活動電位

活動電位は、特定の細胞の膜電位が急速に上昇および下降するときに発生します。 ^[1]この脱分極により、隣接する場所も同様に脱分極します。活動電位は、ニューロンや筋細胞などの動物細胞や一部の植物細胞など、いくつかの種類の興奮性細胞で発生します。膵臓ベータ細​​胞などの特定の内分泌細胞や、下垂体前葉の特定の細胞も興奮性細胞です。^[2]

ニューロンでは、活動電位は、ニューロンの軸索に沿って軸索の末端にあるシナプス小胞に向かって信号を伝播させることによって（跳躍伝導に関しては、その信号を補助することによって）細胞間通信において中心的な役割を果たしている。これらの信号はその後、シナプスで他のニューロンと、または運動細胞や腺と結合することができる。他の種類の細胞では、活動電位の主な機能は細胞内プロセスを活性化することである。例えば、筋細胞では、活動電位は収縮につながる一連のイベントの最初のステップである。膵臓のベータ細胞では、活動電位はインスリンの放出を引き起こす。^{[a]ニューロンの活動電位は「}神経インパルス」または「スパイク」とも呼ばれ、ニューロンによって生成される活動電位の時間的シーケンスは「スパイク列」と呼ばれる。活動電位、つまり神経インパルスを発するニューロンは、しばしば「発火」すると言われる。

活動電位は、細胞の細胞膜に埋め込まれた特殊なタイプの電位依存性イオンチャネルによって生成されます。^[b]これらのチャネルは、膜電位が細胞の（負の）静止電位に近い場合は閉じていますが、膜電位が正確に定義された閾値電圧まで増加すると、急速に開き始め、膜間電位を脱分極します。 ^{[b]チャネルが開くと、}ナトリウムイオンの流入が可能になり、電気化学的勾配が変化し、膜電位がゼロに向かってさらに上昇します。これにより、さらに多くのチャネルが開き、細胞膜を横切る電流が増加します。このプロセスは爆発的に進み、利用可能なイオンチャネルがすべて開き、膜電位が大幅に上昇します。ナトリウムイオンが急速に流入すると、細胞膜の極性が逆転し、イオンチャネルが急速に不活性化されます。ナトリウムチャネルが閉じると、ナトリウムイオンはニューロンに入ることができなくなり、細胞膜から能動的に輸送されます。次にカリウムチャネルが活性化され、カリウム イオンの外向き電流が発生し、電気化学的勾配が休止状態に戻ります。活動電位が発生した後、後過分極と呼ばれる一時的な負のシフトが発生します。

動物細胞には、主に 2 種類の活動電位があります。1 つは電位依存性ナトリウム チャネルによって生成され、もう 1 つは電位依存性カルシウム チャネルによって生成されます。ナトリウム ベースの活動電位は通常 1 ミリ秒未満で持続しますが、カルシウム ベースの活動電位は 100 ミリ秒以上持続することがあります。^[要出典]ニューロンの種類によっては、低速のカルシウム スパイクが、急速に放出されるナトリウム スパイクの長いバーストの原動力となります。一方、心筋細胞では、最初の高速ナトリウム スパイクが「プライマー」となり、カルシウム スパイクの急速な発生を誘発し、筋肉の収縮を引き起こします。 ^[3]

動物、植物、菌類のほぼすべての細胞膜は、細胞の外部と内部の間に膜電位と呼ばれる電位差を維持しています。動物細胞膜の典型的な電圧は -70 mV です。これは、細胞の内部が外部に対して負の電圧を持っていることを意味します。ほとんどの種類の細胞では、膜電位は通常かなり一定に保たれます。ただし、一部の種類の細胞は、電圧が時間とともに変動するという意味において電気的に活性です。ニューロンや筋細胞などの一部の種類の電気的に活性な細胞では、電圧の変動は、急速な上向き (正) スパイクとそれに続く急速な下降の形をとることがよくあります。これらの上下のサイクルは活動電位として知られています。一部の種類のニューロンでは、上下のサイクル全体が数千分の1秒で発生します。筋細胞では、典型的な活動電位は約5分の1秒続きます。植物細胞では、活動電位は3秒以上続くことがあります。^[4]

細胞の電気的特性はその膜の構造によって決まります。細胞膜は、より大きなタンパク質分子が埋め込まれた分子の脂質二重層で構成されています。脂質二重層は電荷を帯びたイオンの動きに対して非常に抵抗性が高いため、絶縁体として機能します。対照的に、膜に埋め込まれた大きなタンパク質は、イオンが膜を通過できるチャネルを提供します。活動電位は、細胞の内部と外部の電圧差に応じて、閉じた状態と開いた状態の間で構成が切り替わるチャネルタンパク質によって駆動されます。これらの電圧感受性タンパク質は、電圧依存性イオンチャネルとして知られています。^[要出典]

動物の体組織のすべての細胞は電気的に分極している。言い換えれば、細胞の細胞膜を挟んで膜電位と呼ばれる電位差を維持している。この電気的分極は、イオンポンプとイオンチャネルと呼ばれる膜に埋め込まれたタンパク質構造の複雑な相互作用によって生じる。ニューロンでは、膜内のイオンチャネルの種類は通常、細胞のさまざまな部分で異なり、樹状突起、軸索、細胞体にさまざまな電気的特性を与えている。その結果、ニューロンの膜の一部は興奮性（活動電位を生成できる）である一方、他の部分はそうではない。最近の研究では、ニューロンの最も興奮しやすい部分は軸索丘（軸索が細胞体を離れる点）の後の部分であり、軸索開始部と呼ばれていることがわかっているが、ほとんどの場合、軸索と細胞体も興奮性である。^[5]

興奮性の膜の各パッチには、膜電位の重要なレベルが 2 つあります。静止電位 は、細胞に何も影響がない限り膜電位が維持する値で、それよりも高い値は閾値電位と呼ばれます。一般的なニューロンの軸索丘では、静止電位は約 –70 ミリボルト (mV) で、閾値電位は約 –55 mV です。ニューロンへのシナプス入力により、膜は脱分極または過分極します。つまり、膜電位が上昇または下降します。脱分極が蓄積して膜電位が閾値に達すると、活動電位が発生します。活動電位が発生すると、膜電位は急激に上昇し、次に同様に急激に下降します。多くの場合、静止レベルを下回って終了し、しばらくそのレベルにとどまります。活動電位の形状は定型的です。つまり、特定の細胞内のすべての活動電位の上昇と下降は、通常、ほぼ同じ振幅と時間経過を示します。 (例外については、この記事の後半で説明します) ほとんどのニューロンでは、このプロセス全体が約 1000 分の 1 秒で行われます。多くの種類のニューロンは、1 秒あたり最大 10 ～ 100 回の速度で活動電位を絶えず放出します。ただし、一部の種類ははるかに静かで、活動電位を放出せずに数分以上続くことがあります。

活動電位は、細胞膜に存在する特殊なタイプの電位依存性イオンチャネルによって生じます。^[6]電位依存性イオンチャネルは、3つの重要な特性を持つ膜貫通タンパク質です。

1. 複数のコンフォメーションをとることができます。
2. 少なくとも 1 つの構造により、特定の種類のイオンが透過できる膜チャネルが形成されます。
3. 構造間の遷移は膜電位の影響を受けます。

したがって、電位依存性イオンチャネルは、膜電位のある値では開き、他の値では閉じる傾向があります。ただし、ほとんどの場合、膜電位とチャネル状態の関係は確率的であり、時間遅延を伴います。イオンチャネルは予測できないタイミングで構造を切り替えます。膜電位によって、遷移の速度と、各タイプの遷移の単位時間あたりの確率が決まります。

電位依存性イオンチャネルは、正のフィードバックループを生じさせることができるため、活動電位を生成することができます。膜電位はイオンチャネルの状態を制御しますが、イオンチャネルの状態は膜電位を制御します。したがって、状況によっては、膜電位の上昇によってイオンチャネルが開き、膜電位がさらに上昇することがあります。活動電位は、この正のフィードバック サイクル (ホジキン サイクル) が爆発的に進行すると発生します。活動電位の時間と振幅の軌跡は、それを生成する電位依存性イオンチャネルの生物物理学的特性によって決まります。活動電位を生成するために必要な正のフィードバックを生成できるチャネルは、いくつか種類あります。神経伝導に関与する高速活動電位は、電位依存性ナトリウム チャネルによって発生します。筋細胞や一部のニューロンの低速活動電位は、電位依存性カルシウム チャネルによって発生します。これらの各種類には複数の種類があり、電圧感度と時間的ダイナミクスが異なります。

最も集中的に研究されているタイプの電圧依存性イオン チャネルは、速い神経伝導に関与するナトリウム チャネルです。これらは、アラン ホジキンとアンドリュー ハクスリーがノーベル賞を受賞した活動電位の生物物理学の研究で初めて特徴付けたことから、ホジキン ハクスリー ナトリウム チャネルと呼ばれることもありますが、より便宜的にNa _Vチャネルと呼ぶこともできます (「V」は「電圧」の略です)。Na _{Vチャネルには、}非活性化、活性化、および不活性化の 3 つの状態があります。チャネルは、活性化状態のときにのみナトリウム イオンを透過します。膜電位が低い場合、チャネルはほとんどの時間を非活性化(閉じた) 状態で過ごします。膜電位が特定のレベルを超えると、チャネルは活性化(開いた) 状態に移行する可能性が高くなります。膜電位が高いほど、活性化の可能性が高くなります。チャネルが活性化されると、最終的には不活性化(閉じた) 状態に移行します。その後、しばらくは不活性化されたままになる傾向がありますが、膜電位が再び低くなると、チャネルは最終的に不活性化状態に戻ります。活動電位の間、このタイプのチャネルのほとんどは、不活性化→活性化→不活性化→不活性化のサイクルを経ます。ただし、これは集団の平均動作にすぎず、個々のチャネルは原則としていつでもどのような遷移も行うことができます。ただし、チャネルが不活性化状態から活性化状態に直接遷移する可能性は非常に低く、不活性化状態のチャネルは、不活性化状態に戻るまで不応性です。

これらすべての結果、Na _Vチャネルの動態は、その速度が複雑な方法で電圧に依存する遷移行列によって制御されます。これらのチャネル自体が電圧の決定に大きな役割を果たすため、システムの全体的なダイナミクスを解明するのは非常に困難です。Hodgkin と Huxley は、イオン チャネルの状態を制御するパラメーターの一連の微分方程式を開発することでこの問題に取り組みました。これはHodgkin-Huxley 方程式として知られています。これらの方程式はその後の研究によって大幅に修正されましたが、活動電位生物物理学のほとんどの理論的研究の出発点となっています。

膜電位が上昇すると、ナトリウムイオンチャネルが開き、ナトリウムイオンが細胞内に入ることができる。続いてカリウムイオンチャネルが開き、カリウムイオンが細胞から出る。ナトリウムイオンの流入により、細胞内の正に帯電した陽イオンの濃度が増加し、脱分極が起こり、細胞の電位が細胞の静止電位よりも高くなる。ナトリウムチャネルは活動電位のピークで閉じ、一方カリウムは細胞から出続ける。カリウムイオンの流出により、膜電位が低下するか、細胞が過分極する。静止状態からの小さな電圧上昇では、カリウム電流がナトリウム電流を超え、電圧は通常の静止値、通常は -70 mV に戻る。^{[7] [8] [9]ただし、電圧が臨界閾値を超えて増加すると、通常は静止値より 15 mV 高い、ナトリウム電流が優位になる。これにより、ナトリウム電流からの}正のフィードバックによってさらに多くのナトリウムチャネルが活性化される暴走状態になる。したがって、細胞が発火し、活動電位が発生する。^{[7] [10] [11] [注1]}ニューロンが活動電位を誘発する頻度は、発火率または神経発火率と呼ばれることが多い。

活動電位の過程で電位依存性チャネルが開くことによって生成される電流は、通常、初期の刺激電流よりも大幅に大きくなります。したがって、活動電位の振幅、持続時間、形状は、刺激の振幅や持続時間ではなく、興奮性膜の特性によって大きく決まります。活動電位のこの「全か無か」という特性は、刺激の大きさに応じて変化する受容体電位、電気緊張電位、閾値下膜電位振動、シナプス電位などの段階的電位とは区別されます。電位依存性チャネル、リークチャネル、チャネル分布、イオン濃度、膜容量、温度、その他の要因によって決まるさまざまな活動電位タイプが、多くの細胞タイプと細胞区画に存在します。

活動電位に関与する主なイオンはナトリウム陽イオンとカリウム陽イオンです。ナトリウムイオンが細胞内に入ると、カリウムイオンが出て行き、平衡が回復します。膜電圧が劇的に変化するためには、比較的少数のイオンが膜を通過する必要があります。したがって、活動電位中に交換されるイオンは、内部と外部のイオン濃度にごくわずかな変化しか与えません。通過する少数のイオンは、ナトリウム-カリウムポンプの継続的な作用によって再び送り出され、他のイオントランスポーターとともに、膜全体のイオン濃度の正常な比率を維持します。カルシウム陽イオンと塩化物陰 イオンは、それぞれ心臓活動電位や単細胞藻類 アセタブラリアの活動電位など、いくつかの種類の活動電位に関与しています。

活動電位は興奮性膜のパッチ上で局所的に生成されるが、その結果生じる電流は隣接する膜領域の活動電位を誘発し、ドミノ倒しのような伝播を引き起こす。電位の受動的な広がり（電気緊張性電位）とは対照的に、活動電位は興奮性膜領域に沿って新たに生成され、減衰することなく伝播する。^[12]軸索の髄鞘部分は興奮性がなく活動電位を生成せず、信号は電気緊張性電位として受動的に伝播する。ランビエ絞輪と呼ばれる一定間隔の無髄パッチは活動電位を生成し、信号を増幅する。跳躍伝導として知られるこのタイプの信号伝播は、信号速度と軸索直径の好ましいトレードオフを提供する。軸索末端の脱分極は一般に、シナプス間隙への神経伝達物質の放出を誘発する。さらに、大脳新皮質に遍在する錐体ニューロンの樹状突起では、逆伝播する活動電位が記録されている。 ^{[c]これらは、}スパイクタイミング依存性の可塑性において役割を果たしていると考えられている。

ホジキン・ハクスリーの膜容量モデルでは、活動電位の伝達速度は定義されておらず、放出されたイオンが近隣のチャネルに干渉することで隣接領域が脱分極すると想定されていました。その後、イオンの拡散と半径の測定により、これは不可能であることが示されました。^{[引用が必要]}さらに、エントロピーの変化とタイミングの矛盾した測定値は、容量モデルが単独で作用しているという主張に異議を唱えました。^{[引用が必要]}一方、ギルバート・リングの吸着仮説では、生細胞の膜電位と活動電位は、細胞の吸着部位への可動イオンの吸着によるものであると仮定しています。^[13]

ニューロンの活動電位を生成し伝播する能力は、発達の過程で変化する。電流インパルスの結果としてニューロンの膜電位がどの程度変化するかは、膜入力抵抗の関数である。細胞が成長するにつれて、膜にチャネルが追加され、入力抵抗が減少します。成熟したニューロンは、シナプス電流に反応して膜電位の変化も短くなります。フェレットの外側膝状体核のニューロンは、P0 では P30 よりも時定数が長く、電圧偏向が大きい。 ^[14]活動電位持続時間が減少することの 1 つの結果は、高周波刺激に反応して信号の忠実度を維持できることです。未熟なニューロンは、高周波刺激後にシナプス増強よりもシナプス抑制を起こしやすいです。^[14]

多くの生物の初期発生において、活動電位は実際には最初はナトリウム電流ではなくカルシウム電流によって運ばれます。発生中のカルシウムチャネルの開閉速度は、成熟したニューロンで活動電位を運ぶ電位依存性ナトリウムチャネルの速度よりも遅いです。 カルシウムチャネルの開口時間が長いと、活動電位が成熟したニューロンよりもかなり遅くなります。^[14]アフリカツメガエルのニューロンの活動電位は最初は 60～90 ミリ秒かかります。 発生中、この時間は 1 ミリ秒に短縮されます。 この大幅な短縮には 2 つの理由があります。 1 つ目は、内向き電流が主にナトリウムチャネルによって運ばれるようになることです。^[15] 2 つ目は、遅延整流子であるカリウムチャネル電流が、最初の強度の 3.5 倍に増加することです。^[14]

カルシウム依存性活動電位からナトリウム依存性活動電位への移行を進めるには、膜に新しいチャネルを追加する必要があります。アフリカツメガエルのニューロンをRNA合成またはタンパク質合成阻害剤のある環境で培養すると、その移行は妨げられます。^[16]細胞自体の電気活動もチャネル発現に役割を果たしている可能性があります。アフリカツメガエルの心筋細胞の活動電位がブロックされると、ナトリウムとカリウムの電流密度の典型的な増加が妨げられるか、遅れます。^[17]

この電気的特性の成熟は種を超えて見られる。アフリカツメガエルのナトリウム電流とカリウム電流は、ニューロンが有糸分裂の最終段階を経た後に劇的に増加する。ラットの皮質ニューロンのナトリウム電流密度は、生後2週間以内に600％増加する。^[14]

活動電位は、植物細胞、筋細胞、心臓の特殊細胞（心臓活動電位が発生する）など、いくつかの種類の細胞によってサポートされます。しかし、主な興奮性細胞はニューロンであり、ニューロンは活動電位の最も単純なメカニズムも備えています。^{[引用が必要]}

ニューロンは電気的に興奮性の細胞で、一般に 1 つ以上の樹状突起、1 つの細胞体、1 つの軸索、および 1 つ以上の軸索終末から構成されます。樹状突起は細胞突起であり、主な機能はシナプス信号を受信することです。樹状突起の突起は樹状突起スパインと呼ばれ、シナプス前ニューロンから放出される神経伝達物質を捕捉するように設計されています。樹状突起には、リガンド依存性イオンチャネルが集中しています。これらのスパインには、球根状の突起と樹状突起を接続する細い首があります。これにより、スパイン内で発生する変化が隣接するスパインに影響する可能性が低くなります。樹状突起スパインは、まれな例外 ( LTP を参照) を除き、独立したユニットとして機能します。樹状突起は、核と多くの「通常の」真核生物の細胞小器官を収容する細胞体から伸びています。スパインとは異なり、細胞体の表面には電圧活性化イオンチャネルが存在します。これらのチャネルは、樹状突起によって生成された信号の伝達を助けます。細胞体から出てくるのが軸索丘です。この領域は、電圧活性化ナトリウムチャネルが非常に集中していることが特徴です。一般的に、活動電位のスパイク開始ゾーン、^{[18] 、}つまりトリガーゾーンであると考えられています。スパインで生成され、細胞体によって伝達される複数の信号はすべて、ここで収束します。軸索丘のすぐ後には軸索があります。これは、細胞体から離れる方向に伸びる細い管状の突起です。軸索はミエリン鞘によって絶縁されています。ミエリンは、シュワン細胞（末梢神経系）またはオリゴデンドロサイト（中枢神経系）で構成されており、どちらもグリア細胞の一種です。グリア細胞は電気信号の伝達には関与していませんが、ニューロンと通信し、重要な生化学的サポートを提供します。^[19]具体的には、ミエリンは軸索セグメントの周囲を何度も巻き付け、イオンが軸索に出入りするのを防ぐ厚い脂肪層を形成します。この絶縁は、信号の大幅な減衰を防ぎ、信号速度を速めるのに役立ちます。ただし、この絶縁には、軸索の表面にチャネルが存在できないという制限があります。そのため、絶縁のない膜のパッチが一定間隔で存在します。これらのランヴィエ絞輪は、信号の大幅な減衰を防ぐために信号を増幅することを目的としているため、「ミニ軸索丘陵」と見なすことができます。最遠端では、軸索は絶縁を失い、いくつかの軸索末端に分岐し始めます。これらのシナプス前終末、またはシナプスボタンは、シナプス前細胞の軸索内の特殊な領域であり、シナプス小胞と呼ばれる膜で囲まれた小さな球体に囲まれた神経伝達物質が含まれています。^{[引用が必要]}

軸索に沿った活動電位の伝播とシナプス突起での終結を考える前に、軸索丘陵で活動電位を開始する方法を検討することが有用である。基本的な要件は、丘陵での膜電圧が発火の閾値を超えて上昇することです。^{[7] [8] [20] [21]}この脱分極が発生する方法はいくつかあります。

活動電位は、シナプス前ニューロンからの興奮性シナプス後電位によって最も一般的に開始されます。 ^[22]通常、神経伝達物質分子はシナプス前 ニューロンによって放出されます。これらの神経伝達物質は、シナプス後細胞の受容体に結合します。この結合により、さまざまな種類のイオンチャネルが開きます。この開口には、細胞膜の局所的な透過性、ひいては膜電位を変化させるというさらなる効果があります。結合により電圧が上昇する場合 (膜が脱分極する場合)、シナプスは興奮性です。一方、結合により電圧が減少する場合 (膜が過分極する場合)、結合は抑制性です。電圧が上昇しても低下しても、変化は膜の近くの領域に受動的に伝播します (ケーブル方程式とその改良によって説明されるように)。通常、電圧刺激は、シナプスからの距離と神経伝達物質の結合からの時間とともに指数関数的に減少します。興奮性電圧の一部は軸索丘に到達し、（まれに）膜を脱分極させて新たな活動電位を引き起こすことがあります。より一般的には、複数のシナプスからの興奮性電位がほぼ同時に連携して新たな活動電位を誘発する必要があります。しかし、それらの共同の働きは、反対に働く抑制性シナプス後電位によって妨げられることがあります。^[要出典]

神経伝達は電気シナプスを介しても起こる。^{[23]興奮性細胞間の}ギャップ結合の形での直接接続により、活動電位は1つの細胞から次の細胞へどちらの方向にも直接伝達される。細胞間のイオンの自由な流れは、化学を介さない迅速な伝達を可能にする。整流チャネルは、活動電位が電気シナプスを介して一方向にのみ移動することを保証する。^[要出典]電気シナプスは、明らかに少数派ではあるが、人間の脳を含むすべての神経系に見られる。^[24]

活動電位の振幅は、それを生み出す電流の量とは無関係であるとよく考えられています。言い換えれば、電流が大きくても活動電位は大きくならないということです。したがって、活動電位は完全に発生するかまったく発生しないかのどちらかであるため、全か無かの信号であると言われています。 ^{[d] [e] [f]これは、振幅が刺激の強度に依存する}受容器電位とは対照的です。^[25]どちらの場合も、活動電位の頻度は刺激の強度と相関しています。

活動電位は定型的で均一な信号であるという古典的な見方が何十年も神経科学の分野を支配してきましたが、最近の証拠は活動電位がより複雑なイベントであり、振幅だけでなく持続時間や位相を通じて情報を伝達することができ、時には当初は不可能だと考えられていた距離まで伝達できることを示唆しています。^{[26] [27] [28] [29]}

感覚ニューロンでは、圧力、温度、光、音などの外部信号がイオンチャネルの開閉と連動し、膜のイオン透過性や電圧が変化する。^[30]これらの電圧変化は興奮性（脱分極）または抑制性（過分極）となることがあり、一部の感覚ニューロンでは、それらの複合効果により軸索丘が脱分極して活動電位を引き起こすことがある。ヒトでの例としては、嗅覚受容ニューロンとマイスナー小体があり、それぞれ嗅覚と触覚に重要である。しかし、すべての感覚ニューロンが外部信号を活動電位に変換するわけではなく、軸索を持たないものもある。^{[31]代わりに、信号を}神経伝達物質の放出、または連続的な段階的電位に変換し、そのいずれもが後続のニューロンを刺激して活動電位を発火させる可能性がある。例えば、人間の耳では、有毛細胞が入ってくる音を機械的に制御されるイオンチャネルの開閉に変換し、神経伝達物質分子を放出することがあります。同様に、人間の網膜では、最初の光受容細胞と次の細胞層（双極細胞と水平細胞を含む）は活動電位を生成しません。一部のアマクリン細胞と第3層の神経節細胞のみが活動電位を生成し、それが視神経を伝わります。^[要出典]

感覚ニューロンでは、活動電位は外部刺激によって生じる。しかし、興奮性細胞の中には、そのような刺激がなくても発火する細胞もある。それらは軸索丘を自発的に脱分極し、体内時計のように一定の速度で活動電位を発火する。^[32]このような細胞の電圧トレースはペースメーカー電位として知られている。^[33]心臓の洞房結節にある心臓ペースメーカー細胞が良い例である。^{[g]このようなペースメーカー電位には}自然なリズムがあるが、外部刺激によって調整することができる。例えば、心拍数は薬剤や交感神経と副交感神経からの信号によって変化させることができる。^[34]外部刺激は細胞の反復発火を引き起こすのではなく、単にタイミングを変えるだけである。^[33]場合によっては、周波数の調節がより複雑になり、バーストなどの活動電位のパターンにつながることがある。^[要出典]

活動電位の経過は、上昇期、ピーク期、下降期、アンダーシュート期、不応期の 5 つの部分に分けられます。上昇期では、膜電位が脱分極します (より正になります)。脱分極が停止するポイントはピーク期と呼ばれます。この段階で、膜電位は最大に達します。その後、下降期があります。この段階では、膜電位はより負になり、静止電位に戻ります。アンダーシュート期、または後過分極期は、膜電位が静止時 (過分極) よりも一時的に負に帯電する期間です。最後に、後続の活動電位が発火できない、または発火しにくい時間は不応期と呼ばれ、他のフェーズと重なることがあります。^[35]

活動電位の経路は、2 つの連動した効果によって決まります。^{[36]まず、}膜電圧 V _mの変化に応じて、電圧感受性イオン チャネルが開閉します。これにより、それらのイオンに対する膜の透過性が変わります。^[37]次に、ゴールドマン方程式によれば、この透過性の変化によって平衡電位E _mが変化し、その結果、膜電圧V _{m も}変化します。^[h]したがって、膜電位は透過性に影響し、さらに膜電位に影響します。これにより、活動電位の上昇段階の重要な部分である正のフィードバックが発生する可能性があります。 ^{[7] [10]}複雑な要因として、1 つのイオン チャネルに、V _mの変化に反対の方法で、または異なる速度で反応する複数の内部「ゲート」がある場合があります。^{[38] [i]}たとえば、V _m を上昇させると、電圧感受性ナトリウム チャネルのほとんどのゲートが開きますが、より遅いとはいえ、チャネルの「不活性化ゲート」も閉じます。 ^[39]したがって、Vm_が突然上昇すると、ナトリウムチャネルは最初は開きますが、その後、不活性化が遅くなるため閉じます。

活動電位の電圧と電流は、1952年にアラン・ロイド・ホジキンとアンドリュー・ハクスリーによってすべての位相で正確にモデル化され、 ^[i] 1963年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。^{[小文字ギリシャ語 2]}しかし、彼らのモデルは2種類の電圧感受性イオンチャネルのみを考慮しており、それらの内部ゲートが互いに独立して開閉するなど、いくつかの仮定を立てています。実際には、イオンチャネルには多くの種類があり、^[40]常に独立して開閉するわけではありません。^[j]

典型的な活動電位は、十分に強い脱分極、例えばV _{m を}増加させる刺激によって軸索丘陵^{[41]で始まる。この脱分極は、多くの場合、余分なナトリウム陽}イオンが細胞内に注入されることによって引き起こされる。これらの陽イオンは、化学シナプス、感覚ニューロン、ペースメーカー電位など、さまざまな発生源から来る可能性がある。^[要出典]

静止状態のニューロンでは、細胞外液のナトリウムイオンと塩化物イオンの濃度は細胞内液の濃度よりも高く、細胞内液のカリウムイオンの濃度は細胞外液の濃度よりも高くなっています。イオンが高濃度から低濃度に移動する濃度差と静電気効果（反対の電荷を引き付ける）が、ニューロン内外のイオンの移動の原因です。ニューロンの内部は、細胞外への K ⁺の移動により、細胞外部に比べて負に帯電しています。ニューロン膜は他のイオンよりも K ^{+に対して透過性が高いため、このイオンは濃度勾配に沿って選択的に細胞外へ移動します。この濃度勾配とニューロン膜にある}カリウム漏出チャネルによりカリウムイオンの流出が起こり、静止電位はE _K ≈ –75 mVに近くなります 。^[42] Na ⁺イオンは細胞外でより高濃度であるため、Na ⁺チャネルが開くと、濃度と電圧の差によってイオンが細胞内に押し込まれます。脱分極により膜内のナトリウムチャネルとカリウムチャネルの両方が開き、イオンがそれぞれ軸索に出入りできるようになります。脱分極が小さい場合（たとえば、V _mが-70 mVから-60 mVに増加する場合）、外向きのカリウム電流が内向きのナトリウム電流を圧倒し、膜は-70 mV前後の通常の静止電位に再分極します。^{[7] [8] [9]}しかし、脱分極が十分に大きい場合、内向きのナトリウム電流が外向きのカリウム電流よりも増加し、暴走状態（正のフィードバック）が発生します。つまり、内向きの電流が多いほど、V _{m が}増加し、それがさらに内向きの電流を増加させます。^{[7] [10]}十分に強い脱分極（V _mの増加）により、電圧感受性ナトリウムチャネルが開きます。ナトリウムの透過性が増加すると、V _{m は}ナトリウム平衡電圧E _Na ≈ +55 mV に近づきます。電圧が増加すると、さらに多くのナトリウムチャネルが開き、V m はさらに E Na に近づきます。この正のフィードバックは、ナトリウムチャネルが完全に開き、V _{m が}E Na_に近づくまで続きます。_[ 7 _] [ 8 ^{] [ 20][21]} Vmとナトリウム透過性の急激な上昇は活動電位の上昇期に_対応^{している。 [7] [8] [20] [21]}

この暴走状態の臨界閾値電圧は通常約 -45 mV ですが、軸索の最近の活動によって異なります。活動電位を発火したばかりの細胞は、Na ⁺チャネルが不活性化状態から回復していないため、すぐに次の活動電位を発火させることはできません。新しい活動電位を発火させることができない期間は、絶対不応期と呼ばれます。^{[43] [44] [45]}より長い時間で、イオンチャネルのすべてではなく一部が回復した後、軸索を刺激して別の活動電位を発生させることができますが、閾値が高くなり、たとえば -30 mV までのはるかに強い脱分極が必要になります。活動電位を異常に誘発するのが難しい期間は、相対不応期と呼ばれます。^{[43] [44] [45]}

上昇期の正のフィードバックは、ナトリウムイオンチャネルが最大限に開くと減速し、停止する。活動電位のピークでは、ナトリウム透過性が最大になり、膜電圧V _{m は}ナトリウム平衡電圧E _Naとほぼ等しくなる。しかし、最初にナトリウムチャネルを開いた同じ上昇電圧は、その細孔を閉じることによって、ゆっくりとそれらを遮断し、ナトリウムチャネルは不活性化される。^[39]これにより、カリウムに対する膜のナトリウム透過性が低下し、膜電圧が静止値に戻る。同時に、上昇した電圧は、電圧感受性カリウムチャネルを開き、膜のカリウム透過性の増加により、V _{m が}E _Kに向かって進む。^[39]これらのナトリウム透過性とカリウム透過性の変化が組み合わさって、V _{m が}急速に低下し、膜が再分極し、活動電位の「下降期」が生じる。^{[43] [46] [21] [47]}

脱分極電圧により、追加の電圧依存性カリウムチャネルが開き、これらのいくつかは、膜が通常の静止電圧に戻ってもすぐには閉じません。さらに、活動電位中のカルシウムイオンの流入に反応して、さらにカリウムチャネルが開きます。細胞内のカリウムイオン濃度は一時的に異常に低くなり、膜電圧V _{m は}カリウム平衡電圧E _Kにさらに近づきます。膜電位は静止膜電位を下回ります。したがって、後過分極と呼ばれるアンダーシュートまたは過分極が発生し、膜カリウム透過性が通常の値に戻り、膜電位が静止状態に戻るまで持続します。^{[48] [46]}

各活動電位の後には不応期が続く。不応期は絶対不応期と相対不応期に分けられ、絶対不応期では別の活動電位を誘発することが不可能であり、相対不応期では通常よりも強い刺激が必要となる。^{[43] [44] [45]}これらの 2 つの不応期は、ナトリウム チャネル分子とカリウム チャネル分子の状態の変化によって引き起こされる。活動電位後に閉じると、ナトリウム チャネルは「不活性化」状態になり、膜電位に関係なく開くことができなくなる。これが絶対不応期の原因となる。十分な数のナトリウム チャネルが休止状態に戻った後でも、カリウム チャネルの一部が開いたままになることが頻繁にあり、膜電位の脱分極が困難になり、相対不応期の原因となる。カリウム チャネルの密度とサブタイプはニューロンの種類によって大きく異なるため、相対不応期の持続時間は非常に多様である。^[要出典]

絶対不応期は、軸索に沿った活動電位の一方向伝播に大きく関与している。^[49]いかなる瞬間においても、活発にスパイクを発している部分の後ろの軸索のパッチは不応性であるが、最近活性化されていない前方のパッチは、活動電位からの脱分極によって刺激を受けることができる。

軸索丘で発生した活動電位は、波として軸索に沿って伝播する。^[50]活動電位中に軸索上の一点に流入する電流は軸索に沿って広がり、その膜の隣接部分を脱分極させる。十分に強い場合、この脱分極は隣接する膜パッチで同様の活動電位を引き起こす。この基本的なメカニズムは、 1937 年にアラン ロイド ホジキンによって実証された。神経節を潰すか冷却して活動電位をブロックした後、ブロックされた部分が十分に短ければ、ブロックの片側に到達した活動電位が反対側で別の活動電位を引き起こす可能性があることを彼は示した。^[k]

膜のパッチで活動電位が発生すると、膜パッチは回復するまでに時間が必要で、その後は再び発火することはできません。分子レベルでは、この絶対不応期は、電圧活性化ナトリウムチャネルが不活性化から回復する、つまり閉じた状態に戻るのに必要な時間に対応します。^[44]ニューロンには多くの種類の電圧活性化カリウムチャネルがあります。それらのいくつかは速く不活性化し（A型電流）、いくつかはゆっくり不活性化するか、まったく不活性化しません。この可変性により、先行する脱分極のためにカリウムチャネルの一部が不活性化された場合でも、再分極に利用できる電流源が常に存在します。一方、すべてのニューロンの電圧活性化ナトリウムチャネルは、強い脱分極中に数ミリ秒以内に不活性化するため、ナトリウムチャネルのかなりの割合が閉じた状態に戻るまで、次の脱分極は不可能になります。発火頻度は制限されますが、^[51]絶対不応期により、活動電位は軸索に沿って一方向にのみ移動します。^[49]活動電位によって流入する電流は、軸索に沿って両方向に広がる。^[52]しかし、軸索の未発火部分だけが活動電位で反応できる。発火したばかりの部分は、活動電位が安全に範囲外になるまで反応せず、その部分を再刺激することはできない。通常の順行性伝導では、活動電位は軸索丘からシナプス突起（軸索末端）に向かって伝播する。逆方向の伝播（逆行性伝導と呼ばれる）は非常にまれである。^[53]しかし、実験室の軸索が中央で刺激されると、軸索の両半分は「新鮮」、つまり未発火であるため、2つの活動電位が生成され、1つは軸索丘に向かって、もう1つはシナプス突起に向かって伝わる。

神経系で電気信号を迅速かつ効率的に伝達するため、特定のニューロンの軸索はミエリン鞘で覆われている。ミエリンは、ランビエの絞輪と呼ばれる間隔で区切られたセグメントに軸索を包む多層膜である。これは、末梢神経系ではシュワン細胞のみ、中枢神経系ではオリゴデンドロサイトのみという特殊な細胞によって生成される。ミエリン鞘は、膜容量を減らし、絞輪間の間隔で膜抵抗を増やすことで、絞輪から絞輪への活動電位の高速な跳躍的移動を可能にする。^{[l] [m] [n]髄鞘形成は主に}脊椎動物に見られるが、エビのいくつかの種など、いくつかの無脊椎動物で類似のシステムが発見されている。^[o]脊椎動物のニューロン全てが髄鞘化しているわけではない。例えば、自律神経系を構成するニューロンの軸索は、一般に髄鞘化していない。

ミエリンにより、イオンが髄鞘のある部分に沿って軸索に出入りすることが防止されます。一般的に、髄鞘形成により活動電位の伝導速度が上昇し、エネルギー効率が向上します。跳躍性の有無にかかわらず、活動電位の平均伝導速度は 1 メートル/秒(m/s) から 100 m/s を超える範囲で、一般に軸索の直径とともに増加します。^[p]

活動電位は、軸索の髄鞘部分では膜を伝わることができない。しかし、電流は細胞質によって運ばれ、それは最初または2番目に続くランビエ結節を脱分極させるのに十分である。代わりに、1つのランビエ結節での活動電位からのイオン電流が、次の結節で別の活動電位を誘発する。この結節から結節への活動電位の見かけ上の「ホッピング」は、跳躍伝導として知られている。跳躍伝導のメカニズムは1925年にラルフ・リリーによって提案されたが^[q] 、跳躍伝導の最初の実験的証拠は、田崎一二^[r]と竹内泰治^{[s] [54]}およびアンドリュー・ハクスリーとロバート・シュテンフリ^[t]によって得られた。対照的に、無髄軸索では、活動電位はすぐ隣の膜で別の活動電位を誘発し、波のように軸索を連続的に下って移動する。

ミエリンには、伝導速度が速いこととエネルギー効率という 2 つの重要な利点があります。軸索が最小直径 (約 1マイクロメートル) より大きい場合、髄鞘化によって活動電位の伝導速度が通常 10 倍増加します。 ^[v]逆に、伝導速度が同じ場合、髄鞘化繊維は髄鞘化していない繊維よりも小さくなります。たとえば、活動電位は髄鞘化したカエルの軸索と髄鞘化していないイカの巨大軸索でほぼ同じ速度 (25 m/s) で移動しますが、カエルの軸索の直径は約 30 倍小さく、断面積は 1000 倍小さくなります。また、イオン電流はランビエ絞輪に限定されるため、膜を横切って「漏れる」イオンははるかに少なくなり、代謝エネルギーが節約されます。この節約は、人間の神経系が体の代謝エネルギーの約 20% を使用するため、重要な選択的利点です。^[v]

跳躍伝導の成功には、軸索の有髄部分の長さが重要である。伝導速度を最大化するために、有髄部分はできるだけ長くする必要があるが、到着した信号が弱すぎて次のランヴィエ結節で活動電位を誘発できないほど長くしてはならない。自然界では、有髄部分は一般に、受動的に伝播した信号が少なくとも 2 つの結節を伝わり、2 番目または 3 番目の結節で活動電位を発火させるのに十分な振幅を維持するのに十分な長さである。したがって、跳躍伝導の安全係数は高く、損傷があった場合でも結節を迂回して伝達することができる。しかし、安全係数が低い特定の場所では、無髄ニューロンであっても活動電位が途中で終了することがある。一般的な例は、軸索が 2 つの軸索に分かれる分岐点である。^[56]

いくつかの疾患はミエリンを分解し、跳躍伝導を阻害し、活動電位の伝導速度を低下させます。^[w]これらのうち最もよく知られているのは多発性硬化症で、ミエリンの破壊により協調運動が障害されます。^[57]

軸索内の電流の流れは、ケーブル理論^[58]とその詳細化であるコンパートメントモデル [ ^59]によって定量的に記述できます。ケーブル理論は、1855年にケルビン卿が大西洋横断電信ケーブルをモデル化するために開発し^[x] 、 1946年にホジキンとラッシュトンによってニューロンに関連することが示されました^[y]。単純なケーブル理論では、ニューロンは電気的に受動的な、完全に円筒形の伝送ケーブルとして扱われ、偏微分方程式^{[58]で記述できます。}

${\displaystyle \tau {\frac {\partial V}{\partial t}}=\lambda ^{2}{\frac {\partial ^{2}V}{\partial x^{2}}}-V}$

ここで、V ( x , t ) は、時間tとニューロンの長さに沿った位置xにおける膜全体の電圧であり、λ と τ は、刺激に応じてこれらの電圧が減衰する特徴的な長さと時間のスケールです。右の回路図を参照すると、これらのスケールは単位長さあたりの抵抗と静電容量から決定できます。^[60]

${\displaystyle \tau =\ r_{m}c_{m}\,}$

${\displaystyle \lambda ={\sqrt {\frac {r_{m}}{r_{\ell }}}}}$

これらの時間と長さのスケールは、無髄線維におけるニューロンの直径に対する伝導速度の依存性を理解するために使用できます。たとえば、時間スケール τ は、膜抵抗r _mと静電容量c _{m の}両方とともに増加します。静電容量が増加すると、所定の膜間電圧を生成するために転送される電荷​​量が多くなります (式Q  =  CVによる)。抵抗が増加すると、単位時間あたりに転送される電荷​​量が少なくなり、平衡化が遅くなります。同様に、単位長さあたりの内部抵抗r _iが 1 つの軸索で他の軸索よりも低い場合 (たとえば、前者の半径が大きいため)、空間減衰長 λ が長くなり、活動電位の伝導速度が増加するはずです。膜間抵抗r _mが増加すると、膜を横切る平均「漏れ」電流が低下し、同様にλが長くなり、伝導速度が増加します。

一般的に、シナプス突起に到達した活動電位により、神経伝達物質がシナプス間隙に放出される。^[z]神経伝達物質は、シナプス後細胞のイオンチャネルを開くことができる小分子であり、ほとんどの軸索はすべての末端に同じ神経伝達物質を持っている。活動電位の到達により、シナプス前膜の電圧感受性カルシウムチャネルが開き、カルシウムの流入により神経伝達物質で満たされた小胞が細胞表面に移動し、その内容物がシナプス間隙に放出される。^{[aa]この複雑なプロセスは、}破傷風とボツリヌス中毒の原因となる神経毒 テタノスパスミンとボツリヌス毒素によって阻害される。^[ab]

いくつかのシナプスは、神経伝達物質の「仲介者」を省き、シナプス前細胞とシナプス後細胞を互いに接続します。^[ac]活動電位がそのようなシナプスに到達すると、シナプス前細胞に流入するイオン電流は、2 つの細胞膜の障壁を通過し、コネクソンと呼ばれる孔を通ってシナプス後細胞に入ります。^{[ad]したがって、シナプス前活動電位のイオン電流は、シナプス後細胞を直接刺激できます。電気シナプスは、シナプス間隙を横切る}神経伝達物質のゆっくりとした拡散を必要としないため、より速い伝達が可能です。したがって、逃避反射、脊椎動物の網膜、心臓など、迅速な応答とタイミングの調整が重要な場合は常に電気シナプスが使用されます。

化学シナプスの特殊なケースは神経筋接合部で、運動ニューロンの軸索が筋線維で終わる。^[ae]このような場合、放出される神経伝達物質はアセチルコリンであり、筋線維の膜（筋形質膜）内の膜貫通タンパク質であるアセチルコリン受容体に結合します。^[af]しかし、アセチルコリンは結合したままではなく、むしろ解離し、シナプスにある酵素、アセチルコリンエステラーゼによって加水分解されます。この酵素は筋肉への刺激を急速に減らし、筋肉の収縮の程度とタイミングを微妙に調節できるようにします。一部の毒物は、神経ガスのサリンとタブン、^[ag]や殺虫剤のダイアジノンとマラチオンなど、この制御を妨げるためにアセチルコリンエステラーゼを不活性化します。 ^[ah]

心臓の活動電位は、ニューロンの活動電位とは異なり、通常通りカリウム電流によって再分極される前に、膜が数百ミリ秒間高電圧に保持される拡張プラトーを持っています。^{[ai]このプラトーは、ナトリウムチャネルが不活性化された後でも、より遅い}カルシウムチャネルが開き、膜電圧を平衡電位近くに保持する 作用によるものです。

心臓の活動電位は、心臓の収縮を調整する上で重要な役割を果たしている。^[ai]洞房結節の心臓細胞は、心臓を同期させるペースメーカー電位を提供する。これらの細胞の活動電位は、通常、心房と心室の間の唯一の伝導経路である房室結節(AV 結節)に伝わり、そこを通過する。AV 結節からの活動電位は、ヒス束を通ってプルキンエ線維に伝わる。^{[注 2]}逆に、先天性変異または損傷による心臓活動電位の異常は、人間の病理、特に不整脈につながる可能性がある。^[ai]キニジン、リドカイン、ベータ遮断薬、ベラパミルなど、いくつかの抗不整脈薬は、心臓活動電位に作用する。^[aj]

通常の骨格筋細胞の活動電位は、ニューロンの活動電位に似ています。^[61]活動電位は、細胞膜（筋形質膜）の脱分極によって生じ、電圧感受性ナトリウムチャネルが開きます。これらのチャネルは不活性化され、膜はカリウムイオンの外向き電流によって再分極します。活動電位の前の静止電位は通常 -90mV で、一般的なニューロンよりもいくらか負です。筋肉の活動電位は約 2～4 ミリ秒続き、絶対不応期は約 1～3 ミリ秒、筋肉に沿った伝導速度は約 5 m/s です。活動電位によってカルシウムイオンが放出され、トロポミオシンが解放されて筋肉が収縮できるようになります。筋肉の活動電位は、神経筋接合部にシナプス前ニューロン活動電位が到達することで誘発されます。神経筋接合部は、神経毒の一般的な標的です。^[ag]

植物細胞と真菌細胞^[ak]も電気的に興奮性である。動物の活動電位との根本的な違いは、植物細胞における脱分極は陽ナトリウムイオンの取り込みではなく陰塩化物イオンの放出によって達成される点である。^{[al] [am] [an]} 1906年、JC ボーズは植物における活動電位の最初の測定結果を発表したが、これはバードン・サンダーソンとダーウィンによって以前に発見されていた。^[62]細胞質カルシウムイオンの増加が細胞内への陰イオン放出の原因である可能性がある。これによりカルシウムは、大麦の葉に見られる陰塩化物イオンの流入と陽カリウムイオンの流出などのイオン移動の前駆物質となる。^[63]

カルシウムイオンの最初の流入は、小さな細胞脱分極も引き起こし、電位依存性イオンチャネルを開き、塩化物イオンによって完全な脱分極が伝播できるようにします。

一部の植物（例えば、ハエトリグサ）は、ナトリウム依存性チャネルを使用して植物の動きを制御し、刺激イベントを「カウント」して、動きの閾値が満たされたかどうかを判断します。ハエトリグサとしても知られるハエトリグサは、ノースカロライナ州とサウスカロライナ州の亜熱帯湿地帯に生息しています。 ^[64]土壌の栄養が乏しい場合、ハエトリグサは昆虫や動物を餌に頼ります。^[65]この植物に関する研究にもかかわらず、ハエトリグサや一般的な食肉植物の分子基盤の背後にある理解が不足しています。^[66]

しかし、活動電位とそれがハエトリグサ内の動きや仕組みにどのように影響するかについては、多くの研究が行われてきました。まず、ハエトリグサの静止膜電位（−120 mV）は、動物細胞（通常−90 mVから−40 mV）よりも低いです。^{[66] [67]}静止電位が低いため、活動電位を活性化しやすくなります。したがって、昆虫が植物の罠に止まると、毛のような機械受容器が作動します。^[66]次に、この受容体が約1.5ミリ秒持続する活動電位を活性化します。^[68]これにより、細胞への正のカルシウムイオンが増加し、わずかに脱分極します。しかし、ハエトリグサは1回のトリガーでは閉じません。代わりに、2本以上の毛の活性化が必要です。^{[65] [66]} 1本の毛だけがトリガーされた場合、活性化は偽陽性として無視されます。さらに、2本目の毛は、最初の活性化と一致するように、一定の時間間隔（0.75～40秒）内に活性化されなければならない。^[66]したがって、最初のトリガーの後、カルシウムの蓄積が始まり、その後ゆっくりと減少します。時間間隔内に2番目の活動電位が発火すると、カルシウム閾値に達して細胞を脱分極し、ほんの一瞬で獲物の罠を閉じます。^[66]

植物の活動電位は、その後の陽カリウムイオンの放出とともに、浸透圧による塩分（KCl）の損失を伴う。一方、動物の活動電位は浸透圧的に中性である。これは、流入するナトリウムと流出するカリウムの量が等量であるため、浸透圧的に互いに打ち消し合うからである。植物細胞における電気と浸透圧の関係の相互作用^[ao]は、塩分濃度が変化する条件下での植物と動物の共通の単細胞祖先における電気興奮性の浸透圧機能から生じたと思われる。さらに、迅速な信号伝達という現在の機能は、より安定した浸透圧環境における後生動物細胞の新しい成果とみなされている。 ^{[69]一部の維管束植物（例：}オジギソウ）における活動電位のよく知られたシグナル伝達機能は、後生動物の興奮性細胞の機能とは独立して生じた 可能性が高い。

上昇期やピークとは異なり、下降期や過分極後では主にカルシウム以外の陽イオンに依存しているようだ。再分極を開始するには、細胞は膜上の受動輸送によって細胞外にカリウムを移動させる必要がある。これはニューロンと異なり、カリウムの移動は膜電位の低下を支配しない。植物細胞が完全に再分極するには、プロトンATPaseと呼ばれる輸送体を利用して細胞から水素を放出するのを助けるATPの形でエネルギーが必要である。^{[70] [66]}

活動電位は、植物、昆虫などの無脊椎動物、爬虫類や哺乳類などの脊椎動物を含む多細胞生物全体に見られます。^[ap]海綿動物は活動電位を伝達しない多細胞真核生物の主な門であると思われますが、いくつかの研究では、これらの生物も何らかの形の電気信号を持っていることが示唆されています。 ^[aq]静止電位、および活動電位の大きさと持続時間は進化によってあまり変化していませんが、伝導速度は軸索の直径と髄鞘形成によって劇的に変化します。

進化を通じて保存されてきたことを考えると、活動電位は進化上の利点をもたらすと思われる。活動電位の機能の 1 つは、生物内での高速で長距離の信号伝達である。伝導速度は 110 m/s を超えることがあり、これは音速の3 分の 1 である。比較のために、血流で運ばれるホルモン分子は、大動脈内を約 8 m/s で移動する。この機能の一部は、心臓の収縮などの機械的イベントの緊密な調整である。2 つ目の機能は、その生成に関連する計算である。全か無かの信号であり、伝送距離とともに減衰しないため、活動電位にはデジタル エレクトロニクスと同様の利点がある。軸索丘におけるさまざまな樹状突起信号の統合と、複雑な一連の活動電位を形成するための閾値設定は、別の形式の計算であり、生物学的に中枢パターン発生器を形成するために利用され、人工ニューラル ネットワークで模倣されている。

おそらく40億年前に生息していた原核生物と真核生物の共通の祖先は、電位依存性チャネルを持っていたと考えられている。この機能は、後になってコミュニケーションメカニズムを提供するために相互目的化された可能性が高い。現代の単細胞細菌でさえ、活動電位を利用して同じバイオフィルム内の他の細菌とコミュニケーションをとることができる。^[72]

活動電位の研究には、新しい実験方法の開発が必要でした。1955 年以前の最初の研究は、主にアラン・ロイド・ホジキンとアンドリュー・フィールディング・ハクスリーによって行われました。この 2 人は、ジョン・カリュー・エクルズとともに、神経伝導のイオン的基礎の解明への貢献により 1963 年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。この研究では、単一のニューロンまたは軸索からの信号を分離すること、高速で感度の高い電子機器を開発すること、単一細胞内の電圧を記録できるほど 電極を小型化すること、という 3 つの目標に焦点が当てられました。

最初の問題は、イカ（当時はLoligo pealeiiとして分類されていたLoligo forbesiiとDoryteuthis pealeii）のニューロンに見られる巨大な軸索を研究することで解決されました。 ^[ar]これらの軸索は直径が非常に大きいため（約 1 mm、つまり一般的なニューロンの 100 倍）、肉眼で確認でき、抽出や操作が容易です。^{[i] [as]}しかし、それらはすべての興奮性細胞を代表するものではなく、活動電位を持つ他の多くのシステムが研究されてきました。

2 番目の問題は、電圧クランプの重要な開発によって解決されました。これ^により、実験者は活動電位の背後にあるイオン電流を単独で研究できるようになり、電子ノイズの重要な発生源である膜の静電容量Cに関連する電流I _{C が}^{排除されました。 [74]}電流はC に膜間電圧V _mの変化率を掛けたものに等しいため、解決策は、膜を流れる電流に関係なくV _{m を}一定 (変化率ゼロ)に保つ回路を設計することでした。したがって、 V _{m を}一定値に保つために必要な電流は、膜を流れる電流を直接反映しています。その他の電子技術の進歩には、ファラデー ケージの使用や、測定自体が測定対象の電圧に影響を与えないようにする高入力インピーダンスの電子装置の使用などがあります。 ^[75]

3 つ目の問題、つまり軸索 1 本の内部の電圧を軸索を乱すことなく記録できるほど小さい電極を得るという問題は、1949 年にガラス製マイクロピペット電極^[au]が発明されて解決され、すぐに他の研究者にも採用されました。^{[av] [aw]この方法の改良により、100} Å (10 nm )ほどの極細の電極チップを作製できるようになり、高い入力インピーダンスも得られます。^[76]活動電位は、ニューロンのすぐ横に小さな金属電極を配置したり、EOSFET を含むニューロチップを使用したり、 Ca ²⁺や電圧に敏感な染料を使用して光学的に記録することもできます。^[ax]

ガラス製マイクロピペット電極は多数のイオンチャネルを通過する電流の合計を測定しますが、単一のイオンチャネルの電気的特性を研究することは、1970年代にエルヴィン・ネーアーとベルト・ザックマンによるパッチクランプの開発によって可能になりました。この発見により、彼らは1991年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。^{[小文字ギリシャ語3]}パッチクランプ法によって、イオンチャネルには開、閉、不活性化などの個別の伝導状態があることが検証されました。

近年、活動電位を測定するための光学イメージング技術が開発され、同時多点記録または超空間分解能のいずれかで測定できるようになりました。電圧感受性染料を使用して、心筋細胞膜の小さな部分から活動電位を光学的に記録しました。 ^[ay]

天然および合成の神経毒には、活動電位をブロックする働きを持つものもいくつかある。フグのテトロドトキシンやゴニオラックス( 「赤潮」の原因となる渦鞭毛藻類)のサキシトキシンは、電圧感受性ナトリウム チャネルを阻害することで活動電位をブロックする。 ^[az]同様に、ブラック マンバのデンドロトキシンは、電圧感受性カリウム チャネルを阻害する。イオン チャネルのこのような阻害剤は、科学者が特定のチャネルを任意に「オフ」にし、他のチャネルの寄与を分離できるようにすることで、重要な研究目的に役立つ。また、アフィニティー クロマトグラフィーによるイオン チャネルの精製や、その濃度の分析にも役立つ。しかし、このような阻害剤は効果的な神経毒にもなり、化学兵器としての使用が検討されてきた。昆虫のイオン チャネルを狙った神経毒は、効果的な殺虫剤となっている。その一例が合成ペルメトリンで、活動電位に関与するナトリウム チャネルの活性化を延長する。昆虫のイオンチャネルは人間のものとは十分に異なるため、人間への副作用はほとんどありません。

動物の神経系における電気の役割は、1791年から1797年にかけて研究したルイージ・ガルヴァーニによって解剖されたカエルで初めて観察されました。 ^[ba]ガルヴァーニの研究結果は、アレッサンドロ・ボルタにインスピレーションを与え、ボルタ電池（最も古い電池として知られている）を開発させ、動物の電気（電気ウナギなど）と印加された直流電圧に対する生理学的反応を研究しました。^[bb]

19世紀、科学者たちは神経全体（ニューロンの束）における電気信号の伝播を研究し、神経組織は相互に連結した管のネットワーク（細網）ではなく、細胞で構成されていることを実証した。^[77]カルロ・マテウチはガルヴァーニの研究を続行し、カエルの損傷した神経と筋肉が直流を生成できることを実証した。マテウチの研究はドイツの生理学者エミール・デュ・ボア＝レーモンに刺激を与え、彼は1843年にこれらの筋肉と神経の準備を刺激すると静止電流が著しく減少することを発見し、活動電位の電気的性質を特定した最初の研究者となった。^[78]活動電位の伝導速度はその後、デュ・ボア＝レーモンの友人であるヘルマン・フォン・ヘルムホルツによって1850年に測定された。^[79]電気生理学の進歩は化学理論と実験的実践の限界のためにその後停滞した。神経組織が個別の細胞で構成されていることを証明するため、スペインの医師サンティアゴ・ラモン・イ・カハールとその弟子たちは、カミロ・ゴルジが開発した染色法を使って、苦労して描いたニューロンの無数の形状を明らかにした。この発見により、ゴルジとラモン・イ・カハールは1906年のノーベル生理学賞を受賞した。^{[小文字ギリシャ語4]彼らの研究は、19世紀の}神経解剖学における長年の論争に決着をつけた。ゴルジ自身も神経系のネットワークモデルを主張していた。

20 世紀には電気生理学で大きな進歩がありました。1902 年と 1912 年に、ジュリアス バーンスタインは、活動電位は軸索膜のイオン透過性の変化から生じるという仮説を提唱しました。 ^{[bc] [80]}バーンスタインの仮説は、活動電位中に膜コンダクタンスが増加することを示したケン コールとハワード カーティスによって確認されました。 ^[bd] 1907 年、ルイ ラピックは、活動電位は閾値を越えたときに発生すると示唆しましたが、^{これは後にイオンコンダクタンスの}動的システムの産物であることが示されました。1949 年、アラン ホジキンとバーナード カッツは、軸索膜が異なるイオンに対して異なる透過性を持つ可能性があることを考慮して、バーンスタインの仮説を改良しました。特に、活動電位に対するナトリウム透過性の重要な役割を実証しました。^[bf]彼らは、活動電位を媒介する神経膜を介した電気的変化を初めて実際に記録した。^{[小文字ギリシャ語 5]この一連の研究は、1952 年に Hodgkin、Katz、} Andrew Huxleyが発表した 5 本の論文で最高潮に達し、電圧クランプ法を用いて、電圧と時間に対するナトリウムおよびカリウムイオンに対する軸索膜の透過性の依存性を判定し、そこから活動電位を定量的に再構築することができた。^[i] Hodgkin と Huxley は、自分たちの数学モデルの特性を、「開」、「閉」、「不活性化」など、いくつかの異なる状態で存在できる個別のイオンチャネルと相関させた。彼らの仮説は、1970 年代半ばから 1980 年代にかけてErwin NeherとBert Sakmannによって確認された。彼らは、個々のイオンチャネルの伝導状態を調べるためにパッチクランプ法を開発した。 ^[bg] 21世紀には、研究者らは、原子分解能の結晶構造、^[bi]蛍光距離測定^{[bj]および}クライオ電子顕微鏡研究を通じて、これらの伝導状態の構造的基礎とイオン種に対するチャネルの選択性を理解し始めています。^[bk]

ジュリアス・バーンスタインは、膜を越えた静止電位に関するネルンストの式を初めて導入した人物でもあり、これは1943 年にデイビッド・E・ゴールドマンによって同名のゴールドマン式に一般化されました。 ^[h]ナトリウム-カリウムポンプは 1957 年に特定され^{[bl] [小ギリシャ語 6]}、その特性は徐々に解明され、^{[bm] [bn] [bo]、}X 線結晶構造解析によって原子分解能の構造が決定されました。^{[bp]関連するイオンポンプの結晶構造も解明され、これらの}分子機械がどのように機能するかについてより広い視野が得られました。^[bq]

数学的モデルと計算モデルは活動電位を理解するために不可欠であり、実験データに対してテスト可能な予測を提供し、理論の厳格なテストを提供します。初期の神経モデルの中で最も重要で正確なのはホジキン-ハクスリーモデルであり、これは活動電位を4つの常微分方程式（ODE）の結合セットで記述します。^[i]ホジキン-ハクスリーモデルは、自然界に存在する現実的な神経膜と比較すると制限がほとんどない単純化である可能性がありますが^{[81] 、その複雑さから、}モリス-レカーモデル^[bs]やフィッツヒュー-ナグモモデル^[bt]など、さらに単純化されたモデルがいくつか生まれました^{[ 82]} 。ホジキン・ハクスリーモデルやフィッツヒュー・ナグモモデル、およびそれらの類似モデルであるボンヘッファー・ファンデルポールモデルなどの特性は、数学、 ^{[83] [bv]}計算^{[84]および電子工学[bw ]}の分野でよく研究されてきました。しかし、発生器電位と活動電位の単純なモデルでは、特にパチニ小体のような機械受容器の閾値近くの神経スパイク率とスパイク形状を正確に再現することができません。^[85]より現代的な研究では、より大規模で統合されたシステムに焦点を当てています。活動電位モデルを神経系の他の部分 (樹状突起やシナプスなど) のモデルと組み合わせることで、研究者は神経計算^[86]や逃避反射などの単純な反射、および中枢パターン発生器によって制御される反射を研究することができます。^{[87] [bx]}

• Blackwell Publishingの活動電位におけるイオンの流れ
• ブラックウェル出版の有髄および無髄軸索における活動電位の伝播
• 心臓細胞におけるAPの生成と神経細胞におけるAPの生成
• 静止膜電位、WK Purves、D Sadava、GH Orians、HC Heller 著『Life: The Science of Biology』第 8 版、ニューヨーク: WH Freeman、ISBN 978-0-7167-7671-0。 
• アリゾナ大学におけるイオン運動と任意のイオン濃度に対するゴールドマン電圧
• 活動電位を描いた漫画
• 活動電位の伝播
• 活動電位の生成: 電圧および電流クランプシミュレーション^{[永久リンク切れ]}
• SourceForge.netのニューロンと心臓の活動電位をシミュレートするオープンソース ソフトウェア
• 活動電位入門、Neuroscience Online（UT Houston Medical School による電子神経科学教科書）
• カーンアカデミー: 電気緊張と活動電位 2014年7月2日アーカイブ、Wayback Machine