再分極

神経科学では、再分極とは、膜電位を正の値に変化させた活動電位の脱分極段階の直後に、膜電位を負の値に戻す変化を指します。再分極段階では通常、膜電位は静止膜電位に戻ります。カリウム(K ⁺ )イオンの流出により、活動電位の下降段階が発生します。イオンはK ⁺チャネル孔の選択フィルターを通過します。

再分極は典型的には、正に帯電したK ⁺イオンが細胞外へ移動することによって起こる。活動電位の再分極段階では、まず過分極が起こり、静止電位よりも負の膜電位（後過分極と呼ばれる）に達する。再分極には通常数ミリ秒かかる。^[1]

再分極は活動電位の段階であり、細胞は、その電気化学的勾配に沿ったカリウム（K ⁺）イオンの流出により電圧の低下を経験する。この段階は、細胞が脱分極から最高電圧に達した後に起こる。再分極後、細胞は静止膜電位（ニューロンでは−70 mV）に達すると過分極する。細胞内外のナトリウム（Na + ）イオンとカリウムイオンはナトリウムカリウムポンプによって移動され、電気化学的平衡に達しないことが保証され、細胞は静止膜電位の状態を維持できる。[ 2 ^]活動電位のグラフでは、過分極セクションは静止膜電位の線よりも低くなる下降のように見える。この後過分極（下降）では、再分極に関連する主要なK ^{+チャネルである電位依存性K +}遅延整流チャネルの緩やかな不活性化により、細胞は静止時よりも負の電位（約−80 mV）にある。^[3]これらの低電圧では、すべての電位依存性K ⁺チャネルが閉じ、細胞は数ミリ秒以内に静止電位に戻ります。再分極が起こっている細胞は、絶対不応期にあると言われています。再分極に寄与する他の電位依存性K ⁺チャネルには、A型チャネルとCa ²⁺活性化K ⁺チャネルがあります。^[4]タンパク質輸送分子は、細胞外へのNa ^+の排出と細胞内へのK ^+の流入を担い、元の静止イオン濃度を回復します。 ^[5]

再分極の阻害は、電位依存性K ⁺チャネルの改変により発生する可能性があります。これは、拮抗薬テトラエチルアンモニウム（TEA）で電位依存性K ⁺チャネルを選択的に阻害することで実証されています。チャネルを阻害することで、再分極は効果的に停止します。^[6]デンドロトキシンは、電位依存性K ⁺チャネルの選択的薬理学的阻害剤のもう1つの例です。再分極がないということは、ニューロンが高電圧に留まることを意味します。これにより、ナトリウムチャネルの不活性化が遅くなり、脱分極して発火を維持するのに十分な内向きNa ⁺電流がなくなります。^[7]

電位依存性 K ⁺チャネルの構造は、脂質二重層に沿った6 つの膜貫通ヘリックスの構造です。このチャネルの電圧に対する選択性は、これらの膜貫通ドメインのうち 4 つ (S1～S4)、つまり電圧感知ドメインによって媒介されます。他の 2 つのドメイン (S5、S6) は、イオンが通過する細孔を形成します。^[8]電位依存性 K ⁺チャネルの活性化と不活性化は、電圧感知ドメインの構造変化によって引き起こされます。具体的には、S4 ドメインが移動して細孔を活性化および不活性化します。活性化中は、S4 が外向きに動き、VSD と細孔のつながりが強まります。不活性化は、S4 が内向きに動くことによって特徴付けられます。^[9]

脱分極から再分極への切り替えは、電位依存性K ⁺チャネルとNa ⁺チャネルの両方の運動メカニズムに依存しています。電位依存性Na ⁺チャネルとK ^{+チャネルはどちらもほぼ同じ電圧（-50} mV）で活性化しますが、Na ⁺チャネルの方が運動が速く、はるかに迅速に活性化/不活性化します。^{[10]再分極は、Na +}の流入が減少（チャネルが不活性化）し、チャネルが開くにつれてK ^{+イオンの流出が増加すると発生します。 [11]}ナトリウムイオンの伝導性が低下し、カリウムイオンの伝導性が増加すると、細胞の膜電位が非常に速く静止膜電位に戻り、静止膜電位を超えます。これにより、カリウムチャネルがゆっくりと閉じて過分極が発生し、静止膜電位に達した後もより多くのカリウムが流れるようになります。^[10]

活動電位は、電位依存性 Na ^{+チャネルを通じた Na +}の流入によって特徴的に生成され、その後再分極の期間があり、Na ⁺チャネルは不活性化され、K ^{+チャネルが活性化されます。K +}チャネルをさらに研究すると、静止電位を再確立するために細胞膜の再分極に影響を与える 4 つのタイプがあることがわかっています。4 つのタイプは、K _v 1、K _v 2、K _v 3、および K _v 4です。K _v 1 チャネルは主に軸索の再分極に影響を与えます。K _v 2 チャネルは特徴的にゆっくりと活性化されます。K _v 4 チャネルは特徴的に急速に活性化されます。K _v 2 および K _v 4 チャネルがブロックされると、活動電位は予想どおりに広がります。^[12] K _{v 3 チャネルはより正の膜電位で開き、他の K v}チャネルよりも 10 倍速く不活性化します。これらの特性により、哺乳類のニューロンに必要な高頻度の発火が可能になります。_Kv3チャネルが密集している領域には、大脳新皮質、基底核、脳幹、海馬などがあり、これらの領域では迅速な再分極を必要とするマイクロ秒の活動電位が発生します。^[13]

げっ歯類のニューロンを用いた実験の電圧クランプデータを利用すると、K _v 4 チャネルはニューロンの脱分極期間に続く一次再分極コンダクタンスと関連付けられます。K _v 4 チャネルがブロックされると、活動電位が広くなり、再分極期間が延長され、ニューロンが再び発火できるようになるのが遅れます。再分極の速度は、細胞に入る Ca ²⁺イオンの量を厳密に制御します。再分極期間が長くなったために大量の Ca ²⁺イオンが細胞に入ると、ニューロンが死滅し、脳卒中や発作を引き起こす可能性があります。^[12]

K _{v 1チャネルは}錐体ニューロンの再分極に寄与することがわかっており、これはおそらくK _v 4チャネルの上方制御と関連していると思われる。K _v 2チャネルは再分極率に寄与していないことがわかった。これらのチャネルを遮断してもニューロンの再分極率に変化は見られなかったからである。^[12]

ヒト心房の再分極を媒介するのに役立つ別のタイプの K ^{+チャネルは}SK チャネルで、これはCa ²⁺濃度の上昇によって活性化されるK ⁺チャネルです。「SK チャネル」は、小さな伝導性のカルシウム活性化カリウムチャネルの略で、このチャネルは心臓にあります。SK チャネルは特に心臓の右心房で作用し、ヒトの心室では機能的に重要であることはわかっていません。このチャネルは、再分極中だけでなく、電流が過分極する心房拡張期にもアクティブです。^[14]具体的には、Ca ^{2+ が}カルモジュリン(CaM)に結合すると、CaM の N ローブがチャネルの S4/S5 リンカーと相互作用して構造変化を誘発するため、これらのチャネルがアクティブになります。^[15]これらのK ⁺チャネルが活性化されると、活動電位のピーク時にK ⁺イオンが細胞外に流出し、Ca ²⁺イオンの流入量がK ⁺イオンの細胞外への流出量を上回るため、細胞は再分極します。^[16]

人間の心室では、心電図（ECG ）上でJ波（オズボーン）、ST部分、T波、U波を介して再分極を確認できます。心臓の複雑さ、特に3層の細胞（心内膜、心筋、心外膜）により、再分極に影響を与える生理学的変化が多数あり、これらの波にも影響します。^[17]再分極に影響を与える心臓の構造変化とは別に、同じ効果を持つ医薬品が多数あります。

それに加えて、再分極は初期の活動電位の位置と持続時間によっても変化する。心外膜で刺激された活動電位では、正常な直立したT波を与えるためには活動電位の持続時間が40～60ミリ秒である必要があるのに対し、20～40ミリ秒の持続時間では等電位波を与え、20ミリ秒未満の持続時間では陰性のT波を与えることがわかった。^[18]

早期再分極は、心室細胞の心電図記録で見られる現象で、ST セグメントが上昇しており、J 波としても知られています。J 波は、心内膜と比較して心外膜の外向き電流が大きい場合に顕著になります。^[19]歴史的には、これは心臓リズムの正常な変異であると考えられてきましたが、最近の研究では、心停止のリスク増加に関連していることが示されています。早期再分極は主に男性に発生し、ホルモンのテストステロンによって引き起こされるより大きなカリウム電流に関連しています。また、リスクは不明ですが、アフリカ系アメリカ人は早期再分極をより頻繁に起こす可能性が高いようです。^[20]

前のセクションで述べたように、早期再分極は心電図上の高波として現れることが知られています。最近の研究では、早期再分極と突然心臓死との関連が示されており、早期再分極症候群として特定されています。この状態は、他の構造的心臓欠陥のない心室細動と、心電図で確認できる早期脱分極パターンの両方で見られます。^[21]

早期再分極症候群の主な原因は、イオンチャネルの電気伝導の機能不全に起因しており、遺伝的要因によるものと考えられる。この症候群の機能不全には、ナトリウム、カリウム、カルシウム電流の変動が含まれる。これらの電流の変化により、活動電位の異なる段階を同時に経験している心筋領域が重なり、心室細動や不整脈のリスクにつながる可能性がある。^[22]

早期再分極と診断されても、ほとんどの人はすぐに介入する必要はありません。心電図で早期再分極がみられても、生命を脅かす医療上の緊急事態を示すわけではないからです。^[23]健康な人の3～13%に心電図で早期再分極がみられることが観察されています。^[21]しかし、早期再分極症候群（突然心臓死）を経験した後に早期再分極を呈する患者には、植込み型除細動器（ICD）が強く推奨されます。^[23]さらに、早期再分極症候群があり、年齢が60歳未満の患者は、心房細動を起こしやすい可能性があります。^[21]

閉塞性睡眠時無呼吸症の患者は心臓の再分極障害を経験する可能性があり、この疾患の罹患率と死亡率が大幅に上昇する。特に高地では、患者は再分極障害の影響を受けやすい。これはアセタゾラミドなどの薬剤の使用によりいくらか緩和できるが、これらの薬剤は十分な保護を提供しない。アセタゾラミドや類似の薬剤は、高地の患者の酸素化と睡眠時無呼吸を改善できることが知られているが、この薬剤のメリットは一時的に高地を旅行した場合にのみ観察されており、高地に長期間滞在する人には効果が見られない。^[24]

• 「再分極（アニメーション）」。ハノーバー大学心理学部。 2013年5月18日閲覧。