機能生物学２-⑥ 12月3日 Functional Biology 2 2018年後期 松島 俊也 matusima@sci.hokudai.ac.jp 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 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 構造 structures Muscle 横紋筋 心筋 平滑筋 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 Bundle of muscle fibers 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 ひとつの筋線維の Nuclei 中には 多数の筋原 線維 myofibrils が 含まれている Single muscle fiber (cell) Plasma membrane Myofibril Z lines Sarcomere 1
Excitation-contraction coupling 興奮収縮共役 SR (Sarcoplasmic reticulum) / T-tubule 機構 mechanisms Excitation-contraction coupling 興奮収縮共役 SR (Sarcoplasmic reticulum) / T-tubule Actin filament (+ Tropomyosin) Myosin filament (ATP-binding and Actin binding) Excitation-contraction coupling 興奮収縮共役 SR (Sarcoplasmic reticulum) / T-tubule Actin filament (+ Tropomyosin) Myosin filament (ATP-binding and Actin binding) 2
強い結合 復帰 強い結合 分子変形とパワースト ロークの発生 分子変形とパワースト ロークの発生 復帰 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 Ca2+による tropomyosinの 分子変形 Ca2+の作用点 分子変形とパワースト ロークの発生 強い結合 Sarcoplasmic reticulum (SR) 筋小胞体 High Ca2+ concentration (~1mM) RyRs (ryanodine receptors) on SR Ca2+ イオンを一気に 供給する仕組み https://www.youtube.com/watch?v=gj309lfhq3m 3
Length-tension curve 長さ張力曲線 Excitation-contraction coupling 興奮収縮共役の主な役者はふ たつ Transverse tubule (T-tubule) T 管 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 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 Ca2+ イオンを一気に 供給する仕組み https://www.youtube.com/watch?v=gj309lfhq3m Length-tension curve 長さ張力曲線 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 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 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 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 Vaucanson s duck (1738) https://en.wikipedia.org/wiki/digesting_duck 筋の制御機構 筋の制御機構 neural control of muscle neural control of muscle イモリとロボット 機械仕立ての動物 オートマトン 4
ルネ デカルト 1596~1650 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 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 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 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 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 5
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 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 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 6
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 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 脊髄神経回路を模した実機ロボットの研究 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 Reflex Chain Theory 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 反射が繰り返されることで歩行や遊泳が生じる 令系 chemical command system と呼ばれる 甲殻類 オマールエビ の胃の運動 Stomatogastric ganglion 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 多型的神経回路 Polymorphic neural network https://www.youtube.com/watch?v=omrfehqumhu YouTube video 7
多くの動物に共通して Vaucanson s duck (1738) https://en.wikipedia.org/wiki/digesting_duck 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 8