聴覚の生理学。

🧠 内耳有毛細胞hair cell of the inner ear 内耳有毛細胞（hair cell of the inner ear）hair cell of the inner ear（内耳有毛細胞） は「機械刺激→TRPチャネル transient receptor potential channel TRPチャネル（transient receptor potential channel） transient receptor potential channel（TRPチャネル） 開口→脱分極→Ca²⁺流入→グルタミン酸放出 glutamate releaseグルタミン酸放出（glutamate release） glutamate release（グルタミン酸放出）」という単一の変換原理を持つ。蝸牛ではこの原理に加え、外有毛細胞outer hair cell 外有毛細胞（outer hair cell）outer hair cell（外有毛細胞） がプレスチン Prestin プレスチン（Prestin） Prestin（プレスチン） という運動タンパクで自ら伸縮し振動を能動的に増幅する（コクリア増幅器cochlear amplifierコクリア増幅器（cochlear amplifier）cochlear amplifier（コクリア増幅器）、cochlear amplifier）——これが聴覚の感度と周波数弁別を支えている。

聴覚系の基本

聴覚系は周囲の空気の急速な振動（音波、sound wave、20〜20,000 Hz）を感知する。有毛細胞がこの系の受容器であり、音の機械的刺激をAP（活動電位、action potential）に変換してCNS（中枢神経系、central nervous system）で処理させる。

耳の解剖

音は外耳を通って鼓膜に達し振動させる。鼓膜はこの振動を耳小骨連鎖 ossicular chain 耳小骨連鎖（ossicular chain） ossicular chain（耳小骨連鎖） （ツチ骨malleusツチ骨（malleus）malleus（ツチ骨）・キヌタ骨incusキヌタ骨（incus）incus（キヌタ骨）・アブミ骨stapesアブミ骨（stapes）stapes（アブミ骨））の振動として中耳に伝える。この振動はアブミ骨筋 stapediusアブミ骨筋（stapedius） stapedius（アブミ骨筋）・鼓膜張筋tensor tympani 鼓膜張筋（tensor tympani）tensor tympani（鼓膜張筋） の収縮により減弱されうる。アブミ骨stapes アブミ骨（stapes）stapes（アブミ骨） は内耳を覆う卵円窓oval window卵円窓（oval window）oval window（卵円窓）に接続する。内耳腔には蝸牛と前庭器vestibular apparatus前庭器（vestibular apparatus）vestibular apparatus（前庭器）が含まれる。

蝸牛の構造

蝸牛は聴覚器であり、骨迷路osseous labyrinth 骨迷路（osseous labyrinth）osseous labyrinth（骨迷路） ＋膜迷路 membranous labyrinth 膜迷路（membranous labyrinth） membranous labyrinth（膜迷路） からなる。約2.5回転しており、3つの区画に分かれる。

音の物理的性質

音は空気中を伝播する周期的な縦波 longitudinal wave 縦波（longitudinal wave） longitudinal wave（縦波） （疎密波）であり、空気中の音速 sound speed 音速（sound speed） sound speed（音速） は330 m/sである。

音の強度

音圧sound pressure 音圧（sound pressure）sound pressure（音圧） の大きさで決まり、dB（デシベル、decibel）で測定される。

基準音圧 sound pressure 音圧（sound pressure） sound pressure（音圧） ＝20 μPa＝2000 Hz純音 pure tone 純音（pure tone） pure tone（純音） におけるヒト聴覚の平均閾値。強度0 dBは2000 Hz（聴覚が最も鋭敏な周波数、ヒトの音声の周波数帯に近い）で設定されている。この周波数より高くても低くても、聞こえるためにはより強い音圧 sound pressure 音圧（sound pressure） sound pressure（音圧） が必要になる。

中耳による増幅

中耳では音の強度が増幅される。この増幅は以下による：

1. 面積の減少：卵円窓 oval window 卵円窓（oval window） oval window（卵円窓） は鼓膜より10〜20倍小さい
2. 耳小骨のてこ機構：てこの片端（鼓膜）にかかる小さな力を、反対端（卵円窓oval window卵円窓（oval window）oval window（卵円窓））でより大きな力として作用させる

⚠️ アブミ骨筋stapediusアブミ骨筋（stapedius）stapedius（アブミ骨筋）・鼓膜張筋tensor tympani 鼓膜張筋（tensor tympani）tensor tympani（鼓膜張筋） の収縮はこの増幅効果を減弱させ、大音量による聴覚障害を防ぐ保護的反射として働く。

有毛細胞の基本構造

• 修飾された上皮細胞
• 活性化されると①グルタミン酸（主）→NT（神経伝達物質、neurotransmitter）→神経細胞刺激→AP→AP頻度としてCNSで処理②アスパラギン酸 aspartate アスパラギン酸（aspartate） aspartate（アスパラギン酸） を分泌する
• 有毛細胞は上皮細胞層の中に存在し、2つの区画を隔てる：内リンパendolymph内リンパ（endolymph）endolymph（内リンパ）（[K⁺]=150 mM、[Na⁺]=1 mM）と外リンパperilymph外リンパ（perilymph）perilymph（外リンパ）（≈CSF（脳脊髄液、cerebrospinal fluid）、K⁺低・Na⁺高）
• 静止膜電位resting membrane potential 静止膜電位（resting membrane potential）resting membrane potential（静止膜電位） は-40 mV（活動レベルに応じてより陰性/陽性になりうる）
• 内リンパendolymph 内リンパ（endolymph）endolymph（内リンパ） 側の膜表面に特有の構造＝不動毛stereovilli/stereocilia不動毛（stereovilli/stereocilia）stereovilli/stereocilia（不動毛）を持つ（50〜150本、アクチン充填、蝸牛・前庭双方の有毛細胞に共通）
• 前庭有毛細胞vestibular hair cell 前庭有毛細胞（vestibular hair cell）vestibular hair cell（前庭有毛細胞） はさらに1本のキノシリウムkinociliumキノシリウム（kinocilium）kinocilium（キノシリウム）（9+2微小管構造、microtubule structure）を持つ
• 不動毛stereovilli/stereocilia 不動毛（stereovilli/stereocilia）stereovilli/stereocilia（不動毛） の長さは段階的に異なり、これが有毛細胞の方向性——どの機械刺激が最も有効かを決定する

内リンパの産生

• 外リンパperilymph 外リンパ（perilymph）perilymph（外リンパ） から産生される
• 血管条stria vascularis血管条（stria vascularis）stria vascularis（血管条）での経上皮輸送 Trans-epithelial transport 経上皮輸送（Trans-epithelial transport） Trans-epithelial transport（経上皮輸送） が内リンパ endolymph 内リンパ（endolymph） endolymph（内リンパ） 産生を担う
• 輸送体は外リンパ perilymph 外リンパ（perilymph） perilymph（外リンパ） 側の細胞膜に発現（Na⁺/K⁺-ATPaseNa⁺/K⁺-ATPase（sodium-potassium ATPase）、Na⁺/K⁺/2Cl⁻共輸送体 cotransporter共輸送体（cotransporter） cotransporter（共輸送体）、Cl⁻チャネル）
• 内リンパendolymph 内リンパ（endolymph）endolymph（内リンパ） 側の細胞膜にはK⁺チャネルが存在
• 最終的にK⁺イオンが外リンパ perilymph 外リンパ（perilymph） perilymph（外リンパ） から内リンパ endolymph 内リンパ（endolymph） endolymph（内リンパ） へ輸送され（内リンパendolymph 内リンパ（endolymph）endolymph（内リンパ） の高K⁺濃度の理由）、このK⁺電流が内リンパendolymph 内リンパ（endolymph）endolymph（内リンパ） の正の電位（蝸牛では+80 mV）を生成する

有毛細胞の機械-電気変換

不動毛stereovilli/stereocilia 不動毛（stereovilli/stereocilia）stereovilli/stereocilia（不動毛） の先端同士は先端リンクtip link先端リンク（tip link）tip link（先端リンク）（細い糸状構造）で連結され、不動毛stereovilli/stereocilia 不動毛（stereovilli/stereocilia）stereovilli/stereocilia（不動毛） の同期運動を担う。先端リンクtip link 先端リンク（tip link）tip link（先端リンク） の上端はTRP（transient receptor potential）チャネル——電気緊張性電位 electrotonic potential 電気緊張性電位（electrotonic potential） electrotonic potential（電気緊張性電位） を生むチャネルに接続している。

電気化学的勾配electrochemical gradient電気化学的勾配（electrochemical gradient）electrochemical gradient（電気化学的勾配）：TRP-A1チャネルは非選択的陽イオンチャネル non-selective cation channel 非選択的陽イオンチャネル（non-selective cation channel） non-selective cation channel（非選択的陽イオンチャネル） だがK⁺のみが実際に移動する。内外の[K⁺]濃度は同じため化学的勾配はゼロで、電気的勾配のみが駆動力 driving force 駆動力（driving force） driving force（駆動力） となる。

蝸牛有毛細胞cochlear hair cell 蝸牛有毛細胞（cochlear hair cell）cochlear hair cell（蝸牛有毛細胞） ではこの電気化学的勾配 electrochemical gradient 電気化学的勾配（electrochemical gradient） electrochemical gradient（電気化学的勾配） が非常に大きいため、TRPチャネルtransient receptor potential channel TRPチャネル（transient receptor potential channel）transient receptor potential channel（TRPチャネル） の活性化に対して極めて高感度である。

flowchart TD
  A["機械刺激：最長<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stereovilli/stereocilia'>不動毛</span>の方向へ偏位"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stereovilli/stereocilia'>不動毛</span>先端間距離↑"]
  B --> C["tip linkの張力↑"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transient receptor potential channel'>TRPチャネル</span>開口"]
  D --> E["K⁺流入→脱分極"]
  E --> F["VG-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='calcium channel'>Ca²⁺チャネル</span>活性化→Ca²⁺流入"]
  F --> G["グルタミン酸の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exocytosis'>開口放出</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exocytosis'>エキソサイトーシス</span>）"]

逆方向の偏位では先端リンク tip link 先端リンク（tip link） tip link（先端リンク） 張力が低下しTRPチャネル transient receptor potential channel TRPチャネル（transient receptor potential channel） transient receptor potential channel（TRPチャネル） が閉鎖、K⁺流入低下→過分極→伝達物質放出なし、と全てが逆になる。

蝸牛神経細胞の活性化機序（プレスチンとコクリア増幅器）

「圧力低下＝脱分極」「圧力上昇＝過分極」という原則のもと、以下の連鎖が起こる。

flowchart TD
  A["中耳の圧力↓→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stapes'>アブミ骨</span>が外側へ移動"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Scala vestibuli'>前庭階</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='perilymph'>外リンパ</span>）圧↓＝<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Scala tympani'>鼓室階</span>圧↑"]
  B --> C["基底膜が上方へ移動→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='organ of Corti'>コルチ器</span>が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tectorial membrane'>蓋膜</span>へ接近"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='outer hair cell'>外有毛細胞</span>の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stereovilli/stereocilia'>不動毛</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tectorial membrane'>蓋膜</span>に接続）が最長方向へ傾く"]
  D --> E["TRPA1開口→K⁺流入→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='outer hair cell'>外有毛細胞</span>の脱分極"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Prestin'>プレスチン</span>（運動タンパク）による<span class='jp-term jp-term-diagram' title='outer hair cell'>外有毛細胞</span>の収縮"]
  F --> G["基底膜の上方運動を増強（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cochlear amplifier'>コクリア増幅器</span>）"]
  G --> H["基底膜-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tectorial membrane'>蓋膜</span>間の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endolymph'>内リンパ</span>が内側溝から流出"]
  H --> I["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='inner hair cell'>内有毛細胞</span>の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stereovilli/stereocilia'>不動毛</span>束が最長方向へ屈曲→活性化"]
  I --> J["VG-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='calcium channel'>Ca²⁺チャネル</span>開口→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exocytosis'>エキソサイトーシス</span>→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutamate release'>グルタミン酸放出</span>"]
  J --> K["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='afferent nerve'>求心性神経</span>終末が活性化→AP発生→CNSへ伝達"]

プレスチンPrestinプレスチン（Prestin）Prestin（プレスチン）はアニオン輸送体 anion transporter アニオン輸送体（anion transporter） anion transporter（アニオン輸送体） ファミリーに属するが、実際にはアニオンを輸送しない運動タンパクである。ATPもCa²⁺も必要とせず、構造変化conformational change 構造変化（conformational change）conformational change（構造変化） によって外有毛細胞 outer hair cell 外有毛細胞（outer hair cell） outer hair cell（外有毛細胞） を収縮させる（過分極時は逆に伸長する）。プレスチンPrestin プレスチン（Prestin）Prestin（プレスチン） を発現させたヒト腎細胞にも膜電位依存性の形態変化と非線形 non-linear 非線形（non-linear） non-linear（非線形） 容量（ゲーティングgating ゲーティング（gating）gating（ゲーティング） 電流）が生じることから、これが電気運動性 electromotility 電気運動性（electromotility） electromotility（電気運動性） の実体（モータータンパク）と同定された¹。

⭐ 外有毛細胞outer hair cell 外有毛細胞（outer hair cell）outer hair cell（外有毛細胞） の収縮は基底膜の運動を増幅する「コクリア増幅器cochlear amplifierコクリア増幅器（cochlear amplifier）cochlear amplifier（コクリア増幅器）」として機能する。 哺乳類mammal 哺乳類（mammal）mammal（哺乳類） の聴覚感度はこの機械的増幅によって40 dB以上（100倍以上）高められている。⚠️ ただし「プレスチンPrestin プレスチン（Prestin）Prestin（プレスチン） をノックアウト knock-out ノックアウト（knock-out） knock-out（ノックアウト） すると聴覚が成立しない（＝聾 deafness聾（deafness） deafness（聾）、deafness）」は言い過ぎで、実測はそこまで極端ではない——プレスチン Prestin プレスチン（Prestin） Prestin（プレスチン） 欠損マウスでは外有毛細胞 outer hair cell 外有毛細胞（outer hair cell） outer hair cell（外有毛細胞） の機械電気変換 mechanotransduction 機械電気変換（mechanotransduction） mechanotransduction（機械電気変換） は保たれたまま電気運動性 electromotility 電気運動性（electromotility） electromotility（電気運動性） だけが失われ、蝸牛の感度が40〜60 dB低下する。ヘテロ接合体heterozygote ヘテロ接合体（heterozygote）heterozygote（ヘテロ接合体） でも電気運動性 electromotility 電気運動性（electromotility） electromotility（電気運動性） が半分になり閾値が約6 dB上昇する²。失われるのは「聴覚そのもの」ではなく増幅ぶんの感度である、と数値で覚える。

音の識別

💡 AP頻度は音の強度に対応し、音波自体の周波数は蝸牛膜上の変位場所に対応する——この2つを混同しないこと。

聴覚系の神経支配

求心性神経支配afferent innervation求心性神経支配（afferent innervation）afferent innervation（求心性神経支配）：

• 求心性線維afferent fiber 求心性線維（afferent fiber）afferent fiber（求心性線維） の95%が内有毛細胞 inner hair cell 内有毛細胞（inner hair cell） inner hair cell（内有毛細胞） 由来——内有毛細胞 inner hair cell 内有毛細胞（inner hair cell） inner hair cell（内有毛細胞） こそが真の受容器である
• 神経細胞体はらせん神経節spiral ganglionらせん神経節（spiral ganglion）spiral ganglion（らせん神経節）を形成、軸索は蝸牛神経cochlear nerve蝸牛神経（cochlear nerve）cochlear nerve（蝸牛神経）を形成
• 一次中継核 relay nucleus 中継核（relay nucleus） relay nucleus（中継核） ＝蝸牛神経核cochlear nuclei蝸牛神経核（cochlear nuclei）cochlear nuclei（蝸牛神経核）（単純な処理）→両側の上オリーブ核superior olivary nucleus上オリーブ核（superior olivary nucleus）superior olivary nucleus（上オリーブ核）（複雑な処理）→聴覚野auditory cortex聴覚野（auditory cortex）auditory cortex（聴覚野）（Brodmann 40/41野）

遠心性神経支配efferent innervation遠心性神経支配（efferent innervation）efferent innervation（遠心性神経支配）（保護的役割、2つの標的）：

1. 筋肉：鼓膜張筋 tensor tympani鼓膜張筋（tensor tympani） tensor tympani（鼓膜張筋）・アブミ骨筋stapedius アブミ骨筋（stapedius）stapedius（アブミ骨筋） ——収縮により耳小骨の運動を減弱させる
2. 外有毛細胞outer hair cell外有毛細胞（outer hair cell）outer hair cell（外有毛細胞）（内有毛細胞inner hair cell 内有毛細胞（inner hair cell）inner hair cell（内有毛細胞） は遠心性入力を受けない）：伝達物質はACh（アセチルコリン、acetylcholine）、外有毛細胞outer hair cell 外有毛細胞（outer hair cell）outer hair cell（外有毛細胞） のニコチン性受容体 nicotinic receptor ニコチン性受容体（nicotinic receptor） nicotinic receptor（ニコチン性受容体） に作用する。AChは脱分極を引き起こし、Ca²⁺流入→Ca²⁺依存性K⁺チャネル活性化→過分極を招く——これは外有毛細胞 outer hair cell 外有毛細胞（outer hair cell） outer hair cell（外有毛細胞） の将来の脱分極に対抗し、電気機械変換（＝コクリア増幅）を減弱させる

まとめ

• 音は鼓膜→耳小骨（てこ機構＋面積減少で増幅）→卵円窓 oval window 卵円窓（oval window） oval window（卵円窓） →蝸牛内リンパ endolymph 内リンパ（endolymph） endolymph（内リンパ） の振動として伝わり、基底膜の振動がコルチ器 organ of Corti コルチ器（organ of Corti） organ of Corti（コルチ器） の有毛細胞を活性化する。
• 有毛細胞は先端リンク tip link 先端リンク（tip link） tip link（先端リンク） で連結された不動毛 stereovilli/stereocilia 不動毛（stereovilli/stereocilia） stereovilli/stereocilia（不動毛） とTRPチャネル transient receptor potential channel TRPチャネル（transient receptor potential channel） transient receptor potential channel（TRPチャネル） を介する機械-電気変換を共通原理とし、内リンパendolymph 内リンパ（endolymph）endolymph（内リンパ） -外リンパ perilymph 外リンパ（perilymph） perilymph（外リンパ） 間の電気化学的勾配 electrochemical gradient 電気化学的勾配（electrochemical gradient） electrochemical gradient（電気化学的勾配） （蝸牛では120 mV）がその感度を決定する。
• 外有毛細胞outer hair cell 外有毛細胞（outer hair cell）outer hair cell（外有毛細胞） はプレスチン Prestin プレスチン（Prestin） Prestin（プレスチン） による能動的な収縮・伸長でコクリア増幅器 cochlear amplifier コクリア増幅器（cochlear amplifier） cochlear amplifier（コクリア増幅器） として働き、内有毛細胞inner hair cell 内有毛細胞（inner hair cell）inner hair cell（内有毛細胞） （求心性線維afferent fiber 求心性線維（afferent fiber）afferent fiber（求心性線維） の95%の起源）が実際の音受容を担う。プレスチンPrestin プレスチン（Prestin）Prestin（プレスチン） を欠損させても聾 deafness 聾（deafness） deafness（聾） にはならず、蝸牛の感度が40〜60 dB低下する（ヘテロ接合体heterozygote ヘテロ接合体（heterozygote）heterozygote（ヘテロ接合体） では約6 dB）²。
• 音の強度はAP頻度（レートコーディングrate codingレートコーディング（rate coding）rate coding（レートコーディング））、周波数は基底膜上の振動位置（プレイスコーディングplace codingプレイスコーディング（place coding）place coding（プレイスコーディング））、音源方向は両耳間の位相差 phase difference 位相差（phase difference） phase difference（位相差） でコードされる。
• 遠心性神経（アブミ骨筋stapediusアブミ骨筋（stapedius）stapedius（アブミ骨筋）・鼓膜張筋tensor tympani鼓膜張筋（tensor tympani）tensor tympani（鼓膜張筋）、および外有毛細胞 outer hair cell 外有毛細胞（outer hair cell） outer hair cell（外有毛細胞） へのACh入力）は過大音刺激からの保護的フィードバックとして機能する。