膜電位と活動電位の違い
膜電位の静止状態と基本特性
膜電位は細胞の内外に存在する電位の差を指し、すべての細胞において存在する基本的な生理現象です 。神経細胞が興奮していない静止状態では、細胞膜の内側は外側に対して負に帯電しており、この状態を静止膜電位と呼びます 。
静止膜電位の形成には以下の要素が重要な役割を果たします。
- K⁺の透過性: 静止時は細胞内に多く存在するK⁺に対する膜の透過性が高く、K⁺平衡電位に近い値を示します
- Na⁺-K⁺ポンプの機能: 細胞外のK⁺を細胞内へ、細胞内のNa⁺を細胞外へ能動輸送します
参考）【高校生物】「静止電位」
- イオン濃度勾配: 細胞内外でのイオン分布の差が電位差を生み出します
参考）静止膜電位
一般的に神経細胞の静止膜電位は約-70mVであり、この値は細胞の種類や組織部位により若干異なります 。心筋細胞では-80～-90mVと、より負の値を示すことが知られています 。
活動電位の発生メカニズムと特性
活動電位は神経細胞が刺激を受けた際に発生する、膜電位の急激で一時的な変化です 。この現象は以下の段階を経て発生します：
刺激による脱分極の開始
興奮刺激による膜の局所的な脱分極が電位依存性Na⁺チャネルを開き、Na⁺が濃度勾配および電気的勾配により細胞内へ大量に流入します 。
参考）活動電位
正のフィードバックによる急速な脱分極
Na⁺の流入により膜電位の負電荷が減少すると、さらなるNa⁺チャネルが開いて大きなNa⁺流入が引き起こされます。この正のフィードバック機構により、膜電位は急峻に上昇し、約+20～+40mVまでオーバーシュートします 。
参考）http://www.gakkenshoin.co.jp/book/ISBN978-4-7624-3668-0/038-039.pdf
再分極過程の開始
Na⁺チャネルが不活性化され、K⁺チャネルが開くことでK⁺が細胞外へ流出し、膜電位は静止電位に向かって下降します 。
活動電位の特徴として、「全か無かの法則」に従うことが挙げられます。閾値以上の刺激が加わると一定の活動電位が発生し、刺激が強くても活動電位の大きさは変わりません 。
参考）https://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~naibunpi/Oka/2005Summer_Seminar.pdf
電位依存性イオンチャネルの役割と機能
電位依存性イオンチャネルは、膜電位の変化に応答して開閉するイオン透過経路であり、活動電位の発生と伝播に必須の構造です 。これらのチャネルは以下の特徴を持ちます：
ナトリウムチャネル（Na⁺チャネル）
- 脱分極刺激により迅速に開口し、Na⁺の細胞内流入を媒介
- 活動電位の立ち上がり（0相）を担当
- 不活性化により一過性の開口パターンを示します
カリウムチャネル（K⁺チャネル）
- 電位依存性チャネルの中で最大かつ最多様なクラス
- 活動電位の再分極過程を担当
- 100以上の遺伝子がヒトで同定されています
カルシウムチャネル（Ca²⁺チャネル）
- 心筋細胞で特に重要な役割を果たし、活動電位の持続（プラトー相）に寄与
- 筋収縮の引き金としても機能します
これらのチャネルの協調作用により、興奮性細胞では迅速で正確な電気信号の生成と伝達が可能となっています。
膜電位変化の臨床的意義と測定法
膜電位と活動電位の変化は、様々な疾患の病態解明や診断に重要な情報を提供します。特に以下の領域で臨床応用されています。
心電図（ECG）による心筋活動の評価
心筋細胞の活動電位は特徴的な5相性の変化を示し、0相から4相まで各相が特定の生理学的意味を持ちます。脱分極は心内膜から心外膜へ、再分極は心外膜から心内膜へと進行します 。
参考）循環器用語ハンドブック（WEB版） 静止電位（＝膜電位）／活…
神経伝導検査における活動電位測定
末梢神経の機能評価では、複合活動電位の測定が行われます。単一神経線維の活動電位は全か無かの法則に従いますが、神経線維束で記録される複合活動電位は刺激強度に応じて変化します 。
参考）https://www.medic.mie-u.ac.jp/meduc/text/physiol2003-4.pdf
病的状態での膜電位異常
- 虚血や低酸素状態では膜電位の安定性が損なわれ、不整脈の原因となります
- 神経疾患では活動電位の伝導速度や振幅に変化が生じます
- イオンチャネル病では特定チャネルの機能異常により、膜電位形成に障害が生じます
これらの知識は、循環器疾患、神経疾患、筋疾患などの診断と治療において不可欠な基盤となっています 。
参考）ヒトを対象とした paired-click 刺激に対する蝸牛…
膜電位と活動電位の違いに基づく治療アプローチ
膜電位と活動電位の生理学的違いを理解することで、より効果的な治療戦略を立案することができます。特に以下の治療アプローチが注目されています。
抗不整脈薬の作用機序
抗不整脈薬の多くは電位依存性イオンチャネルを標的とし、Na⁺チャネル遮断薬、K⁺チャネル遮断薬、Ca²⁺チャネル遮断薬などに分類されます。これらの薬剤は活動電位の各相に特異的に作用し、不整脈の抑制を図ります。
神経刺激療法の応用
迷走神経刺激療法では、治療抵抗性うつ病に対して迷走神経の活動を人工的に調節することで、前頭前皮質や扁桃体の脳波パターンを正常化させる効果が報告されています 。
参考）https://www.pharm.tohoku.ac.jp/file/information/20240110.pdf
筋弛緩モニタリングにおける神経刺激
手術中の筋弛緩モニタリングでは、運動神経に対する電気刺激により複合筋活動電位を測定し、筋弛緩薬の効果を評価します。この際、全か無かの法則を考慮した適切な刺激強度の設定が重要です 。
参考）筋弛緩モニタリング時の神経刺激の原理—うまく刺激するコツは強…
現代医学において膜電位と活動電位の理解は、診断技術の向上、新しい治療法の開発、薬物療法の最適化に直接的に貢献する重要な基礎知識となっています。これらの電気生理学的現象を正確に把握することで、より精密で効果的な医療を提供することが可能となります。