シンプルさから生まれる魔法：生体電気の起源を解明

制作：中国科学普及協会

著者: オットー・スターライト

プロデューサー: 中国科学博覧会

物理学、化学、生物学、情報に関係する知識があるとしたら、何を思い浮かべますか?皆さんの中には、主に神経インパルスである生体電気を答える人もいるかもしれません。友人の中には、「神経質になると衝動的になることもあるの？」と尋ねる人もいるかもしれません。焦らないでください。この「衝動」はあの衝動ではありません。

神経内の電気パルス信号は、金属導体内の電子伝達とは異なります。神経を一種の電線に例えると、神経自体は有機組織として導電性が低いと言えます。また、神経は絶縁性の低い体液に浸されているため、インピーダンスによってワイヤー内の神経信号が減衰し続けることになります。この時、神経は導電性が悪く、あらゆるところで漏れがある電線のようになります。

科学者たちは長い間、神経内の電気インパルスのメカニズムを研究してきました。そしてその秘密はとてもシンプルで魔法のようです。

カエルの実験 - 生体電気の最初の発見

18 世紀初頭、ガルヴァーニは有名なカエルの実験を通じて生体電気の存在を発見しました。この実験で彼は、金属がカエルの脚にけいれんを引き起こす可能性があることを観察しました。この発見は後にボルトに電池を発明するきっかけを与え、電気そのものの発展を促進しました。しかし、この発見は神経が電気信号を伝達する仕組みに関する研究にはほとんど影響を与えなかった。

1871 年になって初めて、アメリカの生理学者ボウディッチは、神経の刺激が一定の閾値に達しないと神経インパルスは発生しないという「神経の全か無かの法則」を提唱しました。 1913 年、エイドリアンは単一の神経の電気信号を測定して神経インパルスを記録し、神経インパルスが脳に到達し、脳が新しい神経インパルスを再送信して筋肉の収縮を制御することを発見しました。

しかし、上記の科学者たちの研究では、電流が神経内でどのように伝導されるのかはまだ説明されていません。

ガルヴァーニのカエルの実験

(画像出典: Wikipedia)

神経内で電気信号が伝達される仕組み

一般的には、体液には多くのイオンが含まれていると考えられています。これらは神経内の電気インパルスの伝達物質なのでしょうか? 1世紀前、ドイツの生理学者ベルンシュタインは、生体電気を司る荷電粒子は電子ではなく正に帯電したイオンであると初めて考え、細胞膜上で発生する神経インパルスによって細胞膜が膜電位差のない新しい平衡状態に素早く到達できることを確認しました。

バーンスタインの仮説は、静止電位の符号と大きさ、および神経インパルス中に観察される脱分極（膜電位がゼロになる）を説明します。しかし、神経インパルスの詳細なプロセスは、ホジキングとハクスリー（ハクスリー家の一員）という二人の人物が登場するまでは明らかにされませんでした。

神経インパルスの化学的メカニズム

ホーキングとハクスリーは1930年代に神経インパルスの化学的メカニズムを説明するために探索的な実験を行った。研究者たちは、イカの巨大な軸索に小さなガラス毛細管電極を挿入し、神経インパルスの電位の変化を測定し、極性反転（膜電位の符号の短い変化）を発見した。

そして、このピーク電位はナトリウムイオンのネルンスト電位とほぼ等しいことが分かりました。これにより、選択的透過性に関するバーンスタインの考えが拡張され、表面細胞膜は、主にカリウムイオンに対して選択的に透過性である状態から、ナトリウムイオンに対して透過性である状態へと急速に変化することができます。

しかし、研究がついに謎を解明するという興奮の瞬間に達したとき、第二次世界大戦が勃発しました。この研究は非軍事科学であったため、数年間棚上げされていました。ホーキングとカッツが研究を続け、軸索の外側の溶液のナトリウムイオン濃度が減少すると、ピーク電位は実際にゼロになるまで減少することを詳細に実証したのは 1946 年になってからでした。逆に言えば、ピーク電位は増加することになります。

その後の研究で、ホーキングとハクスリーは、神経細胞膜の脱分極がナトリウムイオン透過性の変化と膜伝導性の増加を引き起こすという、電圧ゲーティング仮説を提唱しました。研究者らは、膜電位に依存する伝導性でナトリウムイオンが膜を横切って移動できるようにする、膜内の何らかの未知の分子機構が存在すると考えている。

この見解は、膜を越えたナトリウムイオンの移動は正のフィードバックプロセスであることを示唆しています。つまり、脱分極によりナトリウムイオンを通過させる分子機械がオンになり、それが今度は脱分極プロセスを促進し、それによってさらに多くの分子機械がオンになり、2 つのサイクルが繰り返されます。これは神経インパルスの伝達を説明しています。

神経インパルスの伝達方法（アニメーション画像）

(画像出典: Wikipedia)

その後の実験では、ホーキング、ハクスリー、カッツは、新たに開発された 3 つの技術 (空間クランプ、電圧クランプ、イオンフロー分離) を使用して、一連の高度な実験を実行し、電位依存のイオン選択伝導性の存在を確認しました。

コンピュータが登場する前の時代、彼らは手回し式のコンピュータを使用し、神経の電気インパルスの計算を再構築するのにほぼ 1 か月を費やしました。得られた結果は、活動電位の時間的特性、伝播速度、および膜外のイオン濃度の変化に対するその依存性を完全に再現しました。

しかし、本質的には、ホーキング-ハクスリーモデルによって明らかにされた活動電位理論は、単なる現象論的な理論にすぎません。測定された多数のイオンのマクロ的な結果と物理的パラメータを使用して活動電位を説明することはできますが、固有の化学メカニズム、つまり神経膜上の分子機械がどのようにして異なるサイズのナトリウムイオンとカリウムイオンを輸送するかを説明することはできません。

神経インパルスの分子生物学的基礎

より深い理解には、分子生物学と電子機器の開発が必要になります。本当のブレークスルーは 1975 年に起こりました。ネーハーとサクマナンが必要な電子工学とパッチ クランプ技術を開発し、この 2 つの進歩により、生きた細胞の膜にあるイオン チャネルと呼ばれる個々の分子機械を流れる電流を測定できるようになりました。

イオンチャネルの微細構造の観察結果は、イオンチャネルの特異性と伝導メカニズムを示しています。 1998 年、Mackinnon らは、カリウムイオンチャネルの結晶構造を初めて取得し、そのサイズがカリウムイオンのサイズと完全に一致することを発見しました。その構造は、神経膜電位の変化がイオンチャネルタンパク質の大規模な構造変化を引き起こし、イオンチャネルの開口につながることも示しており、神経インパルス伝達の特定のプロセスも明らかにしています。

そのとき初めて、人々は生体電気の物理法則、化学メカニズム、分子生物学的基礎を完全に解明したのです。

ナトリウムイオンチャネルとカリウムイオンチャネルの模式図

(画像出典: Wikipedia)

人間の生体電気の応用

生体電気の応用範囲は、もちろん非常に広範囲であり、無限の可能性を秘めています。生体電気の化学的メカニズムが発見されるずっと前から、病院では患者の心臓疾患を検査するために心電図を使用していました。安全性と操作の容易さから、病院では伝統的な鍼治療の代わりに電気鍼療法を使用することが多くなりました。現在人気の高い脳コンピューターインターフェースは、最先端の学際的なテーマとなっています。医療現場で大きな役割を果たし、患者の身体的および精神的トラウマを修復することが期待されるだけでなく、さまざまな分野やシナリオで予想外の役割を果たすことになります。それは、私たちと機械との相互作用、さらには共生を実現するための鍵です。

マスクと彼のニューラリンク

（写真提供：New Wisdom）

結論

生体電気の研究は200年にわたります。これは、物理的および化学的方法を使用して生物学的問題を研究し、生物における情報伝達のメカニズムを明らかにする学際的研究モデルです。また、科学的理解を促進する上でのテクノロジーの役割も示しています。生体電気の影響はどれくらい大きいのでしょうか?あなたが今この記事を読んでいるときに抱くあらゆる感​​情、あらゆる動作、あらゆる考えに賛同したり疑問に思ったりすることは、すべて体内のナトリウムイオンとカリウムイオンの急速な輸送によって生成される電気インパルスに関係しています。

自然は、この独創的な方法を利用して、生物内での情報伝達を構築します。非常にシンプルですが、効果的に複雑さと魔法を生み出し、人類の未来に無限の可能性をもたらします。

参考文献:

[1] フィリップ・ネルソン『生物物理学：エネルギー、情報、生命』2006年

【2】ジョン・ブロックマン『なぜ世界はこんなに優雅に美しく機能するのか』2017年