Physiology · 2.1

心臓における興奮の発生と伝導。ペースメーカー電位の機序。ペースメーカー活動と興奮伝導の調節。

Impulse generation and conduction in the heart. Mechanism of pacemaker potential. Control of pacemaker activity and impulse conduction.

応用トピック: 院内における一次救命処置と二次救命処置周停止期不整脈の診断と治療徐脈性不整脈上室性不整脈心房細動電気的および薬理学的カルディオバージョン心室性不整脈不整脈のアブレーション治療ペースメーカーの適応と種類 ICDとCRT：適応と種類心房細動徐脈患者の鑑別診断と管理頻脈患者の鑑別診断と管理心臓の刺激生成・伝導障害薬物中毒―ジギタリス・オピオイド・ベンゾジアゼピン・パラセタモール電撃傷の内科的管理低体温症の内科的管理小児の不整脈（徐脈・頻脈）
症状: 徐脈

🧠 洞房結節sinoatrial (SA) node洞房結節（sinoatrial (SA) node）sinoatrial (SA) node（洞房結節）（sinoatrial node, SA結節）の自動能automaticity自動能（automaticity）automaticity（自動能）は「funnyチャネルが緩徐に脱分極→T型Ca²⁺チャネルcalcium channelCa²⁺チャネル（calcium channel）calcium channel（Ca²⁺チャネル）が起爆→L型Ca²⁺チャネルcalcium channelCa²⁺チャネル（calcium channel）calcium channel（Ca²⁺チャネル）が本格的に脱分極させる」という3段ロケットだと捉える。交感神経はこのロケットの燃焼combustion燃焼（combustion）combustion（燃焼）を速め（If↑）、副交感神経はブレーキ（GIRK経由の過分極）をかける——この単純な図式に、伝導系の「速い応答（心筋）vs遅い応答（結節）」という対比を重ねれば全体が繋がる。

心臓の2種類の活動電位

心臓は収縮細胞（心筋細胞cardiomyocyte (cardiac myocyte)心筋細胞（cardiomyocyte (cardiac myocyte)）cardiomyocyte (cardiac myocyte)（心筋細胞）, cardiac myocyte）と伝導細胞conducting cell伝導細胞（conducting cell）conducting cell（伝導細胞）から成り、ペースメーカー活動pacemaker activityペースメーカー活動（pacemaker activity）pacemaker activity（ペースメーカー活動）は右房のSA結節に存在する。

	速い応答	遅い応答
存在部位	心房・心室筋	結節細胞nodal cell結節細胞（nodal cell）nodal cell（結節細胞）（SA・AV結節）
相	0（立ち上がりupstroke立ち上がり（upstroke）upstroke（立ち上がり））→1（部分再分極）→2（プラトーplateauプラトー（plateau）plateau（プラトー））→3（完全再分極）→4（静止電位）	相1・2（部分再分極・プラトーplateauプラトー（plateau）plateau（プラトー））を欠く
静止電位（相4）	より負	より浅い
立ち上がりupstroke立ち上がり（upstroke）upstroke（立ち上がり）の傾き（slope of upstroke）	急峻steep (dose gradient)急峻（steep (dose gradient)）steep (dose gradient)（急峻）	緩やか
振幅	大きい	小さい
伝導	速く、ブロックされにくい	遅く、ブロックされやすい

ペースメーカー電位の機序

SA結節細胞nodal cell結節細胞（nodal cell）nodal cell（結節細胞）は自動能automaticity自動能（automaticity）automaticity（自動能）——刺激なしに自発的に脱分極してAPを発生する性質——を持つ。関与する電流とチャネルは以下の通り。

電流	チャネル	イオン	方向	機能
I_f（funny current）	HCN4（HCN1、hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channel）	Na⁺	内向き（inward）	約−50mV以下の過分極＋cAMP↑で活性化。ペースメーカーpacemakersペースメーカー（pacemakers）pacemakers（ペースメーカー）電位を作る
I_Ca,T	T型VDCC（transient-type voltage-dependent Ca²⁺ channel）	Ca²⁺（一部Na²⁺）	内向き	約−60mVでの初期の一過性脱分極
I_Ca,L	L型VDCC（long-lasting-type）	Ca²⁺	内向き	約−30mVでの持続的脱分極
I_K	各種電位依存性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）	K⁺	外向き（outward）	再分極
I_K,ACh	GIRK1/GIRK4（G protein-gated inwardly rectifying K⁺ channel）	K⁺	外向き	ACh刺激による過分極

flowchart TD
  A["相4：再分極直後（約-60mV以下）"]
  A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='HCN channel'>HCNチャネル</span>開口→If（Na+流入）で緩徐な脱分極"]
  B --> C["約-45mV到達→T型VDCC開口→初期脱分極（一過性）"]
  C --> D["約-25mV到達→T型VDCC不活性化＋L型VDCC開口"]
  D --> E["L型VDCC駆動のCa2+流入で本格的脱分極（約+20mVまで）"]
  E --> F["各種<span class='jp-term jp-term-diagram' title='voltage-gated'>電位依存性</span>K+チャネル開口→IK（外向き）で再分極"]
  F --> A

⭐ HCNチャネルHCN channelHCNチャネル（HCN channel）HCN channel（HCNチャネル）は「過分極で開く」という一見逆説的paradoxically逆説的（paradoxically）paradoxically（逆説的）な性質を持つ。名前どおりhyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated チャネルで、不活性化しない点も骨格筋・心筋のNa⁺チャネルと対照的。cAMP濃度が上がるとより浅い電位でも開きやすくなり、これが交感神経刺激で心拍数が上がる分子基盤になる。

GIRK

副交感神経はM2受容体（Gi）を介してGIRKを開口させ、結節細胞nodal cell結節細胞（nodal cell）nodal cell（結節細胞）を過分極させる。これによりペースメーカーpacemakersペースメーカー（pacemakers）pacemakers（ペースメーカー）電位が閾値に到達するまでの時間が延び、心拍数が低下する。

ペースメーカー活動の調節

1. 自律神経系による調節

	交感神経（陽性変時positive chronotropic陽性変時（positive chronotropic）positive chronotropic（陽性変時）, positive chronotropy）	副交感神経（陰性変時negative chronotropic陰性変時（negative chronotropic）negative chronotropic（陰性変時）, negative chronotropy）
受容体	β1（Gs）	M2（Gi）
機序	cAMP↑→PKA↑→HCN活性化→If↑・I_Ca,L↑	cAMP↓→If↓、Gβγ→GIRK開口→過分極（I_K,ACh↑）
結果	脱分極が速くなり閾値到達までの時間短縮→心拍数↑	過分極＋Ca²⁺電流減少で閾値到達が遅れる→心拍数↓
支配部位	洞房結節sinoatrial (SA) node洞房結節（sinoatrial (SA) node）sinoatrial (SA) node（洞房結節）・房室結節atrioventricular (AV) node房室結節（atrioventricular (AV) node）atrioventricular (AV) node（房室結節）	右迷走神経right vagus nerve右迷走神経（right vagus nerve）right vagus nerve（右迷走神経）=SA結節（心拍数↓）、左迷走神経left vagus nerve左迷走神経（left vagus nerve）left vagus nerve（左迷走神経）=AV結節（伝導速度conduction velocity伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度）↓）

⚠️ 迷走神経は心室を支配しない。 そのため副交感神経刺激は心室の収縮力低下（陰性変力作用negative inotropic effect陰性変力作用（negative inotropic effect）negative inotropic effect（陰性変力作用）, negative inotropy）をもたらさない（1-10-parasympathetic-and-sympathetic-efferent-mechanisms参照）。

💡 副交感神経の効果は交感神経より強い（vagal dominance）。 β1遮断薬プロプラノロールpropranololプロプラノロール（propranolol）propranolol（プロプラノロール）は心拍数を約10bpmしか下げないが、M2遮断薬アトロピンatropineアトロピン（atropine）atropine（アトロピン）は心拍数を約50bpm上げる。両方を投与すると洞房結節sinoatrial (SA) node洞房結節（sinoatrial (SA) node）sinoatrial (SA) node（洞房結節）固有の頻度である約100bpmに収束する——これは安静時心拍数resting heart rate安静時心拍数（resting heart rate）resting heart rate（安静時心拍数）（約70bpm）が常に副交感神経による抑制を受けていることを意味する。

2. 循環ホルモン

甲状腺機能亢進症→頻脈、甲状腺機能低下hypothyroidism甲状腺機能低下（hypothyroidism）hypothyroidism（甲状腺機能低下）症→徐脈。循環血中エピネフリンは交感神経と同様の機序で頻脈をもたらす。

SA結節が機能しない場合

伝導系の他の細胞もHCNチャネルHCN channelHCNチャネル（HCN channel）HCN channel（HCNチャネル）を持つため、自発的脱分極能力を持つ。最も脱分極速度（固有頻度, intrinsic rate）が高い部位がペースメーカーpacemakersペースメーカー（pacemakers）pacemakers（ペースメーカー）の役割を引き継ぐ。優先順位はAV結節＞房室束bundle of His房室束（bundle of His）bundle of His（房室束）（His束AV bundle (of His)His束（AV bundle (of His)）AV bundle (of His)（His束））＞脚（bundle branch、Tawara束）＞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）＞異所性焦点ectopic foci異所性焦点（ectopic foci）ectopic foci（異所性焦点）の順で、下位lower下位（lower）lower（下位）ほど固有頻度は低い。

心臓内の興奮伝導

局所電流local current局所電流（local current）local current（局所電流）により、脱分極した領域から静止電位のままの領域へ興奮が伝わる。駆動する内向き電流は速い組織（心筋）ではNa⁺、遅い組織（結節細胞nodal cell結節細胞（nodal cell）nodal cell（結節細胞））ではCa²⁺。

伝導速度conduction velocity伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度）を決める2因子：

内向き電流の大きさ： 大きいほど速い。
抵抗： ギャップ結合gap junctionギャップ結合（gap junction）gap junction（ギャップ結合）（介在板intercalated discs介在板（intercalated discs）intercalated discs（介在板）, intercalated disc）による低抵抗、太い細胞径（His束AV bundle (of His)His束（AV bundle (of His)）AV bundle (of His)（His束）・プルキンジ線維）ほど速い。

組織	伝導速度conduction velocity伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度）
SA結節	<0.01 m/s
心房筋atrial muscle心房筋（atrial muscle）atrial muscle（心房筋）	1.0–1.2 m/s
AV結節	0.02–0.05 m/s（最も遅い）
His束AV bundle (of His)His束（AV bundle (of His)）AV bundle (of His)（His束）	1.2–2.0 m/s
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）	2.0–4.0 m/s（最も速い）
心室筋	0.3–1.0 m/s

⭐ AV結節の伝導遅延（約100ms、SA結節から心室最遠部までの総時間の約半分）は「バグ」ではなく設計。 線維性骨格fibrous skeleton線維性骨格（fibrous skeleton）fibrous skeleton（線維性骨格）による電気的絶縁electrical insulation電気的絶縁（electrical insulation）electrical insulation（電気的絶縁）と、貫通部の細い線維という2要因により意図的intentional意図的（intentional）intentional（意図的）に遅延させ、心房収縮atrial contraction心房収縮（atrial contraction）atrial contraction（心房収縮）による心室充満ventricular filling心室充満（ventricular filling）ventricular filling（心室充満）の時間を確保している。

伝導経路： SA結節→AV結節→His束AV bundle (of His)His束（AV bundle (of His)）AV bundle (of His)（His束）→脚Tawara branches脚（Tawara branches）Tawara branches（脚）→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）→心室筋。最後に脱分極するのは心室の心外膜側epicardial side心外膜側（epicardial side）epicardial side（心外膜側）（房室溝付近）。

正常洞調律normal sinus rhythm正常洞調律（normal sinus rhythm）normal sinus rhythm（正常洞調律）の条件： ①APがSA結節由来 ②規則的な60〜100回/分 ③正しい順序とタイミングで心筋が興奮すること。

不応期

種類	機序
有効不応期effective refractory period有効不応期（effective refractory period）effective refractory period（有効不応期）	内向き電流チャネルが脱分極により不活性化されたまま→再興奮不可
相対不応期relative refractory period相対不応期（relative refractory period）relative refractory period（相対不応期）	チャネルが不活性化から回復しつつある→強い刺激でAP再発生可

神経性調節と伝導

	交感神経（陽性変伝導positive dromotropic陽性変伝導（positive dromotropic）positive dromotropic（陽性変伝導）, positive dromotropy）	副交感神経（陰性変伝導negative dromotropic陰性変伝導（negative dromotropic）negative dromotropic（陰性変伝導）, negative dromotropy）
機序	AV/SA結節のCa²⁺電流↑（立ち上がりupstroke立ち上がり（upstroke）upstroke（立ち上がり）促進）、有効不応期effective refractory period有効不応期（effective refractory period）effective refractory period（有効不応期）短縮	Ca²⁺電流↓＋K⁺電流↑（過分極）
効果	伝導速度conduction velocity伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度）↑、結節細胞nodal cell結節細胞（nodal cell）nodal cell（結節細胞）の回復が速まり再発火しやすくなる	伝導速度conduction velocity伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度）↓。強い迷走神経刺激vagal stimulation (vagal maneuver)迷走神経刺激（vagal stimulation (vagal maneuver)）vagal stimulation (vagal maneuver)（迷走神経刺激）ではAV結節が過分極しすぎて伝導が途絶することもある

まとめ

SA結節の自動能automaticity自動能（automaticity）automaticity（自動能）はHCN（If）→T型VDCC→L型VDCCの順で駆動され、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）で再分極する。
交感神経（β1-Gs-cAMP↑-If↑）は心拍数を上げ、副交感神経（M2-Gi-GIRK開口）は心拍数を下げる。迷走神経の効果の方が強い（vagal dominance）。
伝導速度conduction velocity伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度）はNa⁺/Ca²⁺電流の大きさと細胞径・ギャップ結合gap junctionギャップ結合（gap junction）gap junction（ギャップ結合）抵抗で決まり、AV結節が最も遅く（意図的intentional意図的（intentional）intentional（意図的）遅延）、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）が最も速い。
不応期refractory period不応期（refractory period）refractory period（不応期）は有効不応期effective refractory period有効不応期（effective refractory period）effective refractory period（有効不応期）（チャネル不活性化）と相対不応期relative refractory period相対不応期（relative refractory period）relative refractory period（相対不応期）（回復途上）に分かれる。