電気生理学

電気生理学

電気生理学は、神経、脳、筋肉、心臓などの組織や細胞における電気的な性質と生理機能の関連性を探求する生理学の一分野であり、またそこで用いられる実験技術を指します。特に神経生理学においては、電気生理学的な研究が中心的な役割を果たしており、近年ではイオンチャネルや受容体といった分子レベルでの研究が盛んに行われています。

歴史

18世紀の電磁気学の発展期には、生体組織（特に筋肉）が電気刺激に反応することが知られていました。1780年、ルイージ・ガルヴァーニがカエルの脚を使った実験中に、外部からの電流なしに電気刺激と同様の現象が起こることを偶然発見しました。これは後にアレッサンドロ・ボルタによって化学電池（ガルバニ電池）の成立が原因と指摘されましたが、ガルヴァーニは生物内部に電流の発生要因があり、それが筋肉などの生体を動かすと考え、「動物電気」と名付けました。この考えが、今日の電気生理学の始まりとされています。

19世紀に入ると、電気を用いた生理学研究が活発になり、エミール・デュ・ボア＝レーモンやヘルムホルツらによって、神経活動が電気的活動であることが確立されました。組織の電気的活動を観測する方法として、筋電図や心電図の研究が19世紀末から進められ、心電図の計測は脳波とともに、現代では臨床検査に欠かせない技術となっています。20世紀半ばには、脳・神経系の研究に電気刺激法が用いられるようになりました。さらに、組織や細胞の電気的活動を測定するための様々な方法が開発され、神経活動の電気的な側面が詳細に解明されていきました。

日本では、元東北大学総長の本川弘一が電気生理学の研究における先駆者として知られており、著書『電気生理学』（岩波全書）があります。

実験法

電気生理学の実験では、電極を組織表面、組織内部（細胞外）、細胞表面、細胞内部などに固定し、電圧または電流の制御および測定を行います。電極には、古典的な固体電極の他に、プリント基板やガラスピペットなどが用いられ、目的に応じた形状とサイズの電極が選択されます。

測定方法としては、電圧を固定して電流を記録するボルテージクランプ（電位固定）法と、一定の電流を流して電圧を記録するカレントクランプ（電流固定）法があります。ボルテージクランプ法は、特定の膜電位におけるイオンチャネルの活動を調べるのに適しており、カレントクランプ法は、神経伝達物質の作用によって生じるイオンの流れに対する細胞の反応を調べるのに適しています。

マイクロメートル単位の微小な電極を使用することで、単一細胞の電気活動を記録することが可能です。現在では、細胞の活動に影響を与えにくい微小なガラスピペットが広く用いられています。これにより、分子レベルでの測定も可能になっています。

細胞外記録法

生きた動物の脳に電極を挿入し、隣接するニューロンの電気活動を細胞外から記録する方法です。先端直径が1マイクロメートルほどの微小な電極を使用すると、単一のニューロンの活動を検出できます。この方法で記録される活動電位は、細胞内記録によるものよりも弱くなります。デイヴィッド・ヒューベルとトルステン・ウィーセルによる、猫の単一ニューロンが視覚刺激に反応することを示した研究が、この方法の代表的な例です。

固体電極による細胞内記録法

細胞内に細い針状の電極を挿入し、膜の内外における電位差や電流を測定する方法です。一般的に、静止膜電位は-60から-80mV、活動電位は+40mV程度になります。アラン・ロイド・ホジキンとアンドリュー・フィールディング・ハクスリーによるニューロンの活動電位の研究は、この方法を用いた代表的な例であり、イカの巨大軸索にボルテージクランプ法を適用したものです。

パッチクランプ法

緩衝液と電極を入れた微小なピペットの先端を細胞膜に押し付けると、ピペット内外の液が絶縁され、押し付けられた内側部分（パッチ）の電気活動が記録できます。この方法をパッチクランプ法といいます。エルヴィン・ネーアーとベルト・ザクマンによって開発されました。

パッチクランプ法には、細胞を吸い付けてイオンチャネルの性質を調べる方法、パッチを破って細胞内記録を行う方法、穿孔パッチ法、パッチを細胞から切り離して調べる方法などがあります。

膜電位の光学計測法

古典的な電気生理学的手法では、細胞一つ一つの活動を同時記録することが困難です。膜電位の光学計測法（膜電位イメージング）は、膜電位に応じて蛍光や吸光度が変化する分子を用いて、膜電位を間接的に計測する方法であり、神経細胞集団の活動を同時記録する上で有効な手法となっています。

光遺伝学

光遺伝学は、光感受性のタンパク質を介して光で膜電位を操作する技術です。この技術を用いることで、神経細胞の活動を光によって制御することが可能になります。

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