活動電位シミュレーター
このシミュレーションの式
| V | 膜電位 (内側 − 外側) | 静止時は −65 mV。活動電位で 1 ミリ秒ほど約 +40 mV になる | |
|---|---|---|---|
| C_m | 膜容量 | 1 µF/cm²: 薄い脂質層がコンデンサーのように電荷をためる | |
| I_stim | 刺激電流 I_stim (µA/cm²) | パルスの間だけ流す | |
| g_Na, g_K, g_L | 最大コンダクタンス | イカの巨大軸索で 120、36、0.3 mS/cm²。働くチャネルの割合をかける | |
| I_Na, I_K | ナトリウム電流とカリウム電流 | 負は内向き: 上昇時にナトリウムが流れ込み、下降時にカリウムが流れ出る |
現在の値を入れると：
| E_Na | ナトリウムの平衡電位 | Na⁺ は外側が約 8 倍濃いので、内側が約 +50 mV になるまで引き込まれる | |
|---|---|---|---|
| E_K | カリウムの平衡電位 | K⁺ は内側が約 24 倍濃いので、そのチャネルは電圧を −77 mV に引き寄せる | |
| T | 温度 T (°C) | RT ÷ F を少し上げ、10 °C ごとに各ゲートを 3 倍速くする |
現在の値を入れると：
| m | ナトリウム活性化ゲート | 電圧が上がるとすばやく開く: 活動電位を生む正のフィードバック | |
|---|---|---|---|
| h | ナトリウム不活性化ゲート | ゆっくり閉じて数 ms 閉じたまま: 不応期 | |
| n | カリウム活性化ゲート | ゆっくり開いて電圧を下げ、静止電位より下まで行き過ぎる | |
| φ | 温度係数 3^((T − 6.3) ÷ 10) | ホジキンとハクスリーは 6.3 °C で測定した |
| I_閾値 | 刺激を試して求める | 活動電位は全か無か: 閾値より下なら膜は元に戻り、上なら刺激の強さにかかわらず完全な活動電位が起きる |
|---|
現在の値を入れると：
活動電位シミュレーターの使い方
- 膜は約 −65 mV の静止状態から始まり、刺激パルスを 1 回受けます。ナトリウムチャネル (青) が開いて黄色の Na⁺ イオンが流れ込み、電位が跳ね上がります。続いてカリウムチャネル (オレンジ) が開き、紫の K⁺ イオンが流れ出て電位を下げます。活動電位の間、膜の帯は赤く光ります。
- 刺激電流を絵の下に表示された閾値より下げて刺激するを押すと、電位は少し上がって活動電位なしに戻ります。閾値より上なら、刺激の強さにかかわらず毎回完全な活動電位が起きます。これが全か無かの法則です。
- 刺激を繰り返すにチェックを入れ、頻度を上げると不応期がわかります。毎秒数百パルスを超えると、膜はすべてのパルスに応えられなくなります。ナトリウムチャネル (TTX) やカリウムチャネル (TEA) を遮断したり、膜を温めたりして、電位・ゲート・電流のグラフで活動電位の形が変わるのを見てください。
よくある質問
活動電位は何が起こす？
電位依存性ナトリウムチャネルです。小さな脱分極がその一部を開き、ナトリウムが流れ込んで膜をさらに脱分極させ、さらに多くを開きます。この正のフィードバックが、電位をナトリウムの平衡電位、約 +50 mV に向けて押し上げます。1 ミリ秒もしないうちにナトリウムチャネルは不活性化し、遅いカリウムチャネルが開くので、カリウムが流れ出て電位は下がり、一瞬静止電位より下になります。
閾値とは？
ナトリウムの流入が、それに逆らうカリウム電流と漏れ電流を上回り、正のフィードバックが主導権を握る電位、または刺激です。ここでは、選んだパルス長で活動電位を起こす最小の刺激電流として示しています。パルスが短いほど強い電流が必要です。
不応期とは？
活動電位の後およそ 1 ミリ秒の間は、ナトリウムチャネルが不活性化している (h ゲートが閉じている) ので、どんな刺激でも次の活動電位は起きません。これが絶対不応期です。さらに数ミリ秒は、h が回復し、カリウムチャネルがまだ開いているので、ふだんより強い刺激が必要です。これが相対不応期です。不応期はニューロンが発火できる速さを制限し、活動電位を軸索に沿って一方向に進ませます。
ホジキン・ハクスリーの式とは？
アラン・ホジキンとアンドリュー・ハクスリーが 1952 年にイカの巨大軸索での測定に合わせてつくったモデルで、2 人はこれでノーベル賞を共同受賞しました。膜をコンデンサーとし、ナトリウム、カリウム、漏れのコンダクタンスを並列に置き、ゲート m、h、n が電位に依存する速さで開閉するものとして扱います。このシミュレーションは、彼らの元のパラメーターで、その式を 0.01 ms 刻みで積分しています。
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