ニューロン活動電位シミュレータNeuron Action Potential Simulator

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 刺激をだんだん強くしていくと、記録される活動電位の高さ(ピークの電位)はどう変わると思いますか。If you make the stimulus gradually stronger, how do you think the height (peak potential) of the recorded action potential will change?💡 グラフに常に引かれている2本の水平線(−70 mV と −55 mV)が何を表しているかに注目しましょう。Think about what the two horizontal lines always drawn on the graph (−70 mV and −55 mV) stand for.
2. 軸索を太くしたとき、また髄鞘で包んだとき、興奮が伝わる速さはそれぞれどうなると思いますか。What do you think happens to the conduction speed when the axon is made thicker, and when it is wrapped in myelin?💡 髄鞘は電気を通しにくい膜で、軸索のところどころにすき間(ランビエ絞輪)があります。Myelin is a layer that does not conduct electricity well, and it has small gaps (nodes of Ranvier) along the axon.

2動かしてみようTry it

1. 「リセット」を押し、刺激を与えない状態で (B) 膜電位のグラフが静止 −70 mV の線上で安定していること、P1の膜(拡大)で Na⁺/K⁺ポンプ(3Na⁺外へ・2K⁺内へ)が動き続けていることを確認する。Press "Reset". Without any stimulus, check that graph (B) Membrane potential stays steady on the Resting −70 line, and that in the P1 membrane (zoom) the Na⁺/K⁺ pump (3Na⁺ out · 2K⁺ in) keeps working.
2. 「刺激の強さ」を 30% にして「⚡ 刺激を与える」を押す。続けて 50%、60%、100% でも刺激し、右の「実験の記録(P1で測定)」に出るピークと最低の値を比べる。Set "Stimulus strength" to 30% and press "⚡ Stimulate". Then stimulate at 50%, 60% and 100%, and compare the peak and minimum values in the "Experiment log (recorded at P1)".
3. 「アニメ速度」を 0.3× にして 70% で刺激し、「P1の状態」の表示が 上昇相 → 下降相 → 過分極 と変わる間に、P1の膜(拡大)の Na⁺チャネル・K⁺チャネルの開閉と、グラフ下の「開口」(Na⁺ と K⁺(遅れて開く))の曲線を見比べる。Set "Animation speed" to 0.3× and stimulate at 70%. While "P1 state" changes from Rising phase → Falling phase → Hyperpolarization, compare how the Na⁺ channel and K⁺ channel open and close in the P1 membrane (zoom) with the "Open" curves (Na⁺ and K⁺ (opens later)) under the graph.
4. (A) の軸索で、興奮が P1 → P2 → P3 へ進むときの「局所電流→」と、興奮が通り過ぎた後ろの「絶対不応期」の表示を観察する。In the axon of panel (A), watch the "Local current→" label as the impulse moves P1 → P2 → P3, and the "Abs. refractory" marker on the region the impulse has just passed.
5. 「アニメ速度」を 3.0× に戻し、「軸索の直径(細〜太)」を 1、5、10 µm にしてそれぞれ刺激し、「伝導速度の目安」と「実測(P2→P3)」を記録する。次に「髄鞘あり(跳躍伝導)」にチェックを入れて同じ直径で繰り返す(0.2× にすると絞輪が順に発火する様子が見やすい)。Set "Animation speed" back to 3.0×. Set "Axon diameter (thin–thick)" to 1, 5 and 10 µm, stimulate each time, and record "Estimated speed" and "Measured (P2→P3)". Then tick "Myelinated (saltatory conduction)" and repeat with the same diameters (at 0.2× it is easy to see the nodes fire one by one).

3確かめようCheck

1. 刺激の強さを 30%、50%、60%、100% にしたとき、それぞれ何が起きましたか。What happened when the stimulus strength was 30%, 50%, 60% and 100%?→ 30% では最大約 −62 mV、50% では約 −57 mV まで脱分極しただけで減衰し、活動電位は発生しなかった。60% と 100% ではどちらもピーク約 +36.6 mV・最低約 −80.3 mV の同じ活動電位が発生した。境目は約55〜58%で、閾値(−55 mV)に届くかどうかで決まる。At 30% the membrane only depolarized to about −62 mV, and at 50% to about −57 mV, then faded with no action potential. At both 60% and 100%, the same action potential appeared, with a peak of about +36.6 mV and a minimum of about −80.3 mV. The boundary is around 55–58%, depending on whether the threshold (−55 mV) is reached.
2. 上昇相と下降相では、どちらのチャネルが開いていて、イオンはどちら向きに移動していましたか。K⁺チャネルが開くタイミングはどうでしたか。During the rising and falling phases, which channels were open, and which way did the ions move? When did the K⁺ channels open?→ 上昇相では Na⁺チャネルが開いて Na⁺ が細胞内へ流入し、膜電位が約 +37 mV まで上がる。下降相では Na⁺チャネルが不活性化し、K⁺チャネルが開いて K⁺ が細胞外へ流出する。「開口」グラフでは K⁺ の曲線が Na⁺ より遅れて立ち上がり、ゆっくり閉じた。In the rising phase, Na⁺ channels open and Na⁺ flows into the cell, raising the potential to about +37 mV. In the falling phase, the Na⁺ channels are inactivated, the K⁺ channels open, and K⁺ flows out of the cell. In the "Open" graph, the K⁺ curve rises later than the Na⁺ curve and closes slowly.
3. 下降相のあと、膜電位はどうなってから −70 mV に戻りましたか。After the falling phase, what did the membrane potential do before returning to −70 mV?→ いったん約 −80 mV まで下がり(過分極)、そのあとゆっくり −70 mV に戻った。K⁺チャネルが閉じるのが遅いことが過分極の原因で、その後 Na⁺/K⁺ポンプと漏洩によって静止電位に戻る。It first dropped to about −80 mV (hyperpolarization) and then slowly returned to −70 mV. Hyperpolarization happens because the K⁺ channels close slowly; afterwards the Na⁺/K⁺ pump and leak bring the membrane back to the resting potential.
4. 直径と髄鞘の有無を変えると、伝導速度(実測 P2→P3)はどう変わりましたか。How did the measured conduction speed (P2→P3) change with axon diameter and myelination?→ 無髄では 1 µm で約1.0 m/s、5 µm で約2.1 m/s、10 µm で約2.9 m/s と、太いほど速くなった。髄鞘ありでは 1 µm で約6 m/s、5 µm で約28 m/s、10 µm で約56 m/s となり、同じ太さの無髄よりはるかに速かった。有髄ではランビエ絞輪だけが順に発火した。Without myelin, the speed was about 1.0 m/s at 1 µm, about 2.1 m/s at 5 µm and about 2.9 m/s at 10 µm, so thicker axons are faster. With myelin, it was about 6 m/s at 1 µm, about 28 m/s at 5 µm and about 56 m/s at 10 µm, much faster than an unmyelinated axon of the same diameter. In the myelinated axon, only the nodes of Ranvier fired, one after another.

4考えようThink further

1. 局所電流は興奮部位の前後両方に流れるのに、なぜ興奮は来た方向へ逆戻りしないのでしょうか。Local currents flow both forward and backward from an excited region, so why does the impulse not travel back the way it came?→ 興奮が通り過ぎた直後の部分は Na⁺チャネルが不活性化した絶対不応期にあり、局所電流を受けても再び興奮できないから。そのため興奮はまだ興奮していない前方の膜にだけ伝わり、一方向に進む。The region the impulse has just passed is in the absolute refractory period, when its Na⁺ channels are inactivated, so it cannot fire again even if local current reaches it. Therefore only the unexcited membrane ahead is triggered, and the impulse moves in one direction.
2. 活動電位の大きさが変わらないのなら、私たちは刺激の強さ(弱い痛み・強い痛みなど)をどのように区別していると考えられますか。If the size of an action potential never changes, how might our nervous system tell weak and strong stimuli (for example mild and strong pain) apart?→ 1本のニューロンの活動電位の大きさは同じなので、強い刺激は活動電位が発生する頻度(回数)の増加や、閾値の異なる多くのニューロンが興奮すること(興奮するニューロンの数)によって伝えられる。このシミュレーションでは1回の刺激で1回の活動電位を観察しているので、頻度の違いは扱っていない。Because each neuron's action potentials are all the same size, a stronger stimulus is signaled by more frequent action potentials and by more neurons (with different thresholds) firing. This simulation shows one action potential per stimulus, so it does not show frequency coding directly.

よくある誤解Common misconceptions

• 「刺激が強いほど活動電位も大きくなる」という誤解。閾値を超えれば刺激の強さによらず同じ大きさ(ピーク約 +37 mV)の活動電位が発生し、閾値未満では発生しない(全か無かの法則)。"A stronger stimulus makes a bigger action potential." Once the threshold is crossed, the action potential is the same size (peak about +37 mV) whatever the stimulus strength, and below the threshold none occurs (the all-or-none law).
• 「下降相は Na⁺ が外へ出ていくことで起こる」という誤解。下降相は Na⁺チャネルの不活性化と、遅れて開いた K⁺チャネルからの K⁺ の流出によって起こる。"The falling phase happens because Na⁺ flows back out." The falling phase is caused by inactivation of Na⁺ channels and by K⁺ flowing out through K⁺ channels that open later.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)