ニューロンの基本構造
神経系を構成する基本の細胞であるニューロンは、細胞体、樹状突起、軸索から成り立っています。細胞体は核や細胞小器官が集まった本体で、樹状突起は他のニューロンからの信号を受け取る木の枝のような突起です。軸索は細胞体で作られた信号を次のニューロンや筋肉・分泌腺まで遠くへ伝える長い線維で、末端の軸索終末で信号を次の細胞へ渡します。
静止膜電位(-70mV)
刺激がないとき、ニューロンの細胞膜の内側は外側よりも約-70mV低い電位に保たれています。これは膜の内外にあるナトリウム(Na+)イオンとカリウム(K+)イオンの濃度差によって生じる電位差で、膜にあるナトリウム-カリウムポンプがATPのエネルギーを使ってこの濃度差を維持し続けています。刺激がないときに保たれるこの電位を静止膜電位と呼びます。
活動電位(神経の興奮)が発生する仕組み
刺激が閾値を超えるとナトリウムチャネルが開き、膜電位が一瞬逆転する活動電位が発生します。ナトリウムイオンが細胞内に流れ込むと膜電位がプラスに変わる脱分極が起こり、続いてカリウムイオンが外へ流れ出て再びマイナスに戻る再分極が起こります。この電気信号は一度発生すると大きさが弱まることなく軸索の先端まで伝わるという特徴があります。
髄鞘と跳躍伝導
軸索を包む髄鞘のおかげで、信号はランビエ絞輪だけを飛び越えながらはるかに速く伝わります。髄鞘に覆われていない部分であるランビエ絞輪でだけ新たに活動電位が発生し、その間の区間は信号が飛び越えるように素早く移動します。この跳躍伝導のおかげで、髄鞘のある神経はない神経より信号伝達速度がはるかに速くなります。
シナプスとシナプス間隙
ニューロンとニューロンが出会う部位をシナプスと呼び、そこには約20〜40ナノメートル(nm)というごく狭い隙間、シナプス間隙があります。ほとんどのシナプスでは2つのニューロンの細胞膜が直接くっついておらず、この狭い隙間を挟んでいます。電気信号である活動電位はこの隙間を直接飛び越えられないため、信号を伝えるには化学的な方法が必要になります。
神経伝達物質の役割
活動電位が軸索終末に到達すると、神経伝達物質を含む小胞が破れてシナプス間隙に物質が放出されます。放出された神経伝達物質(ドーパミン、セロトニン、アセチルコリンなど)はシナプス間隙を渡って次のニューロンの受容体に結合し、この結合が次のニューロンで新たな電気信号を作り出します。つまりシナプスでは電気信号が一度化学信号に変わり、再び電気信号に戻るのです。
興奮性信号と抑制性信号
神経伝達物質の種類によって、次のニューロンを興奮させることもあれば、逆に抑制することもあります。興奮性信号は次のニューロンが活動電位を起こしやすくし、抑制性信号は逆に起こりにくくします。1つのニューロンは多数の他のニューロンからこの2種類の信号を同時に受け取り、その合計の結果によって信号を送るかどうかを決めます。
反射弓:脳を経由しない反応
熱いものに触れた瞬間に思わず手を引っ込める反応のように、一部の反応は脳まで行かずに脊髄で直接処理されます。感覚ニューロンが受けた刺激が脊髄の介在ニューロンを経て直接運動ニューロンへ伝わる経路を反射弓と呼びます。信号が脳まで上って戻ってくる時間を省けるため、危険な刺激にはるかに速く反応できます。