跳躍伝導の可視化Saltatory Conduction

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

1. 同じ太さの軸索で、髄鞘のある軸索(有髄)とない軸索(無髄)では、伝導速度はどのくらい違うと思いますか。For axons of the same diameter, how different do you think the conduction speed is between a myelinated axon and an unmyelinated one?💡 髄鞘で覆われた部分の膜では、イオンが出入りできるでしょうか。Can ions move across the membrane where it is covered by myelin?
2. 体温(37 °C)から温度を下げていくと、神経の伝導はどうなると思いますか。What do you think happens to nerve conduction as the temperature is lowered from body temperature (37 °C)?💡 イオンチャネルの開閉もタンパク質の反応であることを思い出しましょう。Remember that the opening and closing of ion channels is also a protein reaction.

2動かしてみようTry it

1. 初期状態(「有髄」、①直径 10.0 µm、②温度 37 °C、③絞輪間隔 d×100=1.00mm)で軸索を観察し、発火中(Na+流入)の絞輪、前方へ流れる「局所回路電流」の矢印、後ろの「不応期」の絞輪の色を見分ける。動きが速ければ「一時停止」で止めて見る。In the starting state ("Myelinated", ①Diameter 10.0 µm, ②Temp. 37 °C, ③Node gap d×100=1.00mm), watch the axon and pick out the node that is Firing (Na+ in), the "Local current" arrows flowing forward, and the Refractory nodes behind. If it moves too fast, press "Pause" to freeze it.
2. 「①直径」を 1.0 µm と 20.0 µm にして、右上の「伝導速度」を記録する。Set "①Diameter" to 1.0 µm and to 20.0 µm, and record the "Speed" at the top right.
3. 「無髄」ボタンを押し、同じく「①直径」1.0 µm と 20.0 µm の「伝導速度」を記録して、有髄の値と比べる。軸索全体で膜が順に発火していく様子も観察する。Press the "Unmyelinated" button, record the "Speed" again at ①Diameter 1.0 µm and 20.0 µm, and compare with the myelinated values. Also watch how the membrane fires patch by patch along the whole axon.
4. 「有髄」に戻して直径を 10.0 µm にし、「②温度」を 37 → 27 → 17 → 10 °C と下げて、「伝導速度」と「ゲート速度」、「安全率」の値、軸索の表示(「伝導ブロック」になるか)を確認する。Go back to "Myelinated" with diameter 10.0 µm, then lower "②Temp." from 37 → 27 → 17 → 10 °C. Check the "Speed", "Gating rate" and "Safety factor" values, and whether the axon shows "Conduction block".
5. 温度を 13 °C にして「③絞輪間隔」を d×100 と d×200 で比べ、「安全率」と伝導の成否がどう変わるかを見る(変えたら「リセット」を押す)。Set the temperature to 13 °C and compare "③Node gap" at d×100 and d×200. See how the "Safety factor" and the success of conduction change (press "Reset" after each change).

3確かめようCheck

1. 有髄軸索で、活動電位(Na+の流入)が起こっていたのはどこでしたか。髄鞘の下では何が起こっていましたか。In the myelinated axon, where did action potentials (Na+ inflow) occur? What was happening under the myelin?→ 活動電位はランビエ絞輪だけで発生し、髄鞘で覆われた部分では発生しなかった。髄鞘の下の軸索内を局所回路電流(矢印)が流れて次の絞輪を閾値(−55 mV)まで脱分極させ、興奮が絞輪から絞輪へ跳ぶように伝わった。Action potentials occurred only at the nodes of Ranvier, never along the parts covered by myelin. Local circuit current (arrows) flowed inside the axon under the myelin and depolarized the next node to threshold (−55 mV), so the impulse jumped from node to node.
2. 37 °C で、直径と髄鞘の有無を変えると伝導速度はどうなりましたか。At 37 °C, how did the conduction speed change with diameter and myelination?→ 有髄では 1 µm で 6.0 m/s、10 µm で 60.0 m/s、20 µm で 120.0 m/s と直径に比例して増えた。無髄では 1 µm で 1.00 m/s、20 µm で 4.47 m/s と直径の平方根に比例して少しずつしか増えなかった。同じ20 µm で比べると有髄は無髄の約27倍速い。Myelinated: 6.0 m/s at 1 µm, 60.0 m/s at 10 µm and 120.0 m/s at 20 µm, increasing in proportion to diameter. Unmyelinated: 1.00 m/s at 1 µm and 4.47 m/s at 20 µm, increasing only with the square root of diameter. At 20 µm, the myelinated axon is about 27 times faster.
3. 温度を下げると、伝導速度と伝導の成否はどう変わりましたか。When the temperature was lowered, how did the speed and the success of conduction change?→ 有髄・直径10 µm では 37 °C で 60.0 m/s、27 °C で約34.6 m/s、17 °C で約20.0 m/s と、10 °C 下がるごとに約0.58倍に遅くなった(ゲート速度は ×1.00 → ×0.33 → ×0.11)。約10 °C では安全率が 1 を下回り(約0.85)、「伝導ブロック」となって興奮が伝わらなくなった。For a myelinated 10 µm axon, the speed was 60.0 m/s at 37 °C, about 34.6 m/s at 27 °C and about 20.0 m/s at 17 °C, so it falls to about 0.58 times for every 10 °C drop (gating rate ×1.00 → ×0.33 → ×0.11). At about 10 °C the safety factor fell below 1 (about 0.85) and "Conduction block" appeared: the impulse stopped spreading.
4. 興奮が通り過ぎた後ろの絞輪には、どんな表示がありましたか。What was shown at the nodes behind the impulse after it passed?→ 後ろの絞輪は「不応期」の色になり、後ろ向きの局所電流の矢印は薄く、その先に × 印が付いて再発火しなかった。そのため興奮は前方(末端側)にだけ伝わった。The nodes behind turned the "Refractory" color; the backward local-current arrow was faint and marked with an ×, and those nodes did not fire again. So the impulse travelled only forward (toward the end).

4考えようThink further

1. 温度13 °C で絞輪間隔を d×200 に広げると伝導ブロックが起こりやすくなったのはなぜでしょうか。Why did conduction block happen more easily at 13 °C when the node gap was widened to d×200?→ 絞輪の間隔が広いほど、局所電流が次の絞輪に届くまでに弱まり、次の絞輪を脱分極させる量が減る。13 °C では安全率が d×100 で約1.9 だが d×200 では約1.0 まで下がり、12 °C では1を下回って伝導ブロックになった。冷えて使える Na+チャネルが減ると余裕がさらに小さくなる。The wider the gap, the more the local current weakens before reaching the next node, so the next node is depolarized less. At 13 °C the safety factor is about 1.9 at d×100 but only about 1.0 at d×200, and at 12 °C it falls below 1, causing conduction block. Cooling leaves fewer Na+ channels available, which reduces the margin further.
2. 多発性硬化症のように髄鞘が壊れる病気では、神経の働きにどんな影響が出ると考えられますか。In diseases such as multiple sclerosis, where myelin is damaged, how might nerve function be affected?→ 髄鞘がないと局所電流が漏れて跳躍伝導ができなくなり、伝導が大きく遅れたり、次の絞輪が閾値に届かず伝導が途切れたりする。その結果、感覚や運動の信号がうまく伝わらなくなる。シミュレーションで有髄→無髄にしたときの速度低下や、安全率が1未満で伝導ブロックが起こる様子と結びつけて考えられる。Without myelin, the local current leaks out and saltatory conduction fails, so conduction becomes much slower or stops because the next node does not reach threshold. As a result, sensory and motor signals are not passed on properly. This connects to the drop in speed when switching from myelinated to unmyelinated, and to the conduction block when the safety factor falls below 1.

よくある誤解Common misconceptions

• 「跳躍伝導では、イオンや電気が絞輪から絞輪へ空中を飛んでいく」という誤解。実際は軸索内を局所電流が流れて次の絞輪を脱分極させ、各絞輪で新しい活動電位が発生する。"In saltatory conduction, ions or electricity fly through the air from node to node." In fact, local current flows inside the axon and depolarizes the next node, where a new action potential is generated.
• 「軸索が太くなれば有髄でも無髄でも同じ割合で速くなる」という誤解。無髄では速度は直径の平方根に比例するが、有髄ではほぼ直径に比例するので、太くするほど差が大きくなる。"Thicker axons speed up by the same proportion whether myelinated or not." Unmyelinated speed rises with the square root of diameter, but myelinated speed rises roughly in proportion to diameter, so the gap grows as axons get thicker.

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