興奮性細胞における活動電位の発生：細胞間の共通点と相違点。活動電位の伝導。

🧠 活動電位は「電位依存性Na⁺チャネルvoltage-gated Na+ channel 電位依存性Na⁺チャネル（voltage-gated Na+ channel）voltage-gated Na+ channel（電位依存性Na⁺チャネル） が先に開き、少し遅れて電位依存性K⁺チャネル voltage-gated K+ channel 電位依存性K⁺チャネル（voltage-gated K+ channel） voltage-gated K+ channel（電位依存性K⁺チャネル） が開く」というタイミングのずれだけで、脱分極→再分極→（不応期refractory period不応期（refractory period）refractory period（不応期））のすべてを説明できる。 この共通ロジックの上に、細胞ごとに異なるチャネル（Ca²⁺チャネルcalcium channelCa²⁺チャネル（calcium channel）calcium channel（Ca²⁺チャネル）、funnyチャネルなど）が加わることで、神経・骨格筋・心筋・平滑筋それぞれの個性的な波形が生まれる、という「共通土台＋細胞特異的な追加要素」の構図で覚える。

活動電位の定義と特徴

興奮性細胞excitable cell 興奮性細胞（excitable cell）excitable cell（興奮性細胞） の膜に生じる、急速・一過性・自己伝播性の電気的興奮。グレイド電位（1-05-the-development-of-the-resting-membrane-potential-the-development-and-properties）と3点で異なる。

活動電位発生の基本機構（ニューロンの場合）

flowchart TD
  A["静止：K+透過性高・Na+透過性低（Em=-70mV）"]
  A --> B["刺激による脱分極が閾値-50mVに到達"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='voltage-gated'>電位依存性</span>Na+チャネル開口（活性化ゲート）<br>Na+流入→急速脱分極（+35~40mV）"]
  C --> D["Na+チャネルの不活性化ゲートが遅れて閉鎖"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='voltage-gated'>電位依存性</span>K+チャネル開口（活性化は遅い）<br>K+流出→再分極"]
  E --> F["K+チャネルが開いたまま→過分極（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='afterhyperpolarization'>後過分極</span>）約-87mV"]
  F --> G["K+チャネル閉鎖→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='resting membrane potential'>静止膜電位</span>に復帰"]

• 電位依存性Na⁺チャネルvoltage-gated Na+ channel 電位依存性Na⁺チャネル（voltage-gated Na+ channel）voltage-gated Na+ channel（電位依存性Na⁺チャネル） ：閾値約−50mV、速い活性化＋不活性化あり。
• 電位依存性K⁺チャネルvoltage-gated K+ channel 電位依存性K⁺チャネル（voltage-gated K+ channel）voltage-gated K+ channel（電位依存性K⁺チャネル） （遅延整流 rectification整流（rectification） rectification（整流） delayed rectifier）：閾値約−50mV、遅い活性化、不活性化なし。
• ニューロンの活動電位全体は約3msで完結する。

イオン電流の定量的裏付け

オームOhm オーム（Ohm）Ohm（オーム） の法則 Ohm's law 法則（Ohm's law） Ohm's law（法則） を電気生理 electrophysiology 電気生理（electrophysiology） electrophysiology（電気生理） 学的に書き直すと、$I_{ion} = g_{ion} \times (E_m - E_{ion})$（gはコンダクタンス conductanceコンダクタンス（conductance） conductance（コンダクタンス）、E_ionはネルンスト Nernst ネルンスト（Nernst） Nernst（ネルンスト） 式で算出）。

• 脱分極初期はgNaの急上昇 surge 急上昇（surge） surge（急上昇） がEmをE_Naへ引き寄せる。
• gNa上昇は一過性（不活性化ゲートの遅延閉鎖）で、遅れてgKが上昇するため、比は0に達せず再びEmはE_Kへ引き戻される＝再分極。
• 再分極後もgKが高いまま残るため後過分極afterhyperpolarization後過分極（afterhyperpolarization）afterhyperpolarization（後過分極）が生じ、gKがベースラインに戻るとEmも静止値に戻る。

不応期

⭐ 「絶対不応期absolute refractory period 絶対不応期（absolute refractory period）absolute refractory period（絶対不応期） ＝Na⁺チャネルの不活性化」「相対不応期relative refractory period 相対不応期（relative refractory period）relative refractory period（相対不応期） ＝K⁺による後過分極 afterhyperpolarization後過分極（afterhyperpolarization） afterhyperpolarization（後過分極）」という原因の違いは頻出。前者は刺激の強さに関係なく不応、後者は強い刺激なら克服できる点が対照的。

細胞ごとのAPの違い

1. 心筋細胞のAP

心房筋atrial muscle 心房筋（atrial muscle）atrial muscle（心房筋） で約150ms、プルキンエ線維Purkinje fiber プルキンエ線維（Purkinje fiber）Purkinje fiber（プルキンエ線維） で約300msと、神経のAP（数ms）よりはるかに長い。プラトー相plateau phaseプラトー相（plateau phase）plateau phase（プラトー相）を持ち、それに応じて不応期 refractory period 不応期（refractory period） refractory period（不応期） も長い。

flowchart TD
  A["Phase 0：Na+流入による急速脱分極（+20mVまで）"]
  A --> B["Phase 1：Na+不活性化＋一過性K+チャネル開口による初期再分極"]
  B --> C["Phase 2：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='plateau'>プラトー</span><br>L型Ca2+チャネル（DHP型）流入とK+流出が拮抗<br>内向き<span class='jp-term jp-term-diagram' title='rectification'>整流</span>K+チャネルの働きでK+流出を抑制"]
  C --> D["Phase 3：Ca2+透過性低下+K+透過性上昇→再分極"]
  D --> E["Phase 4：静止電位-85mVへ（電気的拡張期）"]

💡 Phase 2のCa²⁺流入は、SR上のリアノジン受容体 ryanodine receptor (RyR) リアノジン受容体（ryanodine receptor (RyR)） ryanodine receptor (RyR)（リアノジン受容体） からのCa²⁺誘発性Ca²⁺放出を引き起こし、興奮収縮連関excitation-contraction coupling (ECC) 興奮収縮連関（excitation-contraction coupling (ECC)）excitation-contraction coupling (ECC)（興奮収縮連関） を強化する。 これは単なる電気現象ではなく、収縮力を増強する仕組みでもある。

2. 洞房結節のAP

安定した静止電位もプラトー plateau プラトー（plateau） plateau（プラトー） もなく、自動能automaticity自動能（automaticity）automaticity（自動能）によって自発的に発火する。内向き整流 rectification 整流（rectification） rectification（整流） K⁺チャネルを欠くため、電位はあまり負側に深くならない。

• Phase 0： “funnyチャネル”（If、hyperpolarization-activated current）を介した緩徐なNa⁺流入で緩やかに脱分極→閾値でT型・L型VDCCが活性化しCa²⁺流入により完全脱分極。
• Phase 3： 遅延整流 rectification 整流（rectification） rectification（整流） K⁺電流 delayed-rectifier K⁺ current, IK 電流（delayed-rectifier K⁺ current, IK） delayed-rectifier K⁺ current, IK（電流） によりおよそ−65mVまで再分極。
• Phase 4（ペースメーカーpacemakers ペースメーカー（pacemakers）pacemakers（ペースメーカー） 電位, pacemaker potential）： 再分極が進み約−50mVに達すると内向きNa⁺チャネルが緩やかに開き始め、funny電流が再び閾値まで脱分極させる——これが自動能 automaticity自動能（automaticity） automaticity（自動能）・心拍数決定の本体。Phase 4の傾きが急なほどAP発生頻度（心拍数）が上がる（2-01-impulse-generation-and-conduction-in-the-heart-mechanism-of-pacemaker-potential参照）。

3. 骨格筋のAP

神経のAPと形はよく似るが、再分極がやや遅い。持続時間duration 持続時間（duration）duration（持続時間） は約5ms。脱分極＝VG Na⁺チャネル開口、再分極＝Na⁺チャネル閉鎖＋VG K⁺チャネル開口、過分極＝VG K⁺チャネルの働き、という機構は神経とほぼ同じ。

4. 平滑筋のAP

神経のAPに比べ振幅が小さく持続時間 duration 持続時間（duration） duration（持続時間） が長く、Ca²⁺依存性が非常に高い。

• 静止Emは一定でなく、−40〜−80mVの間で振動する徐波slow wave徐波（slow wave）slow wave（徐波）を示す。徐波slow wave 徐波（slow wave）slow wave（徐波） はCajal介在細胞 interstitial cell of Cajal Cajal介在細胞（interstitial cell of Cajal） interstitial cell of Cajal（Cajal介在細胞） （interstitial cells of Cajal、GI管壁の2つの筋層間に存在するペースメーカー細胞 pacemaker cellペースメーカー細胞（pacemaker cell） pacemaker cell（ペースメーカー細胞））が発生させ、ギャップ結合gap junction ギャップ結合（gap junction）gap junction（ギャップ結合） を介して平滑筋層 smooth muscle layer 平滑筋層（smooth muscle layer） smooth muscle layer（平滑筋層） へ伝播する（頻度は胃で約3/分、十二指腸で約12/分）。
• 徐波slow wave 徐波（slow wave）slow wave（徐波） だけでは弱い収縮しか起こらないが、徐波slow wave 徐波（slow wave）slow wave（徐波） の電位が閾値を超えるとAPが重畳し、収縮力が増強される（APのピーク数が多いほど収縮が強い）。
• 脱分極＝L型VDCC、再分極＝遅延性電位依存性K⁺チャネル voltage-gated K+ channel電位依存性K⁺チャネル（voltage-gated K+ channel） voltage-gated K+ channel（電位依存性K⁺チャネル）、プラトー相plateau phase プラトー相（plateau phase）plateau phase（プラトー相） ＝Ca²⁺活性化K⁺チャネル。

活動電位の伝導

隣接部位が閾値に達して新たなAPが発火する連鎖反応として、APは減衰せずに軸索を伝わる。伝導速度conduction velocity 伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度） は2因子で決まる。

💡 跳躍伝導saltatory conduction 跳躍伝導（saltatory conduction）saltatory conduction（跳躍伝導） は理屈ではなく実測されたもの。 単離した末梢有髄線維 myelinated fiber 有髄線維（myelinated fiber） myelinated fiber（有髄線維） に沿って局所電流 local current 局所電流（local current） local current（局所電流） を測ると、興奮がランビエ絞輪 node of Ranvier ランビエ絞輪（node of Ranvier） node of Ranvier（ランビエ絞輪） から絞輪 node of Ranvier 絞輪（node of Ranvier） node of Ranvier（絞輪） へ跳ぶことが直接示された（1949年）¹。

• 髄鞘は1〜2mm間隔でランビエ絞輪 node of Ranvier ランビエ絞輪（node of Ranvier） node of Ranvier（ランビエ絞輪） （非髄鞘部）により中断され、そこでのみイオン電流 ionic current イオン電流（ionic current） ionic current（イオン電流） の出入りが起こる。APはランビエ絞輪 node of Ranvier ランビエ絞輪（node of Ranvier） node of Ranvier（ランビエ絞輪） から次の絞輪 node of Ranvier 絞輪（node of Ranvier） node of Ranvier（絞輪） へ「跳躍」する＝跳躍伝導saltatory conduction跳躍伝導（saltatory conduction）saltatory conduction（跳躍伝導）。
• 空間定数space constant 空間定数（space constant）space constant（空間定数） ： 定常電位が1/e（約37%）まで減衰する距離。空間定数space constant 空間定数（space constant）space constant（空間定数） が大きいほど伝導速度 conduction velocity 伝導速度（conduction velocity） conduction velocity（伝導速度） は速い。軸索径axon diameter 軸索径（axon diameter）axon diameter（軸索径） が太いほど内部抵抗（internal resistance, R_IC）が下がり、髄鞘が厚いほど膜抵抗（membrane resistance, R_membrane）が上がる——どちらも空間定数 space constant 空間定数（space constant） space constant（空間定数） を増大させる方向。

💡 「太い＝速い」だけでは足りない。 幾何学的に相似な有髄線維 myelinated fiber 有髄線維（myelinated fiber） myelinated fiber（有髄線維） では伝導速度 conduction velocity 伝導速度（conduction velocity） conduction velocity（伝導速度） はほぼ軸索径 axon diameter 軸索径（axon diameter） axon diameter（軸索径） に比例するが、髄鞘の厚さと節間距離も軸索径 axon diameter 軸索径（axon diameter） axon diameter（軸索径） と線形に結びついているため単純には切り分けられない。軸索径axon diameter 軸索径（axon diameter）axon diameter（軸索径） を固定すると髄鞘が厚いほど速くなり、線維全体の径を固定すると軸索径axon diameter軸索径（axon diameter）axon diameter（軸索径）／線維径の比に伝導速度 conduction velocity 伝導速度（conduction velocity） conduction velocity（伝導速度） が最大となる最適値が存在する（髄鞘を厚くしすぎると軸索が細くなって損をする）。伝導速度conduction velocity 伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度） は節間距離（正常末梢線維の値付近で広い最大をとる）や温度、軸索内環境にも依存する²。

⚠️ 臨床：リドカインlidocaineリドカイン（lidocaine）lidocaine（リドカイン）は電位依存性Na⁺チャネル voltage-gated Na+ channel 電位依存性Na⁺チャネル（voltage-gated Na+ channel） voltage-gated Na+ channel（電位依存性Na⁺チャネル） を阻害し、局所麻酔local anesthesia 局所麻酔（local anesthesia）local anesthesia（局所麻酔） として活動電位発生を止める。 また血漿Ca²⁺濃度は閾値電位 E_thr 閾値電位（E_thr） E_thr（閾値電位） に影響する：[Ca²⁺]↑は閾値をより正側（発火しにくく）に、[Ca²⁺]↓は閾値をより負側（発火しやすく）にシフトさせる（低カルシウム血症hypocalcemia 低カルシウム血症（hypocalcemia）hypocalcemia（低カルシウム血症） でテタニー tetany テタニー（tetany） tetany（テタニー） が起こりやすい機序）。

まとめ

• APは電位依存性Na⁺チャネル voltage-gated Na+ channel 電位依存性Na⁺チャネル（voltage-gated Na+ channel） voltage-gated Na+ channel（電位依存性Na⁺チャネル） （速い活性化・不活性化あり）とK⁺チャネル（遅い活性化・不活性化なし）のタイミングのずれで脱分極→再分極→後過分極 afterhyperpolarization 後過分極（afterhyperpolarization） afterhyperpolarization（後過分極） を作る。
• 絶対不応期absolute refractory period 絶対不応期（absolute refractory period）absolute refractory period（絶対不応期） はNa⁺チャネル不活性化、相対不応期relative refractory period 相対不応期（relative refractory period）relative refractory period（相対不応期） はK⁺による後過分極 afterhyperpolarization 後過分極（afterhyperpolarization） afterhyperpolarization（後過分極） が原因。
• 心筋はL型Ca²⁺チャネル calcium channel Ca²⁺チャネル（calcium channel） calcium channel（Ca²⁺チャネル） によるプラトー相 plateau phase プラトー相（plateau phase） plateau phase（プラトー相） を持ち持続時間 duration 持続時間（duration） duration（持続時間） が長い。SA結節はfunnyチャネルによる自動能 automaticity 自動能（automaticity） automaticity（自動能） を持つ。平滑筋はCajal細胞由来の徐波 slow wave 徐波（slow wave） slow wave（徐波） の上にAPが重畳する。
• 伝導速度conduction velocity 伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度） は軸索径 axon diameter 軸索径（axon diameter） axon diameter（軸索径） と髄鞘化 myelination 髄鞘化（myelination） myelination（髄鞘化） （跳躍伝導saltatory conduction跳躍伝導（saltatory conduction）saltatory conduction（跳躍伝導））で決まる。リドカインlidocaine リドカイン（lidocaine）lidocaine（リドカイン） はNa⁺チャネル阻害薬、血漿Ca²⁺は閾値電位 threshold potential 閾値電位（threshold potential） threshold potential（閾値電位） を左右する。