した技術についても解説します。
◆目次
00:00 導入
01:04 神経伝達の全体像
02:24 細胞レベルの神経伝達(生体電気とは何か)
10:21 生体電気を利用した技術
12:00 締め(神経科学と脳科学の違い)
前→ iPS細胞・幹細胞に関する小話五選【iPS回後編】
https://youtu.be/4YzluZ9aRbQ
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次→準備中
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