Physiology

Physiology · 8.6

平衡感覚の生理学。味覚と嗅覚。

Physiology of equilibrium. The senses of taste and smell.

応用トピック
前庭系の解剖・生理と調和性・非調和性前庭症候群神経耳科学の基本的診察法メニエール症候群・メニエール病と治療選択肢BPPV・前庭神経炎・メニエール病の鑑別診断鼻の機能と鼻・副鼻腔の解剖生理鼻腔通気低下の原因、鼻中隔偏位、嗅覚障害回転性めまいと浮動性めまいの鑑別診断前庭系障害の症状と主な原因
症状
味覚障害嗅覚障害

🧠 と同じ「による機械-電気変換」の原理を使うが、によるのズレを、による回転検出を利用する——同じ変換装置を異なる「物理トリック」で駆動している点が鍵。味覚・嗅覚はいずれもGPCR(Gタンパク質共役受容体、G protein-coupled receptor)→という同型の化学受容機構を共有する。

前庭系の概要

は平衡感覚(、proprioceptionの一形態)を担い、が頭部の位置・・回転を検出する。これには有毛細胞を用いる2種類の装置が関わる:(前・後・水平)と、utricle・、saccule)。

有毛細胞の基本構造(蝸牛と共通)

  • 修飾された上皮細胞。活性化されると①グルタミン酸(主)②を分泌する
  • ([K⁺]=150 mM、[Na⁺]=1 mM)と、≈CSF(脳脊髄液、cerebrospinal fluid)、K⁺低・Na⁺高)を隔てる上皮細胞層内に存在
  • -40 mV。表面に(stereovilli、50〜150本、アクチン、actin充填)+特有の(9+2微小管)を持つ
  • の長さの勾配が方向感受性を決定する(8-05-physiology-of-hearing 参照)

内リンパ産生と前庭特有の電位

から様のによって産生されるが、は産生部位(蝸牛の)から離れているため、[K⁺]は高いまま維持されるものの、電位は距離による減衰のためほぼ0 mVまで消失する(蝸牛では+80 mV)。

⚠️ この違いにより、0mV(40mV)=40mV0,\text{mV} - (-40,\text{mV}) = 40,\text{mV} となり、蝸牛(120 mV)よりかなり小さい——は蝸牛ほど鋭敏な電気的を持たない。

機械-電気変換

蝸牛と同じくを制御する:機械刺激→最長方向への偏位→張力↑→開口→K⁺流入→脱分極→VG-開口→Ca²⁺流入→。逆方向の偏位ではすべてが逆転し、過分極・伝達物質放出停止となる。

耳石器(卵形嚢・球形嚢)

前庭には5つの感覚構造がある:2つの)と3つの

は迷路の中心付近に位置し、で満たされに囲まれる。へK⁺を分泌する。

には有毛細胞が存在し、その類、mucopolysaccharide+、otoconia=CaCO₃結晶からなる)へ突き出ている。を周囲のより高密度にする——体位変化やによりがずれることでが偏位し、機械刺激として作用する。

耳石器の配置

器官 配置 有毛細胞の向き
垂直 線条に向かう
水平 線条から離れる

このにより3次元的なシステムが構成され、どの方向の機械刺激変化にも全体が応答できる。

線条は各斑の中央を走る溝で、有毛細胞の向きの基準となる。線条の片側でAP頻度が増加し、反対側で減少するため、強いが生まれ解釈が容易になる。

刺激となるのは①頭部の位置変化と②頭部の——いずれもの移動→の偏位→有毛細胞の活性化を引き起こす。

神経支配は1型・2型有毛細胞を支配し、細胞体はScarpa神経節を形成、同側のへ終止する。性線維もCNSから1型・2型有毛細胞へ入力し、系全体の長期的感受性に影響する。

半規管

では、有毛細胞が内のし、を含まない類)へ突き出ている。の密度はの密度と等しい。

⚠️ これがの本質的な仕組みである:頭部の位置変化やが生じても、と共に移動し両者間に相対運動が生じないため、系は活性化されない——が検出できるのは回転のみである。

回転検出の機序

flowchart TD
  A["頭部の回転が始まる"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endolymph'>内リンパ</span>は<span class='jp-term jp-term-diagram' title='inertia'>慣性</span>により回転に追従できず遅れる"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endolymph'>内リンパ</span>の相対的な流れが生じる"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cupula'>クプラ</span>が偏位する"]
  D --> E["有毛細胞の活性化変化(AP頻度変化)"]
  F["約15秒後、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endolymph'>内リンパ</span>が頭部回転に追いつく"] --> G["相<span class='jp-term jp-term-diagram' title='convection'>対流</span>動が消失→定常状態"]
  H["回転が停止する"] --> I["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endolymph'>内リンパ</span>が逆方向へ相対的に流動"]
  I --> J["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cupula'>クプラ</span>が逆方向へ偏位→再度活性化変化"]

回転の開始停止の両方が有毛細胞を活性化する。例えば頭部が左へ回転すると、によりは両水平内で相対的に右へ移動する。左耳ではこれによりに向かって屈曲しAP頻度が増加、右耳では逆にから離れる方向に屈曲しAP頻度が減少する。

神経支配と反射からの一次を介して脳幹に至り、大部分はで終止する。この結合を通じては以下の反射に関与する:

⚠️ の機能不全はめまい(vertigo)と病的眼振を引き起こす。病的眼振は制御不能な眼球運動であり、やバランス・協調運動の障害をもたらす。

味覚の生理学

味覚は器により化学刺激を検出し、異なる味として解釈する。の大部分は舌(、fungiform papilla・、foliate papilla・、circumvallate papillaの基部)にあり、口蓋・咽頭・喉頭にも存在する。

味覚系の神経支配方=顔面神経(、chorda tympani)、舌後方=、咽頭=迷走神経の枝。これらは感覚神経であり、神経節にを持つ。(2次ニューロン)はへ投射→視床VPM(3次ニューロン)→、insular cortex)。感覚神経の末梢終末はに接続し、は5つの主要な味覚それぞれに特化している。に隣接する細胞膜上の受容体がの特異性を決定し、唾液中のを味として検出する。

味覚伝達の機序

(Na⁺イオンの味):

Na⁺感知ENaC(上皮性Na⁺チャネル、epithelial sodium channel)を介したNa⁺流入脱分極VG-Ca2+チャネル開口[Ca2+]IC伝達物質放出神経終末活性化(閾値以上でAP形成)\text{Na⁺感知} \to \text{ENaC(上皮性Na⁺チャネル、epithelial sodium channel)を介したNa⁺流入} \to \text{脱分極} \to \text{VG-Ca}^{2+}\text{チャネル開口} \to [\text{Ca}^{2+}]_{IC}\uparrow \to \text{伝達物質放出} \to \text{神経終末活性化(閾値以上でAP形成)}

酸味(プロトン=H⁺の味):H⁺イオンがTRPP3を活性化→Na⁺流入——と同じ下流経路をたどるが、感知細胞と酸味感知細胞は別の細胞である点に注意。

・うま味:うま味は肉・アミノ酸(amino acid、グルタミン酸・)の味、は毒性化合物を感知し飲み込む前に吐き出させる防御機構、は糖分子を感知する。

味覚 受容体
T2R(30種のがあるが、どれも同じ「苦い」として知覚される)
T1R2+T1R3(二量体、dimer)
うま味 T1R1+T1R3(二量体)

これら3味覚の機構は共通している:

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sweet taste'>甘味</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='bitter taste'>苦味</span>・うま味物質がGPCRに結合"] --> B["G_gustducin(≈Gq)活性化"]
  B --> C["PLC(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phospholipase C'>ホスホリパーゼC</span>、phospholipase C)活性化→DAG+IP3"]
  C --> D["Ca²⁺シグナル→[Ca²⁺]IC↑"]
  D --> E["伝達物質放出"]
  D --> F["TRPM5(Ca²⁺感受性<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transient receptor potential channel'>TRPチャネル</span>)活性化"]
  F --> G["Na⁺流入→脱分極(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='amplification loop'>増幅ループ</span>)"]
  G --> D

TRPM5はCa²⁺シグナルと伝達物質放出を増幅する機構として働く。伝達物質放出後、隣接する感覚神経が活性化され味覚伝導路が開始する。

嗅覚の生理学

は空気中の化学刺激を様々な匂いとして検出する。は鼻腔の後上部に存在し、が末梢軸索(内で受容体として機能)と中枢軸索を持つ。

の投射(匂いの識別)、および・視床下部(情動的・生理的反応)へ投射する。

💡 は情動反応を担う構造と密接に結びついているため、嗅覚刺激は強い情動反応(不快感・魅力など)を誘発しうる。

嗅覚系の組織構成

  • の双極細胞は、それぞれ1種類の嗅覚のみに特化している
  • 各細胞末端には異なるGPCR(嗅覚受容体、olfactory receptor)が存在する
  • ヒトでは約800個の遺伝子が約350種の嗅覚受容体をコードする
  • 各匂い分子は受容体のユニークな組み合わせによって認識される——1つの化合物は「」と呼ばれる構造的特徴に応じて複数の異なる受容体で認識され、活性化される受容体パターンが特定の嗅覚を生み出す
  • 双極細胞の中枢軸索は、主に糸球体へ投射する。1つの糸球体は末梢に同一の受容体を持つ細胞由来のニューロン集団からなり、内で左右対称に局在する

嗅覚伝達の機序(350種の受容体すべてに共通)

flowchart TD
  A["匂い分子が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='GPCR'>嗅覚受容体</span>に結合"] --> B["G_olfactory(≈Gs)活性化→AC(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='adenylyl cyclase, AC'>アデニル酸シクラーゼ</span>、adenylate cyclase)活性化"]
  B --> C["cAMP↑"]
  C --> D["CNGチャネル(環状ヌクレオチド依存性、cyclic nucleotide-gated channel)(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cation channel'>陽イオンチャネル</span>)活性化→Na⁺・K⁺透過性↑"]
  D --> E["Na⁺流入→脱分極"]
  E --> F["[Ca²⁺]IC↑→Ca²⁺感受性Cl⁻チャネル開口→Cl⁻流出(さらなる脱分極)"]
  F --> G{"閾値超過?"}
  G -->|"Yes"| H["AP発生→嗅覚として知覚"]

嗅覚の順応

4つの機序によって生じ、うち3つはCa²⁺-複合体により媒介される:

  1. PDE(、phosphodiesterase)を活性化→cAMP↓→嗅覚シグナル↓
  2. CNGチャネルを阻害→Ca²⁺・Na⁺流入↓
  3. Na⁺/Ca²⁺を活性化→Ca²⁺流出↑→[Ca²⁺]IC↓→脱分極の活性化を抑制
  4. GPCR自体がリン酸化と結合によりされる——匂い刺激が持続的に存在すると、この強いにより次第に感じなくなる(神経系をから保護する機構)

まとめ

  • と同じtip link-機構で機械刺激をに変換するが、電位が距離減衰によりほぼ0 mVとなるためは40 mVと蝸牛より小さい。
  • )はの密度差を利用して頭部の位置変化・を検出し、線条を境に左右のAP頻度がをなす。
  • を持たないによる相動を利用して回転運動のみを検出し、回転の開始・停止いずれもが有毛細胞を活性化する。
  • 味覚は・酸味(TRPP3)というイオンチャネル直接活性化経路と、・うま味(T1R/T2R→Gq→PLC→Ca²⁺→TRPM5増幅)というGPCR経路の2系統に大別される。
  • 嗅覚は約350種のGPCR型受容体の組み合わせパターンで匂いを識別し、Golf→cAMP→CNGチャネルというで信号を変換する一方、Ca²⁺-を介した多重機序とGPCRによりする。