感覚と神経信号：受容器・活動電位・反射を図式で区別する
光や圧力が神経の信号になる道筋をたどり、活動電位の大きさ・発生頻度・伝導速度を区別する。架空の信号列と回路図から、刺激の強さや反射について言える範囲を考える。
- 受容器での刺激の変換と、感覚神経を通る信号の伝導を区別できる。
- 全か無かの法則と発生頻度による情報表現を、架空データに基づいて説明できる。
- 活動電位の振幅・発生頻度・伝導速度を、それぞれの単位と対応づけられる。
- 脊髄反射の経路と意識的な感覚に関わる経路を図式で読み分けられる。
📑 目次
1．なぜ光と音が同じ「神経信号」になるのか
光と空気の振動では、物理的な性質が違います。そのままでは同じ仕組みで情報を運べないため、感覚器はそれぞれに適した仕組みで刺激を受け取り、細胞の電気的な変化へと変換します。言語の異なる手紙を共通の符号に直して運ぶ郵便を思い浮かべましょう。受容器は刺激を受け取る細胞や神経終末などであり、刺激を電気的変化へ変える過程を感覚変換といいます。
| 刺激の例 | 主な受容器の例 | 共通する仕事 |
|---|---|---|
| 光 | 網膜の視細胞 | 光による変化を細胞の電気的な応答に変える |
| 音に伴う振動 | 内耳の有毛細胞 | 機械的な変化を細胞の電気的な応答に変える |
| 皮膚の変形 | 皮膚の機械受容に関わる神経終末など | 変形による変化を神経の電気的な応答に結びつける |
共通の符号になっても、光と音を区別できなくなるわけではありません。脳は「どの経路から届いたか」も利用します。郵便なら、本文だけでなく差出人と宛先が情報になるのと似ています。感覚の種類は、活動電位が大きいか小さいかだけで決まるものではなく、受容器の性質や信号が通る経路に関係します。
2．受容器の応答と活動電位は同じものではない
刺激の変化を最初から一定の大きさにしてしまうと、強弱を表しにくくなります。受容器では、刺激に応じて大きさや時間経過の異なる膜電位の変化が生じます。これを受容器電位と呼びます。膜電位は細胞膜を隔てた内外の電位差です。一方、遠くへ情報を運ぶ軸索では、ある条件を満たすと短い電位変化である活動電位が発生します。局所の連続的な応答と、軸索を進む一つ一つの信号を分けて考えます。
- 神経終末自体が受容する型の模式図：刺激 → 神経終末の局所的な電位変化 → 感覚神経の活動電位列 → 中枢。
- 別の受容細胞がある型の模式図：刺激 → 受容細胞の電位変化 → シナプスでの伝達の変化 → 神経回路の活動電位列 → 中枢。途中に複数の細胞を含む場合もある。
3．同じ大きさの信号で、強さをどう表すのか
軸索上の信号が移動のたびに弱くなっては、遠くまで情報を伝えられません。典型的な神経細胞では、膜の脱分極が一定の条件、つまり閾値に達すると、電位依存性のイオンチャネルの働きにより急速な電位変化が生じます。隣の膜でも活動電位が再生されることで信号が進みます。同じ軸索・ほぼ同じ状態では、活動電位は閾値未満では発生せず、発生するとほぼ一定の大きさになります。これが全か無かの法則です。
では、強い刺激の情報は消えるのでしょうか。同じ大きさのベルでも、短い間に鳴る回数を増やせば違う情報を表せます。感覚神経でも、応答範囲内では刺激の強さが活動電位の発生頻度に反映される場合があります。また、刺激が強いほど応答する神経の本数が増える場合もあります。一本の信号の高さではなく「時間当たりの回数」と「参加する神経」に注目します。
| 混同しやすい量 | 何を数える・比べるか | 単位の例 |
|---|---|---|
| 活動電位の振幅 | 一つの活動電位での電位の変化幅 | mV（ミリボルト） |
| 活動電位の発生頻度 | 一定時間に生じる活動電位の個数 | Hz＝回/s |
| 信号の伝導速度 | 軸索に沿って信号が進む距離／時間 | m/s |
4．例題1：信号列を「回数÷時間」で読む
一個の活動電位を「●」とし、同じ0.50秒の窓に並べた模式図を考えます。弱い条件Aは「● ● ● ●」、強い条件Bは「● ● ● ● ● ● ● ●」。点は活動電位の有無だけを表し、図の空白は正確な時間間隔ではありません。回数を比べる前に、時間窓が同じか確かめることが大切です。
Nは時間窓内の活動電位の個数、Tは窓の長さ（s）、fはその窓での平均発生頻度（Hz）です。等間隔に発生していなくてもこの平均は計算できますが、平均だけでは各活動電位がいつ生じたかは分かりません。窓の境界上の信号は、左端を含み右端を含まないなど、一貫した規則で一度だけ数えるものとします。
| 架空の条件（同じ神経） | 刺激の相対強度（単位なし） | 時間窓 T（s） | 活動電位数 N | 振幅（mV） |
|---|---|---|---|---|
| A | 1 | 0.50 | 4 | 100 |
| B | 2 | 0.50 | 8 | 100 |
| C | 4 | 0.50 | 12 | 100 |
表のA・B・Cの平均発生頻度を求めよう。AからBでは刺激の相対強度も頻度も2倍になった。刺激がさらに2倍のCでも、頻度は必ずBの2倍といえるか。
解答・解説
Aは4÷0.50＝8 Hz、Bは8÷0.50＝16 Hz、Cは12÷0.50＝24 Hzです。A→Bの頻度比は16÷8＝2ですが、B→Cは24÷16＝1.5です。刺激の相対強度と頻度が常に比例するとはいえません。振幅は3条件とも100 mVで、刺激が強くなった情報を一つの活動電位の高さで表してはいません。この表から伝導速度や主観的な感覚の強さは求められません。
5．発生頻度の限界と、時間経過の情報
ベルを無限の速さでは鳴らせないのと同じく、活動電位も直後に同じようには発生できません。チャネルの状態が回復するまで活動電位が発生できない時期や、発生しにくい時期があり、これを不応期といいます。そのため頻度の増加には限界があります。ただし不応期だけで実際の頻度が決まるわけではなく、受容器の応答や神経回路も関わります。
同じ刺激が続くのに神経の応答が時間とともに弱まることがあります。変わらない背景より新しい変化を伝える性質と結びつく現象で、感覚順応と呼ばれます。着衣の感触が目立たなくなることは身近なイメージですが、その体験には中枢での処理も関わります。受容器には変化に応答しやすいものも、刺激の持続中に応答を保ちやすいものもあり、「すべてすぐ応答をやめる」わけではありません。
同じ強さの刺激が続くという設定で、ある感覚神経の活動電位数が0〜0.20 sでは10個、0.20〜0.40 sでは4個だった。各区間と全0.40 sの平均発生頻度を求め、「後半は刺激が弱くなった」と結論してよいか考えよう。区間は左端を含み右端を含まない。
解答・解説
前半は10÷0.20＝50 Hz、後半は4÷0.20＝20 Hz、全体は（10＋4）÷0.40＝35 Hzです。刺激は一定という設定なので、後半の頻度低下を刺激低下と読み替えることはできません。順応と整合する応答ですが、この個数だけで、受容器の応答変化と感覚神経自体の性質などの寄与を分けることはできません。全体平均35 Hzだけを示すと、前半と後半の違いも見えなくなります。
6．反射は「信号が不要な反応」ではない
すべての応答が意識的な判断を待つなら、状況への応答に余分な時間がかかります。特定の刺激に対し、意識的な判断を必要とせず神経回路を通じて起こる応答が反射です。神経信号が省略されるのではなく、意識的な感覚や判断とは異なる経路で応答が生じます。次は介在神経を含む脊髄反射の模式図で、人体で反射を起こす課題ではありません。
- 入力：刺激 → 受容器 → 感覚神経 → 脊髄。感覚神経は末梢から中枢へ情報を運ぶ。
- 反射の経路：脊髄内の介在神経 → 運動神経 → 筋などの効果器 → 応答。運動神経は中枢から効果器へ情報を運ぶ。
- 感覚に関わる別の経路：脊髄での中継など → 脳の感覚処理に関わる領域。この経路への情報伝達が並行して起こりうる。
伝導は一つの神経細胞の軸索などを興奮が進むこと、伝達はシナプスで別の細胞へ情報が渡ることです。回路図の矢印はどちらも含みうるので、細胞の境界を確認します。化学シナプスでは伝達物質の作用によって次の細胞が興奮しやすくなったり、しにくくなったりします。矢印が一本あるからといって、活動電位が必ず一対一で次へ生じるとは限りません。
架空図を「受容器R → 感覚神経S → 脊髄内I → 運動神経M → 筋E」とし、Iから脳Bへ向かう情報の経路も描いた。この図で刺激を受け取る部位、応答を実行する部位、意識的な判断を待たずに応答へ至る経路を答えよう。「Bへの矢印があるので反射ではない」という説明は正しいか。
解答・解説
受容はR、応答の実行はEです。反射の経路はR→S→I→M→Eで、Bでの意識的判断を必須の通過点にしていません。Bへの経路が並行して存在しても反射と矛盾しません。ただし図には距離や伝導速度、シナプスでの遅れがないため、応答までの秒数やBへの到着との厳密な前後関係は計算できません。
7．練習：数値と経路を読み直そう
架空の神経Pは0.30 sに9個、神経Qは0.50 sに10個の活動電位を出した。平均発生頻度が高いのはどちらか。
ヒント
個数だけでなく、時間当たりに直す。
解答・解説
Pは9÷0.30＝30 Hz、Qは10÷0.50＝20 HzなのでPです。Qの個数のほうが多くても、数えた時間が長いため頻度が高いとは限りません。異なる神経なので、この差だけで刺激の強弱は決まりません。
同じ神経で、架空の条件Dでは0.40 sに6個、Eでは0.40 sに12個の活動電位があった。振幅はどちらも100 mVだった。頻度比と振幅比を答えよう。
解答・解説
頻度はDが15 Hz、Eが30 Hzで、E／D＝2。振幅比は100÷100＝1です。頻度が2倍でも、一つ一つの活動電位の大きさが2倍とはいえません。
架空の記録で、一定刺激の最初の0.10 sに6個、その後の0.30 sに6個の活動電位があった。全体平均は、二つの区間の頻度を足して2で割ればよいか。
解答・解説
最初は60 Hz、後は20 Hzですが、区間の長さが違うので単純平均40 Hzは不適切です。総個数12÷総時間0.40＝30 Hz。区間別頻度を使うなら（60×0.10＋20×0.30）÷0.40＝30 Hzと時間で重みをつけます。
例題3の回路でSとMの役割を入れ替えてよいか。また、脳Bへ向かう矢印は消すべきか。
解答・解説
入れ替えられません。Sは受容器から中枢への入力、Mは中枢から筋への出力を担います。反射でも脳へ情報が送られうるので、Bへの矢印を消す必要はありません。
問1. 同じ軸索・ほぼ同じ状態での全か無かの法則として適切なのはどれか。
問2. 架空の同じ神経で、0.25 sに5個から10個へ活動電位数が増えた。確実にいえるのはどれか。
問3. 脊髄反射について適切なのはどれか。
問4. 光と音の感覚の違いを考えるとき、最も適切な見方はどれか。
8．まとめと根拠
資料を読むときは、①刺激そのもの、②受容器の局所的応答、③活動電位列、④中枢を含む回路、⑤効果器の応答、のどこを見ているか決めましょう。次に単位と時間窓をそろえます。信号の「高さ」「回数」「進む速さ」を分けるだけで、刺激の強さや反射についての飛躍した結論を避けられます。