刺激（生理）

生理学において、刺激^[1]とは、生物の内部または外部の環境の変化である。この変化は、感受性を用いて生物または器官によって検出され、生理学的反応を引き起こす。^[2]感覚受容器は、皮膚にある触覚受容器や目の光受容器のように体外から刺激を受け取ることができるほか、化学受容器や機械受容器のように体内からも刺激を受け取ることができる。感覚受容器によって刺激が検出されると、刺激伝達によって反射を引き起こすことができる。内部刺激は、恒常性制御システムの最初の構成要素となることが多い。外部刺激は、闘争・逃走反応のように、体全体に全身的な反応を引き起こすことができる。刺激が高い確率で検出されるためには、その強度レベルが絶対閾値を超えている必要がある。信号が閾値に達すると、その情報は中枢神経系（CNS）に伝達され、そこで統合されて反応方法が決定される。一般的に、刺激は身体の反応を引き起こしますが、信号が反応を引き起こすかどうかを最終的に決定するのは CNS です。

恒常性の不均衡は、身体の変化の主な原動力です。これらの刺激は、身体のさまざまな部分にある受容体とセンサーによって綿密に監視されています。これらのセンサーは、それぞれ圧力や伸張、化学変化、温度変化に反応する機械受容器、化学受容器、温度受容器です。機械受容器の例には、血圧の変化を検知する圧受容器、持続的な接触や圧力を検知できるメルケル盤、音刺激を検知する有毛細胞などがあります。内部刺激として機能する恒常性の不均衡には、血液中の栄養素やイオンのレベル、酸素レベル、水レベルなどがあります。恒常性の理想からの逸脱は、痛み、渇き、疲労などの恒常的な感情を生み出し、身体を静止状態に戻す行動（禁断症状、飲酒、休息など）を促します。^[3]

血圧、心拍数、心拍出量は、頸動脈にある伸張受容体によって測定されます。神経はこれらの受容体内に埋め込まれており、伸張を感知すると刺激を受けて中枢神経系に活動電位を発します。これらのインパルスは血管の収縮を抑制し、心拍数を減らします。これらの神経が伸張を感知しない場合、体は低血圧を危険な刺激と認識し、信号が送られず、中枢神経系の抑制作用が妨げられます。血管が収縮して心拍数が上昇し、体内の血圧が上昇します。^[4]

感覚、特に痛みは、大きな反応を引き起こし、身体に神経学的変化を引き起こす刺激です。痛みはまた、痛みの強さに比例して身体に行動の変化を引き起こします。感覚は皮膚の感覚受容器によって記録され、中枢神経系に伝わり、そこで統合されてどのように反応するかが決定されます。反応する必要があると判断された場合、信号が筋肉に送り返され、筋肉は刺激に応じて適切に動作します。^{[3]中心後回は、}触覚の主な感覚受容領域である一次体性感覚野の場所です。^[5]

痛みの受容器は、侵害受容器として知られています。侵害受容器には、A線維侵害受容器とC線維侵害受容器の2つの主な種類があります。A線維受容器は髄鞘を持ち、電流を急速に伝導します。主に、速くて鋭いタイプの痛みを伝導するために使用されます。逆に、C線維受容器は髄鞘がなく、ゆっくりと伝達します。これらの受容器は、ゆっくりとした、焼けるような、拡散した痛みを伝導します。^[6]

触覚の絶対閾値とは、触覚受容器からの反応を引き出すために必要な感覚の最小量である。この感覚量には定義可能な値があり、1センチメートルの距離から蜂の羽を人の頬に落とすときに発揮される力とみなされることが多い。この値は、触れられる体の部分によって変化する。^[7]

視覚は、脳が身体の周囲で起こる変化を感知し、それに反応する機会を提供します。光の形で情報、つまり刺激が網膜に入り、光受容細胞と呼ばれる特殊なタイプのニューロンを刺激します。光受容細胞で局所段階電位が始まり、そこで細胞が十分に刺激され、インパルスがニューロンの経路を通って中枢神経系に伝わります。信号が光受容細胞からより大きなニューロンに伝わるにつれて、信号が CNS に到達するのに十分な強度を持つように活動電位が生成される必要があります。 ^{[4]刺激が十分に強い反応を保証しない場合は、}絶対閾値に達しないと言われ、身体は反応しません。ただし、刺激が光受容細胞から離れたニューロンで活動電位を生成するのに十分強い場合、身体は情報を統合し、適切に反応します。視覚情報はCNS の後頭葉、具体的には一次視覚皮質で処理されます。^[4]

視覚の絶対閾値とは、目の光受容体からの反応を引き起こすために必要な感覚の最小量である。この感覚量には定義可能な値があり、暗闇に目が慣れている場合、30マイル離れたところから1本のろうそくを掲げた人から見える光の量とみなされることが多い。^[7]

嗅覚は、吸入を通じて空気中の化学分子を身体が認識することを可能にします。鼻中隔の両側にある嗅器 は、嗅上皮と粘膜固有層で構成されています。嗅上皮には嗅覚受容体細胞が含まれており、篩骨板の下面、垂直板の上部、上鼻甲介を覆っています。吸入された空気中の化合物の約 2 % のみが、吸入された空気の小さなサンプルとして嗅器に運ばれます。嗅覚受容体は上皮表面を越えて伸び、周囲の粘液にある多くの繊毛の基盤となっています。嗅覚物質結合タンパク質はこれらの繊毛と相互作用して受容体を刺激します。嗅覚物質は一般に小さな有機分子です。水と脂への溶解度が高いほど、匂いの強い臭気になります。 Gタンパク質共役受容体に結合した嗅覚物質はアデニル酸シクラーゼを活性化し、ATPをcAMPに変換する。cAMPは次にナトリウムチャネルの開口を促進し、局所電位をもたらす。^[8]

嗅覚の絶対閾値とは、鼻の受容体から反応を引き出すのに必要な感覚の最小量である。この感覚量には定義可能な値があり、6部屋の家に香水1滴を垂らすのに等しいとよく考えられている。この値は嗅ぐ物質によって変化する。^[7]

味覚は、舌を通過して口を通過する食物やその他の物質の風味を記録する。味覚細胞は、舌の表面と、咽頭および喉頭の隣接部分に位置する。味覚細胞は、特殊な上皮細胞である味蕾上に形成され、通常は10日ごとに入れ替わる。各細胞からは、味毛と呼ばれることもある微絨毛が突き出ており、味孔を通って口腔内に侵入する。溶解した化学物質はこれらの受容体細胞と相互作用し、異なる味は特定の受容体に結合する。塩味受容体と酸味受容体は化学的にゲート制御されたイオンチャネルであり、細胞を脱分極させる。甘味、苦味、うま味受容体は、ガストデュシンと呼ばれる特殊なGタンパク質結合受容体である。受容体細胞の両方の区分は、求心性線維に神経伝達物質を放出し、活動電位の発火を引き起こす。^[8]

味覚の絶対閾値とは、口の中の受容体から反応を引き起こすために必要な感覚の最小量である。この感覚量には定義可能な値があり、250ガロンの水に硫酸キニーネ1滴を入れるのが妥当であると考えられている。^[7]

外耳に到達した音によって引き起こされる圧力の変化は、鼓膜で共鳴し、鼓膜は中耳の骨である耳小骨と接合する。これらの小さな骨は、内耳内の螺旋状の骨構造である蝸牛に乱れを伝える際に、これらの圧力変動を増幅する。蝸牛管、具体的にはコルチ器の有毛細胞は、蝸牛腔を通過する流体および膜運動の波として偏向する。蝸牛の中心にある双極性感覚ニューロンは、これらの受容体細胞からの情報をモニターし、脳神経第8蝸牛枝を介して脳幹に伝える。音情報は、中枢神経系の側頭葉、具体的には一次聴覚皮質で処理される。^[8]

音の絶対閾値とは、耳の受容器から反応を引き起こすために必要な感覚の最小量です。この感覚量は定義可能な値であり、20フィート離れた無音の環境で時計が時を刻む音とみなされることが多いです。^[7]

蝸牛に直接つながっている半規管は、聴覚に使用される方法と同様の方法で平衡に関する情報を解釈し、脳に伝えることができます。耳のこれらの部分の有毛細胞は、この管の管の内側を覆うゼラチン状の物質に運動繊毛と不動繊毛を突き出しています。これらの半規管の一部、具体的には黄斑では、炭酸カルシウムの結晶であるスタトコニアがこのゼラチン状の物質の表面に付着しています。頭を傾けたり、体が直線加速したりすると、これらの結晶が動いて有毛細胞の繊毛を乱し、その結果、周囲の感覚神経に取り込まれる神経伝達物質の放出に影響を及ぼします。半規管の他の部分、具体的には膨大部では、黄斑のゼラチン状の物質に類似したクプラと呼ばれる構造が、周囲の流体媒体によってクプラ自体が動くと、同様に有毛細胞を歪ませます。膨大部は頭部の水平回転に関する情報を脳に伝達する。隣接する前庭神経節のニューロンはこれらの管内の有毛細胞を監視する。これらの感覚線維は脳神経VIIIの前庭枝を形成する。^[8]

一般的に、刺激に対する細胞反応は、運動、分泌、酵素生成、または遺伝子発現の観点から見た細胞の状態または活動の変化として定義されます。^[9]細胞表面の受容体は、刺激を監視し、環境の変化に反応して、信号を制御センターに中継し、さらに処理して応答する感知コンポーネントです。刺激は常に、変換によって電気信号に変換されます。この電気信号、つまり受容体電位は、神経系を通る特定の経路を経て、体系的な反応を開始します。各タイプの受容体は、適切な刺激と呼ばれる1種類の刺激エネルギーのみに優先的に反応するように特化されています。感覚受容体は、反応する刺激の範囲が明確に定義されており、それぞれが生物の特定のニーズに合わせて調整されています。刺激は、刺激の性質に応じて、機械的変換または化学変換によって体全体に中継されます。^[4]

機械的刺激に対する細胞の力のセンサーとしては、細胞外マトリックス分子、細胞骨格、膜貫通タンパク質、膜-リン脂質界面のタンパク質、核マトリックスの要素、クロマチン、脂質二重層などが提案されています。反応は2つに分かれます。例えば、細胞外マトリックスは機械的力の導体ですが、その構造と組成は、同じ印加力または内因的に発生する力に対する細胞反応によっても影響を受けます。^[10]機械感受性イオンチャネルは多くの細胞タイプに見られ、これらのチャネルの陽イオンに対する透過性は、伸張受容体と機械的刺激によって影響を受けることが示されています。^[11]このイオンチャネルの透過性が、機械的刺激を電気信号に変換する基礎となります。

嗅覚物質などの化学刺激は、化学伝達を担うイオンチャネルと結合していることが多い細胞受容体によって受信されます。嗅覚細胞がその一例です。^[12]これらの細胞における脱分極は、嗅覚物質が特定の受容体に結合すると、非選択的陽イオンチャネルが開くことによって生じます。これらの細胞の細胞膜にあるGタンパク質結合受容体は、陽イオンチャネルを開くセカンドメッセンジャー経路を開始することができます。

刺激に反応して、感覚受容体は、同じ細胞または隣接する細胞に段階的電位または活動電位を作成することによって感覚伝達を開始します。刺激に対する感受性は、酵素カスケードが多数の中間生成物を生成し、1つの受容体分子の効果を増大させるセカンドメッセンジャー経路を介した化学増幅によって得られます。^[4]

受容体と刺激は多様であるが、ほとんどの外的刺激は、まず特定の感覚器官または組織に関連するニューロンに局所的な段階的電位を生成する。 ^[8]神経系では、内部刺激と外部刺激が2つの異なるカテゴリーの反応を引き起こす可能性がある。通常、活動電位の形で現れる興奮性反応と、抑制性反応である。^[13]ニューロンが興奮性インパルスによって刺激されると、ニューロンの樹状突起は神経伝達物質に結合し、その結果、細胞は特定の種類のイオンに対して透過性になる。神経伝達物質の種類によって、どのイオンに対して神経伝達物質が透過性になるかが決まる。興奮性シナプス後電位では、興奮性反応が発生する。これは、通常グルタミン酸などの興奮性神経伝達物質がニューロンの樹状突起に結合し、結合部位近くにあるチャネルを通じてナトリウムイオンの流入を引き起こすことによって引き起こされる。

樹状突起における膜透過性のこの変化は局所勾配電位と呼ばれ、膜電圧を負の静止電位からより正の電圧に変化させます。このプロセスは脱分極と呼ばれます。ナトリウム チャネルが開くと近くのナトリウム チャネルが開き、透過性の変化が樹状突起から細胞体に広がります。勾配電位が十分に強い場合、または複数の勾配電位が十分に速い周波数で発生する場合、脱分極は細胞体全体に軸索丘に広がります。軸索丘から活動電位が生成され、ニューロンの軸索に沿って伝播し、インパルスが伝わるにつれて軸索内のナトリウム イオン チャネルが開きます。信号が軸索に沿って伝わり始めると、膜電位はすでに閾値を超えているため、信号を止めることはできません。この現象は全か無かの応答として知られています。膜電位の変化によって開いたナトリウムチャネルのグループは、信号が軸索丘から遠ざかるにつれて信号を増強し、軸索の長さに沿って移動できるようにします。脱分極が軸索の端、つまり軸索末端に達すると、ニューロンの端はカルシウムイオンに対して透過性になり、カルシウムイオンチャネルを介して細胞内に入ります。カルシウムはシナプス小胞に蓄えられた神経伝達物質の放出を引き起こし、シナプス前ニューロンとシナプス後ニューロンと呼ばれる2つのニューロン間のシナプスに入ります。シナプス前ニューロンからの信号が興奮性の場合、興奮性神経伝達物質の放出を引き起こし、シナプス後ニューロンで同様の反応を引き起こします。^[4]これらのニューロンは、広範で複雑な樹状突起ネットワークを介して、何千もの他の受容体や標的細胞と通信する可能性があります。このように受容体間で通信することで、外部刺激の識別とより明確な解釈が可能になります。事実上、これらの局所的な段階的電位は活動電位を引き起こし、その頻度は神経軸索に沿って伝達され、最終的に脳の特定の皮質に到達します。脳のこれらの高度に特殊化された部分では、これらの信号が他の信号と調整され、新しい反応を引き起こす可能性があります。^[8]

シナプス前ニューロンからの信号が抑制性の場合、抑制性神経伝達物質、通常はGABA がシナプスに放出されます。^[4]この神経伝達物質は、シナプス後ニューロンに抑制性シナプス後電位を引き起こします。この反応により、シナプス後ニューロンは塩化物イオンに対して透過性になり、細胞の膜電位は負になります。負の膜電位は、細胞が活動電位を発火することをより困難にし、ニューロンを介して信号が伝達されるのを防ぎます。刺激の種類に応じて、ニューロンは興奮性または抑制性のいずれかになります。^[14]

末梢神経系の神経は、筋線維を含む体のさまざまな部分に広がっています。筋線維とそれが結合している運動ニューロンです。 ^[15]運動ニューロンが筋線維に付着する箇所は、神経筋接合部として知られています。筋肉が内部または外部刺激から情報を受け取ると、筋線維はそれぞれの運動ニューロンによって刺激されます。インパルスは中枢神経系からニューロンを下って運動ニューロンに到達し、運動ニューロンは神経伝達物質アセチルコリン(ACh) を神経筋接合部に放出します。ACh は筋細胞の表面にあるニコチン性アセチルコリン受容体に結合してイオンチャネルを開き、ナトリウムイオンが細胞内に流入し、カリウムイオンが流出します。このイオンの動きにより脱分極が起こり、細胞内でカルシウムイオンが放出されます。カルシウムイオンは筋細胞内のタンパク質に結合して筋肉の収縮を可能にします。これは刺激の最終的な結果です。^[4]

内分泌系は多くの内部および外部刺激に大きく影響されます。ホルモン放出を引き起こす内部刺激の 1 つは血圧です。低血圧は、腎臓に水分を保持するホルモンであるバソプレシンの放出の大きな原動力です。このプロセスは、個人の喉の渇きも増加させます。体液保持または水分摂取によって個人の血圧が正常に戻ると、バソプレシンの放出が遅くなり、腎臓に保持される水分が少なくなります。血液量減少、つまり体内の水分レベルの低下も、この反応を引き起こす刺激として作用します。^[16]

エピネフリンはアドレナリンとしても知られ、内部および外部の変化に対応するために一般的に使用されています。このホルモンが放出される一般的な原因の1つは、闘争・逃走反応です。体が潜在的に危険な外部刺激に遭遇すると、副腎からエピネフリンが放出されます。エピネフリンは、血管の収縮、瞳孔の拡張、心拍数と呼吸数の増加、グルコースの代謝など、体内の生理学的変化を引き起こします。単一の刺激に対するこれらすべての反応は、留まって戦うか、逃げて危険を回避するかの決定にかかわらず、個人を保護するのに役立ちます。^{[17] [18]}

消化器系は、食べ物の見た目や匂いなどの外部刺激に反応し、食べ物が体内に入る前に生理学的変化を引き起こすことができます。この反射は、消化の頭部段階として知られています。食べ物の見た目と匂いは、入ってくる栄養素に備えて唾液分泌、胃と膵臓の酵素分泌、内分泌分泌を引き起こすのに十分な刺激です。食べ物が胃に到達する前に消化プロセスを開始することで、体はより効果的かつ効率的に食べ物を必要な栄養素に代謝することができます。^[19]食べ物が口に入ると、口内の受容体からの味覚と情報が消化反応に加わります。噛んだり飲み込んだりすることで活性化される化学受容器と機械受容器は、胃と腸での酵素放出をさらに増加させます。^[20]

消化器系は内部刺激にも反応します。消化管、または腸神経系だけでも、何百万ものニューロンが含まれています。これらのニューロンは、消化管内の小腸に入る食物などの変化を感知できる感覚受容器として機能します。これらの感覚受容器が感知したものに応じて、膵臓と肝臓から特定の酵素と消化液が分泌され、食物の代謝と分解を助けます。^[4]

細胞膜を横切る電位の細胞内測定は、微小電極記録によって得ることができる。パッチクランプ技術は、電位を記録しながら細胞内または細胞外のイオンまたは脂質濃度を操作することを可能にする。このようにして、閾値と伝播に対するさまざまな条件の影響を評価することができる。^[4]

陽電子放出断層撮影（PET）と磁気共鳴画像（MRI）は、被験者がさまざまな刺激にさらされている間に、脳の活性化領域を非侵襲的に視覚化することを可能にします。活動は、脳の特定の領域への血流に関連して監視されます。^[4]

後肢の引っ込め時間も別の方法です。Sorin Baracらは、Journal of Reconstructive Microsurgeryに最近発表した論文で、急性の外部熱刺激を誘発し、後肢の引っ込め時間（HLWT）を測定することで、試験用ラットの痛み刺激に対する反応を監視しました。^[21]

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