機能生物学２-① 10月2日 Functional Biology 年後期（2年生）

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1 機能生物学２-⑥

12月3日

Functional Biology 2

2018年後期

松島俊也 [email protected] 行動神経生物学講座松島Patzke研究室

筋の収縮機構

contraction mechanism of muscle

基礎的な事実

basic facts

構造

structures

 運動：姿勢の維持、歩行ー遊泳（移動）、指の操作、心臓拍動、腸の蠕動運動、動脈血流の調整・・・  横紋筋・心筋・平滑筋 Muscle Bundle of muscle fibers Nuclei Single muscle fiber (cell)

Plasma membrane Myofibril Z lines Sarcomere  横紋筋は筋線維（muscle fiber、長さ数センチ以上にもなる多核の単一細胞が束ねられたもの  ひとつの筋線維の中には、多数の筋原線維（myofibrils）が含まれている。

筋原線維を構成する最小の単位が筋節（sarcomere）

である。Z diskを通してつながっている。

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機構

mechanisms

 Excitation-contraction coupling 興奮収縮共役  SR (Sarcoplasmic reticulum) / T-tubule

 Excitation-contraction coupling 興奮収縮共役  SR (Sarcoplasmic reticulum) / T-tubule  Actin filament (+ Tropomyosin)

 Myosin filament (ATP-binding and Actinbinding)

 Excitation-contraction coupling 興奮収縮共役  SR (Sarcoplasmic reticulum) / T-tubule  Actin filament (+ Tropomyosin)

 Myosin filament (ATP-binding and Actinbinding)

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3 弱い再結合

ATP の結合による分離

弱い再結合

強い結合

ATP の結合による分離

弱い再結合

強い結合

ATP の結合による分離

分子変形とパワースト ロークの発生

ATP の結合による分離

弱い再結合

強い結合

復帰

ATP の結合による分離

弱い再結合

Ca

2+

_の作用点

復帰

Ca2+による tropomyosinの分子変形 Excitation-contraction coupling 興奮収縮共役の主な役者はふたつ…

Transverse tubule (T-tubule) T 細管

 Continuum of the cell membrane  DHPR (dihydropyridine receptor)

on T-tubule

Sarcoplasmic reticulum (SR) 筋小胞体

 High Ca2+ _{concentration (~1mM)}  RyRs (ryanodine receptors) on SR

https://www.youtube.com/watch?v=gJ309LfHQ3M

Ca

2+

_{イオンを一気に}

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Excitation-contraction coupling 興奮収縮共役の主な役者はふたつ…

Transverse tubule (T-tubule) T 管

 Continuum of the cell membrane  DHPR (dihydropyridine receptor)

on T-tubule

Sarcoplasmic reticulum (SR) 筋小胞体

 High Ca2+ _{concentration (~1mM)}  RyRs (ryanodine receptors) on SR

https://www.youtube.com/watch?v=gJ309LfHQ3M

Ca

2+

_{イオンを一気に}

供給する仕組み

Length-tension curve 長さ張力曲線 張力を発生するためには、一定の長さが確保されねばならない  長すぎても、短すぎても張力（active tension）を発生できない  体の中での自然長（resting length in situ）が最大の張力を生むようになっている Length-tension curve 長さ張力曲線 張力を発生するためには、一定の長さが確保されねばならない  長すぎても、短すぎても張力（active tension）を発生できない  体の中での自然長（resting length in situ）が最大の張力を生むようになっている これはアクチン・ミオシンのスライディング機構によって説明できる。 Length-tension curve 長さ張力曲線 張力を発生するためには、一定の長さが確保されねばならない  長すぎても、短すぎても張力（active tension）を発生できない  体の中での自然長（resting length in situ）が最大の張力を生むようになっている これはアクチン・ミオシンのスライディング機構によって説明できる。 もう一つはバネの働き。たるんだバネは張力を発生しない。

筋の制御機構

neural control of muscle

イモリとロボット

筋の制御機構

neural control of muscle

Vaucanson’s duck (1738)

https://en.wikipedia.org/wiki/Digesting_Duck

機械仕立ての動物オートマトン

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5

 ルネ・デカルト（1596~1650）  人間論（1664）  この様に、炎（A)が足（B)に近ければ、この炎の粒子は接触する皮膚領域を変形させるだけの十分な力を持っている。  そして、図のような部位についている細かい糸（cc）を引っ張り、糸が終始している細孔を同時に開口させる。  ちょうど、ひもの片方を引っ張るともう片方に釣られた鐘を同時に鳴らすのと同じだ。  さて、細孔がこのように開くと、内腔（脳室）Fから動物精気が流入し運ばれる。  （精気の）一部は炎から足を引き込めるのに作用する筋肉へと運ばれ、また一部は炎を見るために目と頭を回転するのに作用する筋肉に運ばれ、また一部は身を守るために手を差し伸べて体を曲げるのに作用する筋肉へと運ばれる。

 Sir Charles Scott Sherrington  1932年ノーベル生理学医学賞  synapseによる反射弓の発見

 Sir John Eccles

 1963年ノーベル生理学医学賞  抑制性synapseの発見  伸展反射＝膝蓋腱反射：引っ張られると収縮する。  拮抗筋：抑制性介在ニューロンを介して、弛緩する。  刺激があるから、反応がある。（機械的決定論）  伸展反射＝膝蓋腱反射：引っ張られると収縮する。  拮抗筋：抑制性介在ニューロンを介して、弛緩する。  刺激があるから、反応がある。（機械的決定論）  伸展反射＝膝蓋腱反射：引っ張られると収縮する。  拮抗筋：抑制性介在ニューロンを介して、弛緩する。  刺激があるから、反応がある。（機械的決定論）筋紡錘：伸展受容器。骨格筋の長さを検出する自己受容器で、体性感覚を生み出す。骨格筋が伸びると１a線維に上行性の活動電位が発生する。筋紡錘それ自身も筋肉であり、 γ（ガンマ）運動ニューロンによって支配されている。  膝蓋腱反射：引っ張られると収縮する。  拮抗筋：抑制性介在ニューロンを介して、弛緩する。  刺激があり、反応がある。筋紡錘：伸展受容器。骨格筋の長さを検出する自己受容器で、体性感覚を生み出す。骨格筋が伸びると１a線維に上行性の活動電位が発生する。筋紡錘それ自身も筋肉であり、 γ（ガンマ）運動ニューロンによって支配されている。 γ（ガンマ）運動ニューロンが活動すると筋紡錘が縮む。筋肉が同じ長さであっても、１a 線維の活動は高まる。

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 侵害反射：侵害性刺激を受けると収縮する。  拮抗筋：抑制性介在ニューロンを介して、弛緩する。  反対側の足には、反対の反射が起こる。  刺激があるから、反応がある。（機械的決定論）  侵害反射：侵害性刺激を受けると収縮する。  拮抗筋：抑制性介在ニューロンを介して、弛緩する。  反対側の足には、反対の反射が起こる。  刺激があるから、反応がある。（機械的決定論）  「意図的」に動くとき…反射弓を利用する。  大脳からの指令（central output）は直接に運動ニューロン（αとγ）を興奮させる。同時に拮抗筋につながる介在ニューロン（③：抑制性）を興奮させる。  では、大脳がなければ、運動は起こらないのだろうか？？？  脳（brain）と脊髄（spinal cord）  １：中脳の「歩行誘発野」の前で脳を離断する。  脳（brain）と脊髄（spinal cord） １：中脳の「歩行誘発野」の前で脳を離断する。  「歩行誘発野」を電気的に刺激すると…  ネコは歩きはじめる。（離断脳ネコ）  末梢からの感覚を遮断しても歩く。  トレッドミルを動かして末梢からの刺激を 与えるだけでも、自然に歩きはじめる。  ネコは歩きはじめる。（離断脳ネコ）  末梢からの感覚を遮断しても歩く。  トレッドミルを動かして末梢からの刺激を 与えるだけでも、自然に歩きはじめる。

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7 運動は反射か、内在性か？

 末梢からの刺激を受けて反射的に足が動いているのか？

 Reflex Chain Theory 反射が繰り返されることで歩行や遊泳が生じる。  ＞＞No! 末梢からの刺激を遮断しても（さらには脊髄を切り出しても）、歩行

パターンが生まれる。

 除脳ネコの「歩行誘発野」を電気刺激すると、歩きはじめる。

 中脳に加えた電気刺激には特定のパターンがないのに、歩行には決まったリズムが生まれる。

 脊髄の中にはCentral Pattern Generator（CPG、中枢性パターンジェネレーター）があって、そのスイッチが入ると（スイッチを押し続けると）、リズミック（周期的）な筋肉の収縮が起こる。  拮抗筋（伸筋と屈筋）、左右の足、前後の足の間のタイミングは、正常の保たれる。  たくさんの神経性発振器がつながって、CPGが構成される。  末梢からの刺激（自己受容器や皮膚からの機械感覚）だけでも、CPGをオンにすることができる。

運動は反射か、内在性か？

 Reflex Chain Theory 反射が繰り返されることで歩行や遊泳が生じる。  ＞＞No! 末梢からの刺激を遮断しても（さらには脊髄を切り出しても）、歩行パターンが生まれる。  ヤツメウナギ（lamprey）の脳脊髄のin vitro標本  冷蔵すれば1週間生きる。  中脳を電気刺激すると、遊泳と同じ周期的活動が、末梢からの入力なく引き起こされる。  脊髄に直接に興奮性アミノ酸伝達物質（glu）を投与しても同様の活動が生じる。

運動は反射か、内在性か？

 脊髄神経回路を模した実機ロボットの研究

運動は反射か、内在性か？

 Reflex Chain Theory 反射が繰り返されることで歩行や遊泳が生じる。  ＞＞No! 末梢からの刺激を遮断しても（さらには脊髄を切り出しても）、歩行パターンが生まれる。  甲殻類（オマールエビ）の胃の運動（Stomatogastric ganglion） https://www.youtube.com/watch?v=OmRFehQuMHU YouTube video

運動は反射か、内在性か？

 Reflex Chain Theory 反射が繰り返されることで歩行や遊泳が生じる。  ＞＞No! 末梢からの刺激を遮断しても（さらには脊髄を切り出しても）、歩行パターンが生まれる。  甲殻類（オマールエビ）の胃の運動（Stomatogastric ganglion） https://www.youtube.com/watch?v=OmRFehQuMHU YouTube video  ペースメーカー・ニューロンが自発的にリズムを刻む。  電気シナプスや化学シナプスを介して相互作用することで、全体のリズム（周期）やパターン（位相関係）が変化する。  アミン類伝達物質（オクトパミン、セロトニン、ドーパミン）の作用によって、さらに多様な運動が作られていく：化学的指令系（chemical command system）と呼ばれる。

多型的神経回路 Polymorphic neural network

運動は反射か、内在性か？

 甲殻類（カブトガニ）の鰓の運動

 完全な感覚遮断を行っても、長期間（80分の記録）にわたって複雑な周期的運動を生成し続ける。

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運動は反射か、内在性か？

 多くの動物に共通して…  中枢性パターンジェネレーター（CPG）がある。  末梢からの感覚がなくともCPGは動き続け、さらに自発的にそのパターンを切り替えていく。  末梢からの感覚があれば、CPGがオンオフしたり、そのパターンが変わる。  動物にも自由な内在的な意思があるのだろうか？  意思決定は何によって、脳内のどこで行われるのだろうか？  末梢からの刺激を受けて反射的に足が動いているのか？

Vaucanson’s duck (1738)