脊髄反射と痛みの時間差Spinal Reflex and the Pain Delay

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

1. 熱いなべにさわってしまったとき、「手を引っこめる」のと「痛い！と感じる」のでは、どちらが先に起こると思いますか。When you accidentally touch a hot pan, which do you think happens first: pulling your hand away, or feeling "Ouch!"?💡 信号が指先から出発して、手の筋肉に届くまでと、大脳に届くまでの道のりを比べてみましょう。Compare the path the signal travels from the fingertip to the arm muscle with the path from the fingertip to the cerebrum.
2. 神経と神経のつなぎ目(シナプス)で信号が少し待たされるとしたら、そのつなぎ目が多い経路ほどどうなると思いますか。If the signal has to wait a little at each junction between nerve cells (synapse), what do you think happens on a pathway with more of these junctions?💡 画面の説明に、それぞれの経路のシナプスの数が書かれています。The note on the screen tells you how many synapses each pathway has.

2動かしてみようTry it

1. 初期設定(① 感覚神経の伝導速度 50.0 m/s、② シナプス1個の伝達遅延 1.0 ms、③ 大脳へ向かう痛み信号の速度 15.0 m/s)のまま「リセット」→「再生」を押し、受容器(指先)から出た信号が「反射路」(オレンジ)と「痛みの経路」(紫)を進む様子、「手を引く！」と「痛い！」が表示される順番を観察する。With the default settings (① Sensory nerve conduction speed 50.0 m/s, ② Delay at one synapse 1.0 ms, ③ Speed of pain signal to the cerebrum 15.0 m/s), press "Reset" then "Play". Watch the signal leave the receptor (fingertip) and travel along the "Reflex arc" (orange) and the "Pain pathway" (purple), and note the order in which "Pull away!" and "Ouch!" appear.
2. 下の式の表示と「タイムライン(ms)」を見て、「反射(手を引く)」「痛み(大脳で感じる)」の時刻と「時間差」を記録する。Using the formulas below and the "Timeline (ms)", record the times for "Reflex (pull hand away)" and "Pain (felt in the cerebrum)" and the "Difference".
3. 「② シナプス1個の伝達遅延」を 0 ms と 3.0 ms にして、反射と痛みの時刻がそれぞれ何 ms 変わるかを比べる。再生中、シナプスで信号が一時的に止まる(「つかえ」)様子も確認する。Set "② Delay at one synapse" to 0 ms and to 3.0 ms, and compare how many ms the reflex and pain times change. While playing, also watch the signal pause briefly at each synapse ("wait").
4. 「② シナプス1個の伝達遅延」を 1.0 ms に戻し、「③ 大脳へ向かう痛み信号の速度」を 2.0 m/s と 60.0 m/s にして時間差を比べる。次に「① 感覚神経の伝導速度」を 10.0 m/s にして、反射と痛みの時刻、時間差を確かめる。Set "② Delay at one synapse" back to 1.0 ms, then set "③ Speed of pain signal to the cerebrum" to 2.0 m/s and 60.0 m/s and compare the difference. Next set "① Sensory nerve conduction speed" to 10.0 m/s and check the reflex time, pain time and difference.

3確かめようCheck

1. 初期設定で、手を引いたのは何 ms 後、痛いと感じたのは何 ms 後でしたか。With the default settings, when was the hand pulled away and when was pain felt (in ms)?→ 手を引いたのは 17.0 ms(75 cm ÷ 50 m/s = 15.0 ms + 1.0 ms × 2)、痛いと感じたのは 69.3 ms(15.0 + 1.0 + 80 cm ÷ 15 m/s = 53.3)。時間差は +52.3 ms で、手を引く方が先だった。The hand was pulled away at 17.0 ms (75 cm ÷ 50 m/s = 15.0 ms + 1.0 ms × 2), and pain was felt at 69.3 ms (15.0 + 1.0 + 80 cm ÷ 15 m/s = 53.3). The difference was +52.3 ms, so the hand moved first.
2. シナプスの遅延を 0 ms や 3.0 ms にすると、反射と痛みの時刻はどう変わりましたか。How did the reflex and pain times change when the synapse delay was 0 ms or 3.0 ms?→ 0 ms では反射 15.0 ms・痛み 68.3 ms と、反射は 2.0 ms、痛みは 1.0 ms 早くなった。3.0 ms では反射 21.0 ms・痛み 71.3 ms になった。反射路はシナプスが2個、痛みの経路は1個なので、反射のほうが遅延の影響を2倍受ける。At 0 ms, the reflex took 15.0 ms and pain 68.3 ms, so the reflex got 2.0 ms faster and pain 1.0 ms faster. At 3.0 ms, the reflex took 21.0 ms and pain 71.3 ms. The reflex arc has 2 synapses and the pain pathway has 1, so the reflex is affected twice as much by the delay.
3. 痛み信号の速度を 2.0 m/s と 60.0 m/s にすると、時間差はどうなりましたか。What happened to the difference when the pain signal speed was 2.0 m/s and 60.0 m/s?→ 2.0 m/s では痛み 416.0 ms、時間差 +399.0 ms と大きく開いた。60.0 m/s では痛み 29.3 ms、時間差 +12.3 ms と小さくなったが、それでも手を引く方が先だった。At 2.0 m/s, pain came at 416.0 ms and the difference grew to +399.0 ms. At 60.0 m/s, pain came at 29.3 ms and the difference shrank to +12.3 ms, but the hand still moved first.
4. 感覚神経の伝導速度を 10.0 m/s にすると、時間差は変わりましたか。Did the difference change when the sensory nerve conduction speed was set to 10.0 m/s?→ 反射は 77.0 ms、痛みは 129.3 ms と両方とも遅くなったが、時間差は +52.3 ms のままだった。感覚神経(指先→脊髄)は両方の経路に共通なので、差には影響しない。Both got slower (reflex 77.0 ms, pain 129.3 ms), but the difference stayed at +52.3 ms. The sensory nerve (fingertip → spinal cord) is shared by both pathways, so it does not affect the difference.

4考えようThink further

1. 反射が大脳を通らずに脊髄で折り返すことは、体を守るうえでどんな利点がありますか。What is the advantage, for protecting the body, of a reflex turning back at the spinal cord without going through the cerebrum?→ 大脳まで信号を送って判断するより経路が短く、その分早く筋肉が動くので、やけどなどの危険から素早く体を守れる。シミュレーションでも痛いと感じるより数十 ms 早く手を引いていた。The pathway is shorter than sending the signal to the cerebrum to decide, so the muscle moves sooner and the body is protected quickly from dangers like burns. In the simulation, the hand pulled away tens of ms before pain was felt.
2. ひざの下をたたくと足がはね上がる反射や、明るさで瞳の大きさが変わる反射も、意識とは関係なく起こります。手を引く反射と共通する点は何でしょうか。The knee-jerk reflex and the reflex that changes pupil size with brightness also happen without our conscious control. What do they have in common with the withdrawal reflex?→ どれも刺激を受けた受容器からの信号が、大脳で考える前に脊髄などの中枢で折り返して運動神経から筋肉(効果器)に伝わり、意識より先に素早く反応が起こる点。In each, the signal from the stimulated receptor turns back at a center such as the spinal cord before the cerebrum thinks about it, travels through the motor nerve to the muscle (effector), and the response happens quickly before we are aware of it.

よくある誤解Common misconceptions

• 「痛いと感じたから手を引いた」という誤解。手を引く反射は脊髄から直接命令が出るので、大脳で痛いと感じるより先に起こる。"We pull our hand away because we feel pain." The withdrawal reflex is commanded directly from the spinal cord, so it happens before the cerebrum feels pain.
• 「反射では信号が脳にまったく届かない」という誤解。反射と同時に信号は脊髄から大脳にも送られ、少し遅れて痛みとして感じられる。"In a reflex, the signal never reaches the brain." At the same time as the reflex, the signal is also sent from the spinal cord to the cerebrum, and pain is felt a little later.

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