Physiology · 1.6

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。

The development of the action potential in excitable cells: similarities and differences between distinct cells. Conduction of the action potential.

応用トピック: 生命を脅かす神経疾患の集中治療（脳卒中・ギラン・バレー症候群）麻酔科学VI：区域麻酔痙攣・てんかん重積状態の救急治療小児のけいれん、熱性けいれん

🧠 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（AP）	グレイド（電気緊張）電位
振幅	大きい・一定	刺激の強さに比例して変動
伝播	減衰せず軸索全長を伝わる	距離とともに指数関数的exponentially指数関数的（exponentially）exponentially（指数関数的）に減衰
応答様式response応答様式（response）response（応答様式）	全か無かの法則all-or-none law法則（all-or-none law）all-or-none law（法則）	アナログ的

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

種類	機序	意味
絶対不応期absolute refractory period絶対不応期（absolute refractory period）absolute refractory period（絶対不応期）	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）の不活性化ゲートが閉じている	どれほど強い刺激でも新たなAPは発生しない
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⁺透過性上昇による後過分極afterhyperpolarization後過分極（afterhyperpolarization）afterhyperpolarization（後過分極）	通常より強い刺激があれば新たなAPが発生しうる

⭐ 「絶対不応期absolute refractory period絶対不応期（absolute refractory period）absolute refractory period（絶対不応期）＝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 CajalCajal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。

因子	効果	理由
軸索径axon diameter軸索径（axon diameter）axon diameter（軸索径）	太いほど速い	抵抗は断面積に反比例するため
髄鞘化myelination髄鞘化（myelination）myelination（髄鞘化）	あるほど速い（跳躍伝導saltatory conduction跳躍伝導（saltatory conduction）saltatory conduction（跳躍伝導））	髄鞘（myelin sheath：シュワン細胞Schwann cellシュワン細胞（Schwann cell）Schwann cell（シュワン細胞）＝PNS、乏突起膠細胞oligodendrocyte乏突起膠細胞（oligodendrocyte）oligodendrocyte（乏突起膠細胞）＝CNS）が膜抵抗を上げ膜容量を下げ、電流漏出current leak電流漏出（current leak）current leak（電流漏出）を減らす

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。

⚠️ 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 channelCa²⁺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。