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膜電位（膜間電位または膜電圧とも呼ばれる）とは、生物細胞の内部と外部の間の電位差のことである。
慣例として、V m =V inside −V outsideと表記されるため、負の膜電位は細胞内部が外部に対して負であることを意味します。[ 1 ]本質的には、内部電位から外部電位を引いた値に等しくなります。これは、非常に小さな正電荷を一定速度で細胞膜を横切って外部から内部へ移動させるのに必要な電荷あたりのエネルギーです。ただし、電荷の速度が変化する場合、運動エネルギーの変化と放射の発生を考慮に入れる必要があることに注意してください。[ 1 ]
膜電位の典型的な値は、通常ミリボルト単位で与えられ、mV と表記されます。多くの動物細胞では、V mは通常数十ミリボルトのオーダーです。細胞の種類と状態に応じて、一般的に約 -20 mV から -200 mV の範囲にあります。[ 1 ]このような典型的な負の膜電位の場合、正電荷を内部から外部に移動させるには正の仕事が必要です。しかし、熱運動エネルギーにより、イオンは電位差を克服することができます。選択透過性膜の場合、これにより勾配に逆らう正味の流れが可能になります。
細胞全体は内部が負に帯電していると考えられているが、細胞内の液体は電気的に中性である。電圧が存在するのは、細胞膜の表面に蓄積される薄い電荷層によるものである。細胞膜はわずか数ナノメートルの厚さしかないため、この厚さに100 mVの電圧がかかるだけでも、細胞膜上に非常に強い電場が発生する。[ 1 ]
すべての動物細胞は、脂質二重層とその中に埋め込まれたタンパク質からなる膜に囲まれています。この膜は、コンデンサーとしての役割と、イオンの移動に対する拡散障壁としての役割の両方を果たします。イオンポンプはイオンを膜を介して能動的に押し出し、膜を挟んで濃度勾配を形成します。一方、イオンチャネルは、イオンが電気化学的勾配に従って膜を横切って移動することを可能にします。イオンチャネルとイオンポンプは膜貫通タンパク質であり、電気的には抵抗器と電流源（電池）に類似しており、膜の両側の電圧に寄与します。
すべての細胞膜には電位差があり、通常は内側が外側に対して負の電位差があります。[ 2 ]膜電位には2つの基本的な機能があります。1つ目は、細胞が電池として機能し、膜に埋め込まれたさまざまな「分子デバイス」を動作させるための電力を供給することです。[ 3 ] 2つ目は、ニューロンや筋細胞などの電気的に興奮する細胞では、細胞の異なる部分間で信号を伝達するために使用されます。
興奮性細胞では、膜上の特定の箇所でイオンチャネルが開閉することで信号が発生し、膜電位に局所的な変化が生じます。この電場変化は、膜上の隣接するイオンチャネル、あるいはより遠くにあるイオンチャネルによって速やかに感知されます。そして、これらのイオンチャネルは電位変化に応じて開閉し、信号が再現されるのです。
非興奮性細胞、および興奮性細胞の基底状態では、膜電位は比較的安定した値に保たれており、これを静止電位と呼びます。ニューロンの場合、静止電位は-80～-70ミリボルトの範囲と定義されます。つまり、細胞内部は10分の1ボルト弱の負の基底電圧を持っています。イオンチャネルの開閉は、静止電位からの逸脱を引き起こす可能性があります。内部電圧がより負でなくなる場合（例えば-70mVから-60mV）、これを脱分極と呼び、内部電圧がより負になる場合（例えば-70mVから-80mV）を過分極と呼びます。興奮性細胞では、十分に大きな脱分極によって活動電位が誘発され、膜電位が短時間（1～100ミリ秒程度）で急速かつ大きく変化し、多くの場合、極性が反転します。活動電位は、特定の電位依存性イオンチャネルの活性化によって発生する。
ニューロンにおいて、膜電位に影響を与える因子は多岐にわたる。これには、化学的に制御されるものと電圧によって制御されるものを含む、数多くの種類のイオンチャネルが含まれる。電圧依存性イオンチャネルは膜電位によって制御され、膜電位自体もこれらのイオンチャネルによって影響を受けるため、振動や活動電位などの再生現象を含む複雑な時間的ダイナミクスを可能にするフィードバックループが生じる。
細胞膜の両側のイオン濃度の違いにより、膜電位と呼ばれる電圧が生じる。[ 4 ]
多くのイオンは膜を挟んで濃度勾配を持ち、カリウムイオン（K⁺ ）は膜の内側で高濃度、外側で低濃度です。ナトリウムイオン（Na⁺ ）と塩化物イオン（Cl⁻ ）は細胞外領域で高濃度、細胞内領域で低濃度です。これらの濃度勾配が、膜電位の形成を促すポテンシャルエネルギーとなります。この電位は、膜が1つ以上のイオンに対して透過性を持つときに発生します。
最も単純なケースとして、上の図（「イオン濃度勾配」）に示すように、細胞膜がカリウムイオンに対して選択的に透過性を持つ場合、これらの正電荷を持つイオンは濃度勾配に従って細胞外へ拡散し、補償されない負電荷を残します。この電荷の分離が膜電位の原因となります。
システム全体としては電気的に中性である。細胞外の補償されていない正電荷と細胞内の補償されていない負電荷は、膜表面上で物理的に整列し、脂質二重層を介して互いに引き合う。したがって、膜電位は物理的には膜のすぐ近傍にのみ存在する。膜電位の基礎となるのは、これらの電荷が膜を挟んで分離されていることである。
上の図は、膜電位に対するイオンの寄与の近似値にすぎません。ナトリウム、塩化物、カルシウムなどの他のイオンは、濃度勾配が強いにもかかわらず、カリウムよりも透過性が低いため、より小さな役割しか果たしません。[ 5 ]
細胞膜電位は、最終的には電気力と拡散という2つの要因に由来する。電気力は、反対の電荷（正と負）を持つ粒子間の相互引力と、同じ電荷（両方とも正または両方とも負）を持つ粒子間の相互反発力によって生じる。拡散は、粒子が高濃度領域から低濃度領域へと再分布しようとする統計的な傾向によって生じる。
電圧とは、電気的電位差と同義であり、抵抗を介して電流を流す能力のことです。実際、電圧の最も単純な定義はオームの法則で表されます。V=IR、ここでVは電圧、Iは電流、Rは抵抗です。電池などの電圧源を電気回路に接続すると、電圧源の電圧が高いほど、利用可能な抵抗を介して流れる電流の量が大きくなります。電圧の機能的な意味は、回路内の2点間の電位差にのみあります。単一点における電圧という概念は意味を持ちません。電子工学では、回路の任意の要素にゼロ電圧を割り当て、そのゼロ点を基準として他の要素に電圧を割り当てるのが一般的です。どの要素をゼロ点として選択するかは重要ではありません。回路の機能は、電圧そのものではなく、電位差のみに依存します。ただし、ほとんどの場合、慣例として、ゼロレベルは接地されている回路部分に割り当てられます。
細胞生物学における電圧についても、同様の原理が適用されます。電気的に活性な組織では、任意の2点間の電位差は、例えば細胞内と細胞外に電極を挿入し、両方の電極を特殊な電圧計のリード線に接続することで測定できます。慣例として、細胞の外側をゼロ電位とし、細胞内外の電位差の符号は、細胞内の電位を外側のゼロ電位に対してどれだけ高く設定するかによって決まります。
数学的に言えば、電圧の定義は、空間内の各点に大きさと方向を割り当てるベクトル場である電場 E の概念から始まります。多くの場合、電場は保存場であり、スカラー関数Vの勾配として表すことができます。つまり、E = −∇ Vです。このスカラー場Vは電圧分布と呼ばれます。この定義では任意の積分定数が許容されるため、電圧の絶対値は意味を持ちません。一般に、電場は磁場の影響を大きく受けない場合にのみ保存場として扱うことができますが、この条件は通常、生体組織によく当てはまります。
電場は電圧分布の勾配であるため、狭い領域内で電圧が急激に変化すると、強い電場が生じます。逆に、広い領域で電圧がほぼ一定であれば、その領域の電場は弱くなります。強い電場、すなわち強い電圧勾配は、その領域内に存在する荷電粒子に強い力が働くことを意味します。
生物体内の電気信号は、一般的にイオンによって駆動される。[ 7 ]活動電位にとって最も重要な陽イオンはナトリウム（Na +）とカリウム（K +）である。[ 8 ]これらはどちらも一価陽イオンであり、単一の正電荷を持つ。活動電位にはカルシウム（Ca2 +）も関与することがある。 [ 9 ]これは二価陽イオンであり、二重の正電荷を持つ。塩化物陰イオン（Cl− ）は一部の藻類の活動電位で重要な役割を果たすが、[ 10 ]ほとんどの動物の活動電位ではほとんど役割を果たさない。[ 11 ]
イオンは拡散と電場という2 つの影響を受けて細胞膜を通過します。多孔質の障壁で隔てられた 2 つの溶液 A と B という簡単な例では、拡散によって最終的に両方の溶液が混ざり合って同じ濃度の溶液になることが示されています。この混合は、濃度の違いによって起こります。高濃度の領域は低濃度の領域に向かって拡散します。例を拡張して、溶液 A に 30 個のナトリウムイオンと 30 個の塩化物イオンがあるとします。また、溶液 B には 20 個のナトリウムイオンと 20 個の塩化物イオンのみがあるとします。障壁が両方の種類のイオンを通過させると仮定すると、両方の溶液に 25 個のナトリウムイオンと 25 個の塩化物イオンが含まれる定常状態に達します。しかし、多孔質の障壁が通過させるイオンを選択的に通過させる場合、拡散だけでは結果として得られる溶液は決定されません。前の例に戻って、今度はナトリウムイオンのみを透過させる障壁を構築してみましょう。今度は、ナトリウムイオンのみが、高濃度の溶液Aから低濃度の溶液Bへと拡散して障壁を越えることができる。その結果、溶液Bでは塩化物イオンよりもナトリウムイオンの蓄積量が多くなり、溶液Aでは塩化物イオンよりもナトリウムイオンの蓄積量が少なくなる。
これは、溶液Bでは正に帯電したナトリウムイオンの濃度が負に帯電した塩化物イオンの濃度よりも高いため、正味の正電荷が生じることを意味します。同様に、溶液Aでは負に帯電した塩化物イオンの濃度が正に帯電したナトリウムイオンの濃度よりも高いため、正味の負電荷が生じます。反対の電荷は引き合い、同じ電荷は反発し合うため、イオンは拡散力だけでなく電場の影響も受けます。したがって、正に帯電したナトリウムイオンは、より正に帯電した溶液Bへ移動する可能性が低くなり、より負に帯電した溶液Aにとどまります。電場の力が拡散による力と完全に釣り合う点を平衡電位と呼びます。この点では、特定のイオン（この場合はナトリウム）の正味の流れはゼロになります。
すべての細胞は細胞膜に囲まれており、細胞膜は脂質二重層構造で、その中に多くの種類の大きな分子が埋め込まれています。細胞膜は脂質分子で構成されているため、本来的に高い電気抵抗率、つまりイオンに対する低い透過性を持っています。しかし、膜に埋め込まれた分子の中には、イオンを膜の一方の側からもう一方の側へ能動的に輸送したり、イオンが移動できるチャネルを提供したりするものがあります。[ 12 ]
電気的な用語で言えば、細胞膜は抵抗器とコンデンサーを併せ持つ働きをします。抵抗は、膜が電荷の移動を妨げることから生じます。静電容量は、脂質二重層が非常に薄いため、片側に電荷粒子が蓄積すると、反対の電荷を持つ粒子を反対側に引き寄せる電気力が生じることから生じます。膜の静電容量は、膜に埋め込まれた分子の影響をほとんど受けないため、ほぼ一定の値（約2 μF/cm²と推定される）を持ちます（膜のパッチ全体の静電容量はその面積に比例します）。一方、純粋な脂質二重層のコンダクタンスは非常に低いため、生物学的状況では常に、埋め込まれた分子によって提供される代替経路のコンダクタンスが支配的になります。したがって、膜の静電容量はほぼ一定ですが、抵抗は非常に変化しやすいのです。
細胞膜の厚さは約7～8ナノメートルと推定されている。膜が非常に薄いため、膜内に強い電場を発生させるのにそれほど大きな膜間電圧は必要ない。動物細胞の典型的な膜電位は100ミリボルト（つまり1ボルトの10分の1）程度だが、計算によると、これは膜が耐えられる最大に近い電場を発生させる。200ミリボルトをはるかに超える電圧差は、誘電破壊、すなわち膜を横切る放電を引き起こす可能性があると計算されている。
純粋な脂質二重層はイオンの通過に対する抵抗が非常に高いが、膜に埋め込まれた構造は、能動的または受動的にイオンの移動を大幅に促進することができる。これは、能動輸送と促進拡散のメカニズムによって実現される。最も大きな役割を果たす2種類の構造は、イオンチャネルとイオンポンプであり、どちらも通常はタンパク質分子の集合体から形成される。イオンチャネルは、イオンが移動できる通路を提供する。ほとんどの場合、イオンチャネルは特定の種類のイオン（例えば、ナトリウムとカリウムは透過するが、塩化物やカルシウムは透過しない）のみを透過させ、透過性はイオンの移動方向によって変化することもある。イオンポンプは、イオントランスポーターまたはキャリアタンパク質とも呼ばれ、特定の種類のイオンを膜の一方の側からもう一方の側に能動的に輸送し、その際に代謝プロセスから得られるエネルギーを利用することもある。
イオンポンプは能動輸送を行う膜貫通タンパク質であり、細胞エネルギー（ATP）を使用してイオンを濃度勾配に逆らって「ポンプ輸送」します。[ 13 ]このようなイオンポンプは、膜の一方の側からイオンを取り込み（その側の濃度を低下させ）、もう一方の側に放出します（その側の濃度を上昇させます）。
活動電位に最も関係のあるイオンポンプはナトリウム-カリウムポンプであり、これは3つのナトリウムイオンを細胞外に、2つのカリウムイオンを細胞内に輸送します。[ 14 ] [ 15 ]その結果、ニューロン内のカリウムイオンK +の濃度は細胞外の濃度のおよそ30倍であり、一方、細胞外のナトリウム濃度は細胞内の濃度のおよそ5倍です。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]同様に、カルシウム、塩化物、マグネシウムなどの他のイオンもニューロン内外で濃度が異なります。[ 17 ]
各種類のイオンの数が等しい場合、ナトリウム-カリウムポンプは電気的に中性になりますが、3対2の交換により、各サイクルで細胞内から細胞外へ正電荷が1つ正味移動し、それによって正の電圧差が生じます。このポンプには3つの効果があります。(1)細胞外空間のナトリウム濃度を高くし、細胞内空間のナトリウム濃度を低くします。(2)細胞内空間のカリウム濃度を高くし、細胞外空間のカリウム濃度を低くします。(3)細胞内空間を細胞外空間に対して負の電圧にします。
ナトリウム-カリウムポンプの作動速度は比較的遅い。細胞内のナトリウムとカリウムの濃度が均一な状態で細胞を初期化した場合、ポンプが平衡状態に達するまでには何時間もかかる。ポンプは常に作動しているが、ポンプで汲み上げられるナトリウムとカリウムの濃度が低下するにつれて、その効率は徐々に低下する。
イオンポンプは、細胞内と細胞外のイオン濃度の相対比を確立することによってのみ活動電位に影響を与えます。活動電位は主にイオンチャネルの開閉に関係しており、イオンポンプは関与していません。イオンポンプのエネルギー源を除去したり、ウアバインなどの阻害剤を添加したりしてイオンポンプをオフにしても、軸索は振幅が著しく減衰し始める前に何十万もの活動電位を発火することができます。[ 13 ]特に、イオンポンプは活動電位後の膜の再分極には重要な役割を果たしません。[ 8 ]
もう一つ機能的に重要なイオンポンプは、ナトリウム-カルシウム交換体です。このポンプは、概念的にはナトリウム-カリウムポンプと似たような働きをしますが、各サイクルで細胞外空間から3つのNa +を細胞内空間から1つのCa ++と交換します。電荷の正味の流れは内向きであるため、このポンプは実質的に「下り坂」で動作し、膜電位以外のエネルギー源を必要としません。その最も重要な効果はカルシウムを細胞外に排出することです。また、ナトリウムの内向き流入も許容するため、ナトリウム-カリウムポンプの働きを抑制しますが、ナトリウムとカリウムの全体的な濃度はカルシウムの濃度よりもはるかに高いため、この効果は比較的小さいです。ナトリウム-カルシウム交換体の最終的な結果として、静止状態では細胞内カルシウム濃度が非常に低くなります。
イオンチャネルは、細胞外空間と細胞内部の間をイオンが移動できる孔を持つ膜貫通タンパク質です。ほとんどのチャネルは1つのイオンに特異的（選択的）です。たとえば、ほとんどのカリウムチャネルは、カリウムイオンとナトリウムイオンは同じ電荷を持ち、半径がわずかに異なるだけであるにもかかわらず、ナトリウムイオンに対するカリウムの選択比が1000:1であることが特徴です。チャネルの孔は通常非常に小さいため、イオンは一列になって通過する必要があります。[ 19 ]チャネルの孔は、イオンの通過に対して開いているか閉じているかのどちらかですが、多くのチャネルはさまざまなサブコンダクタンスレベルを示します。チャネルが開いている場合、イオンはその特定のイオンの膜を横切る濃度勾配に従ってチャネルの孔を透過します。チャネルを通るイオンの流れの速度、つまり単一チャネル電流の振幅は、そのイオンの最大チャネルコンダクタンスと電気化学的駆動力によって決定されます。駆動力は、膜電位の瞬間値と反転電位の値の差です。[ 20 ]
チャネルは複数の異なる状態（タンパク質の異なる立体構造に対応）を持つ可能性があるが、それぞれの状態は開いているか閉じているかのいずれかである。一般に、閉じた状態は、細孔が収縮してイオンが通過できなくなるか、タンパク質の別の部分が細孔を塞ぐかのいずれかに対応する。例えば、電位依存性ナトリウムチャネルは不活性化を起こし、タンパク質の一部が細孔内に移動してそれを塞ぐ。[ 21 ]この不活性化によりナトリウム電流が遮断され、活動電位において重要な役割を果たす。
イオンチャネルは、環境への応答の仕方によって分類できます。[ 22 ]例えば、活動電位に関与するイオンチャネルは電圧感受性チャネルであり、膜電位に応じて開閉します。リガンド依存性チャネルは別の重要な分類を形成し、これらのイオンチャネルは神経伝達物質などのリガンド分子の結合に応じて開閉します。その他のイオンチャネルは機械的な力によって開閉します。さらに、感覚ニューロンのイオンチャネルなど、光、温度、圧力などの他の刺激に応じて開閉するイオンチャネルもあります。
リークチャネルは、透過性がほぼ一定であるという点で、最も単純なタイプのイオンチャネルです。ニューロンにおいて最も重要なリークチャネルは、カリウムチャネルと塩化物チャネルです。しかし、これらのチャネルでさえ、その性質は完全に一定ではありません。第一に、ほとんどのチャネルは電圧依存性があり、一方の方向への伝導性が他方の方向よりも優れています（つまり、整流器です）。第二に、一部のチャネルは、動作にリガンドを必要としないにもかかわらず、化学リガンドによって遮断される可能性があります。
リガンド依存性イオンチャネルとは、ある種の化学リガンドがタンパク質構造に結合すると透過性が大幅に増加するチャネルのことである。動物細胞には、数百種類、場合によっては数千種類ものリガンド依存性イオンチャネルが存在する。その大部分は神経伝達物質受容体として機能し、シナプス後部に存在し、シナプス前軸索終末から放出される化学リガンドによってチャネルが開閉する。このタイプの一例として、 AMPA受容体がある。これは神経伝達物質グルタミン酸の受容体であり、活性化されるとナトリウムイオンとカリウムイオンの通過を可能にする。また、GABA A受容体もその一つで、これは神経伝達物質GABAの受容体であり、活性化されると塩化物イオンの通過を可能にする。
神経伝達物質受容体は細胞外領域に現れるリガンドによって活性化されるが、細胞内側での相互作用によって制御されるリガンド依存性チャネルも存在する。
電位依存性イオンチャネル（電圧ゲート型イオンチャネルとも呼ばれる）は、膜電位によって透過性が変化するチャネルである。これらは非常に大きなグループを形成し、各メンバーはそれぞれ固有のイオン選択性と電圧依存性を持つ。また、多くは時間依存性も持ち、つまり電圧変化に即座に反応するのではなく、一定の遅延を経てから反応する。
このグループの中で最も重要なメンバーの1つは、活動電位の根底にある電圧依存性ナトリウムチャネルの一種です。これらは、アラン・ロイド・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理学に関する研究で最初に特徴づけたことから、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。このチャネルは静止電圧レベルでは閉じていますが、電圧が一定の閾値を超えると急激に開き、大量のナトリウムイオンが流入して膜電位が非常に急速に変化します。活動電位からの回復は、静止電圧レベルでは閉じているものの、活動電位中に生じる大きな電圧変化の結果として開く電圧依存性カリウムチャネルの一種に部分的に依存しています。
イオンの反転電位（または平衡電位）とは、拡散力と電気力が釣り合い、膜を横切るイオンの正味の流れがなくなる膜電位の値のことです。つまり、膜電位がイオンの拡散力と完全に拮抗し、膜を横切るイオンの正味電流がゼロで変化しない状態になるということです。反転電位が重要なのは、そのイオンを透過させるチャネルに作用する電圧、言い換えれば、イオン濃度勾配が電池として作用する際に発生する電圧を示すからです。
特定のイオンの平衡電位は通常、Eイオンという表記で表されます。任意のイオンの平衡電位は、ネルンストの式を使用して計算できます。[ 23 ]例えば、カリウムイオンの反転電位は次のようになります。
どこ
2つの異なるイオンが同じ電荷（例えば、K +と Na +）を持っていても、外部および/または内部の濃度が異なれば、平衡電位は大きく異なる可能性があります。たとえば、ニューロン内のカリウムとナトリウムの平衡電位を見てみましょう。カリウムの平衡電位E Kは、外部に 5 mM のカリウム、内部に 140 mM のカリウムが存在する場合、 -84 mVです。一方、ナトリウムの平衡電位E Naは、内部に約 12 mM のナトリウム、外部に 140 mM のナトリウムが存在する場合、約 +66 mV です。[注 1 ]
ニューロンの静止膜電位は、生物の発生過程で実際に変化します。ニューロンが最終的に完全な成体機能を獲得するためには、発生過程でその電位が厳密に制御される必要があります。生物が発達するにつれて、静止膜電位はより負になります。[ 24 ]グリア細胞も、脳内で発達が進むにつれて分化および増殖します。[ 25 ]これらのグリア細胞の増加により、生物の細胞外カリウムを調節する能力が高まります。細胞外カリウムの低下は、膜電位を35 mV低下させる可能性があります。[ 26 ]
細胞の興奮性とは、さまざまな組織における細胞応答に必要な膜電位の変化のことである。細胞の興奮性は、初期胚発生中に誘導される特性である。[ 27 ]細胞の興奮性は、応答が引き起こされる容易さとしても定義されている。[ 28 ]静止電位と閾値電位は細胞の興奮性の基礎を形成し、これらのプロセスは段階的電位と活動電位の発生に不可欠である。
細胞の興奮性を調節する最も重要な因子は、細胞外電解質濃度（すなわち、Na +、K +、Ca 2+、Cl −、Mg 2+）および関連タンパク質である。細胞の興奮性を調節する重要なタンパク質は、電位依存性イオンチャネル、イオントランスポーター（例：Na+/K+-ATPase、マグネシウムトランスポーター、酸塩基トランスポーター）、膜受容体、および過分極活性化環状ヌクレオチド依存性チャネルである。[ 29 ]例えば、カリウムチャネルとカルシウム感知受容体は、ニューロン、心筋細胞、およびアストロサイトなどの他の多くの興奮性細胞における興奮性の重要な調節因子である。[ 30 ]カルシウムイオンは、興奮性細胞シグナル伝達における最も重要なセカンドメッセンジャーでもある。シナプス受容体の活性化は、ニューロンの興奮性に長期的な変化をもたらす。[ 31 ]甲状腺ホルモン、副腎ホルモン、その他のホルモンも細胞の興奮性を調節します。例えば、プロゲステロンとエストロゲンは子宮筋平滑筋細胞の興奮性を調節します。
多くの細胞型は興奮性膜を持つと考えられている。興奮性細胞型には、ニューロン、筋肉（心筋、骨格筋、平滑筋）、血管内皮細胞、周皮細胞、傍糸球体細胞、カハール間質細胞、多くの種類の上皮細胞（例：β細胞、α細胞、δ細胞、腸内分泌細胞、肺神経内分泌細胞、松果体細胞）、グリア細胞（例：アストロサイト）、機械受容器細胞（例：有毛細胞、メルケル細胞）、化学受容器細胞（例：グロムス細胞、味覚受容体）、一部の植物細胞、そしておそらく免疫細胞が含まれる。[ 32 ]アストロサイトは、シナプス信号を検出できるいくつかの受容体の発現に関連した細胞内カルシウム変動に基づく非電気的興奮性の一形態を示す。ニューロンでは、細胞の一部に異なる膜特性があり、例えば、樹状突起の興奮性によってニューロンは空間的に分離された入力の同時検出能力を獲得する。[ 33 ]
電気生理学者は、イオン濃度差、イオンチャネル、膜容量の影響を等価回路でモデル化します。この等価回路は、膜の小さなパッチの電気的特性を表すことを目的としています。等価回路は、コンデンサと、それぞれ可変コンダクタンスを持つ電池と直列に接続された4つの経路から構成されます。容量は脂質二重層の特性によって決まり、固定されているとみなされます。4つの並列経路はそれぞれ、ナトリウム、カリウム、塩化物、カルシウムという主要なイオンのいずれかから構成されます。各イオン経路の電圧は、膜の両側のイオン濃度によって決まります（上記の「反転電位」の項を参照）。任意の時点における各イオン経路のコンダクタンスは、リークチャネル、リガンド依存性チャネル、電圧依存性イオンチャネルなど、そのイオンに対して透過性を持つ可能性のあるすべてのイオンチャネルの状態によって決まります。
イオン濃度とイオンチャネルコンダクタンスの値が一定の場合、等価回路は、後述するゴールドマン方程式を用いて、電池とコンダクタンスに並列接続された容量を含む回路にさらに簡略化できます。電気的には、これはRC回路（抵抗-容量回路）の一種であり、その電気的特性は非常に単純です。任意の初期状態から、コンダクタンスまたは容量を流れる電流は、時定数τ = RCで指数関数的に減衰します。ここで、Cは膜パッチの容量、R = 1/g netは正味抵抗です。現実的な状況では、時定数は通常1～100ミリ秒の範囲にあります。ほとんどの場合、イオンチャネルのコンダクタンスの変化はより速い時間スケールで発生するため、RC回路は適切な近似ではありません。しかし、膜パッチをモデル化するために使用される微分方程式は、一般的にRC回路方程式の修正版です。
細胞の膜電位が長期間大きく変化しない場合、それは静止電位または静止電圧と呼ばれます。この用語は、非興奮性細胞の膜電位だけでなく、興奮のない興奮性細胞の膜電位にも使用されます。興奮性細胞では、他の可能な状態として、段階的膜電位（振幅が変化する）と活動電位があります。活動電位は、通常一定の時間経過をたどる、膜電位の大きな全か無かの上昇です。興奮性細胞には、ニューロン、筋細胞、および腺の分泌細胞の一部が含まれます。しかし、他の種類の細胞でも、膜電圧は環境または細胞内刺激に応じて変化する可能性があります。たとえば、形質膜の脱分極は、プログラム細胞死の重要なステップであると考えられています。[ 34 ]
静止電位を生成する相互作用は、ゴールドマン方程式によってモデル化されます。[ 35 ]これは、問題となるイオンの電荷と、それらの内部と外部の濃度の差に基づいているという点で、上記のネルンスト方程式と形式が似ています。ただし、問題となる各イオンに対する細胞膜の相対的な透過性も考慮に入れています。実際には、複数のイオンに対して同時にある程度の透過性があるため、静止膜電位は、いずれか1つのネルンスト電位と同じではありません。むしろ、主要な透過性イオン（通常はカリウム、ナトリウム、および塩化物）の透過性の平衡点に近い値になります。[ 36 ]これは、ゴールドマン・ホジキン・カッツ（GHK）電圧方程式で概念的に表すことができます。透過性の高いイオンほど、Vmに大きく寄与します。これが、静止電位が通常EKに近い（静止時には通常PKが最大であるため）が、ナトリウム漏出やその他の電気的活動に応じてENaと比較してわずかに正になる理由です。[ 37 ]
この式に現れる 3 つのイオンは、カリウム (K + )、ナトリウム (Na + )、および塩化物 (Cl − ) です。カルシウムは省略されていますが、重要な役割を果たす状況に対処するために追加することができます。[ 38 ]陰イオンである塩化物項は、陽イオン項とは異なる扱いを受けます。細胞内濃度は分子に、細胞外濃度は分母にあり、陽イオン項とは逆になっています。P i は、イオンの種類 i の相対透過性を表します。
本質的に、ゴールドマンの式は、膜電位を、透過性で重み付けされた個々のイオンタイプの反転電位の加重平均として表します。（活動電位の間、膜電位は約 100 mV 変化しますが、細胞内外のイオン濃度は大きく変化しません。膜が静止電位にあるとき、イオン濃度はそれぞれの濃度に近いままです。）ほとんどの動物細胞では、静止状態でのカリウムの透過性はナトリウムの透過性よりもはるかに高いです。その結果、静止電位は通常、カリウムの反転電位に近くなります。[ 39 ] [ 40 ]塩化物の透過性は十分に高くなることがありますが、他のイオンとは異なり、塩化物は能動的にポンプ輸送されないため、他のイオンによって決定される静止電位に非常に近い反転電位で平衡します。
ほとんどの動物細胞における静止膜電位の値は、通常、カリウム反転電位（通常約 -80 mV）から約 -40 mV の間で変動します。興奮性細胞（活動電位を生成できる細胞）の静止電位は通常、約 -60 mV です。より脱分極した電圧は、活動電位の自発的な発生につながります。未成熟または未分化の細胞は、静止電圧の値が非常に変動し、通常、分化細胞よりも有意に正の値を示します。[ 41 ]このような細胞では、静止電位の値は分化の程度と相関しており、未分化細胞は場合によっては膜電位差を全く示さないことがあります。
静止電位の維持は、漏出チャネルによる損失を相殺するためにイオンを能動的にポンプ輸送する必要があるため、細胞にとって代謝的にコストがかかる場合があります。コストは、細胞機能が特に脱分極した膜電位を必要とする場合に最も高くなります。たとえば、昼光に順応したクロバエ（Calliphora vicina）の光受容体の静止電位は、-30 mVにも達することがあります。[ 42 ]この高い膜電位により、細胞は視覚入力に非常に迅速に反応できますが、その代償として、静止電位の維持には細胞全体のATPの20%以上が消費される可能性があります。[ 43 ]
一方、未分化細胞の高い静止電位は、必ずしも高い代謝コストを伴うわけではない。この一見矛盾する現象は、静止電位の起源を調べることで解決される。分化度の低い細胞は、極めて高い入力抵抗を特徴としており、[ 41 ]これは、この細胞ライフ段階では漏洩チャネルがほとんど存在しないことを意味する。その結果、カリウム透過性はナトリウムイオンの透過性と類似し、静止電位は、前述のようにナトリウムとカリウムの反転電位の中間に位置する。漏洩電流の減少は、補償するための能動ポンプの必要性がほとんどないことも意味し、したがって代謝コストは低い。
古典的なアプローチは細胞内記録です。1 つの電極を細胞内に配置して参照電極を細胞外に残し、V mを直接測定します。Perkins KL. 脳スライスにおける細胞付着型電圧クランプおよび電流クランプ記録と刺激技術。[ 44 ]
現代の電気生理学では、パッチクランプ法がよく用いられます。この方法では、細いガラス製マイクロピペットを膜に押し当てて、非常に高い抵抗を持つシール（ギガシール）を形成します。このシールによって膜のごく一部が隔離されるため、研究者は特定の電気信号を記録することができ、構成によっては膜のどちら側を異なる溶液にさらすかを制御できます。[ 44 ]
パッチクランプ実験は通常、2 つのモードのいずれかで行われます。電流クランプでは、実験者が一定の電流を注入し、細胞の膜電位 (V m ) が時間とともにどのように変化するかを測定します。電圧クランプでは、実験者が膜を選択した電圧に保持し、その電圧を維持するために必要なイオン電流を測定します。電圧クランプは、ナトリウム、カリウム、カルシウム、またはシナプス電流を分離するのに役立ちます。[ 44 ]
細胞間記録：ギガシールが形成された後も膜は無傷のままです。これは一般的にシングルチャネル記録に使用されます。[ 45 ]
全細胞記録：細胞に付着したシールから始め、ピペット先端の下にある小さな膜パッチを（吸引または短い電気パルスによって）破裂させます。これにより、ピペットが細胞内部に電気的にアクセスできるようになり、研究者は全細胞電流（電圧クランプ）または全細胞電圧応答（電流クランプ）を記録できます。[ 45 ]
インサイドアウトパッチ：細胞に付着したシールからピペットを引き離し、小さなパッチを切り取って膜の細胞内側を溶液に露出させる。細胞質側の溶液を制御できるため、チャネルが細胞内リガンドにどのように反応するかをテストするのに特に有用である。[ 45 ]
アウトサイドアウトパッチ：ホールセルモードに入った後、ピペットを引き戻すと、先端で膜が再び閉じられ、細胞外側が溶液に露出します。これは、神経伝達物質を外側の表面に素早く添加して、結果として生じる電流を測定できるため、リガンド依存性チャネルやシナプス受容体の研究に使用されます。[ 45 ]
穿孔パッチ：穿孔パッチ法では、膜パッチを完全に破壊するのではなく、孔形成化合物（ナイスタチンやアムホテリシンBなど）を使用してピペットを細胞に電気的に接続し、細胞内物質の洗い流しを最小限に抑えます。[ 45 ]
ルーズパッチ記録：状況によっては、記録の侵襲性を低減するために、抵抗の低いシールが使用されます。これは、膜を大きく破壊することなく活動電位や局所活動を記録するためによく使用されます。[ 45 ]
前述のように、細胞膜の任意の点における電位は、細胞内と細胞外のイオン濃度差と、各イオンに対する膜の透過性によって決定されます。イオン濃度は通常、それほど速く変化しません（Ca2 +は例外で、細胞内の基礎濃度が非常に低いため、わずかな流入でも濃度が桁違いに増加する可能性があります）。しかし、リガンド依存性イオンチャネルの活性化により、イオンの透過性はミリ秒単位で変化する可能性があります。膜電位の変化は、活性化されるイオンチャネルの数と種類によって大きくも小さくもなり、チャネルが開いている時間の長さによって長くも短くもなります。このような変化は、振幅と時間経過が一定の活動電位とは対照的に、段階的電位と呼ばれます。
上記のゴールドマン方程式からわかるように、膜の特定の種類のイオンに対する透過性を高めると、膜電位はそのイオンの反転電位の方へシフトします。したがって、Na +チャネルを開くと、膜電位はNa +の反転電位（通常は約+100mV）の方へシフトします。同様に、K +チャネルを開くと膜電位は約-90mVの方へシフトし、Cl-チャネルを開くと約-70mV（ほとんどの膜の静止電位）の方へシフトします。したがって、Na +チャネルは膜電位を正の方向にシフトさせ、K +チャネルは負の方向にシフトさせ（膜がK +の反転電位よりも負の値に過分極している場合を除く）、Cl-チャネルは膜電位を静止電位の方へシフトさせる傾向があります。
段階的膜電位はニューロンにおいて特に重要であり、シナプスによって生成されます。単一の段階的電位または活動電位によるシナプスの活性化によって生じる膜電位の一時的な変化は、シナプス後電位と呼ばれます。Na +チャネルを開くように作用する神経伝達物質は、通常、膜電位をより正にし、K +チャネルを活性化する神経伝達物質は、通常、膜電位をより負にします。これらのチャネルを阻害する神経伝達物質は、通常、逆の効果をもたらします。
シナプス後電位が興奮性か抑制性かは、その電流を構成するイオンの反転電位と、細胞が活動電位を発火させる閾値（約-50 mV）によって決まります。典型的なNa +電流のように、反転電位が閾値を超えるシナプス後電流は興奮性と考えられています。典型的なK +電流のように、反転電位が閾値を下回る電流は抑制性と考えられています。静止電位より高く、かつ閾値を下回る反転電位を持つ電流は、それ自体では活動電位を誘発しませんが、閾値下の膜電位振動を引き起こします。したがって、Na +チャネルを開く神経伝達物質は興奮性シナプス後電位（EPSP）を生成し、K +チャネルまたはCl−チャネルを開く神経伝達物質は通常、抑制性シナプス後電位（IPSP）を生成します。同じ時間内に複数の種類のチャネルが開いている場合、それらのシナプス後電位は加算されます。
生物物理学の観点から言えば、静止膜電位とは、細胞が静止しているときに優勢となる膜透過性によって生じる膜電位にすぎない。上記の加重平均の式は常に適用されるが、次のアプローチの方が視覚的に理解しやすいかもしれない。任意の時点で、イオンが細胞の膜電位にどれだけ影響を与えるかを決定する要因は2つある。
駆動力が高い場合、イオンは膜を横切って「押し出される」。透過性が高い場合、イオンは膜を横切って拡散しやすくなる。
つまり、静止膜においては、カリウムの駆動力は低いものの、その透過性は非常に高い。一方、ナトリウムは駆動力が非常に大きいにもかかわらず、静止膜における透過性はほとんどない。この場合、カリウムはナトリウムの約20倍の電流を流すため、膜電位（E m）に対する影響力もナトリウムの20倍となる。
しかし、別のケース、つまり活動電位のピークを考えてみましょう。ここでは、Naに対する透過性が高く、Kに対する透過性は比較的低いです。したがって、膜はE Naに近づき、 E Kから遠ざかります。
透過するイオンの数が増えるほど、膜電位の予測は複雑になります。しかし、ゴールドマン・ホジキン・カッツ方程式または加重平均方程式を用いることで予測できます。任意の時点におけるイオンの濃度勾配と透過率を代入することで、その時点の膜電位を求めることができます。GHK方程式が意味するのは、どの時点においても、膜電位の値はすべての透過イオンの平衡電位の加重平均になるということです。「加重」とは、膜を介したイオンの相対的な透過率のことです。
細胞はイオンを輸送し膜電位を確立するためにエネルギーを消費するが、その電位を利用して他のイオンや糖などの代謝産物を輸送する。ミトコンドリアの膜電位は、生物エネルギーの共通通貨であるATPの産生を促進する。
細胞は、静止電位に蓄えられたエネルギーを利用して、活動電位やその他の興奮状態を発生させることがあります。こうした膜電位の変化は、他の細胞とのコミュニケーション（活動電位など）を可能にしたり、細胞内部の変化を引き起こしたりします。卵子が精子によって受精される際に、このような変化が起こります。
血漿膜の誘電特性の変化は、糖尿病や脂質異常症などの基礎疾患の特徴となる可能性がある。[ 46 ]
神経細胞では、活動電位はナトリウムチャネルを通ってナトリウムイオンが細胞内に流入することで始まり、脱分極を引き起こします。一方、回復過程ではカリウムチャネルを通ってカリウムイオンが細胞外に流入します。これらのイオンの流れはどちらも受動拡散によって起こります。
塩分を摂取すると、新鮮な肉のまだ機能している神経細胞が刺激されて発火し、筋肉の痙攣を引き起こす可能性がある。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]
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