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2015年12月10日

脳と脊髄は身体の司令塔|動作のしくみから理解する(6)

ナースのための解剖生理の解説書『身体のしくみとはたらき―楽しく学ぶ解剖生理』より
今回は、動作のしくみから解剖生理を理解するお話の6回目です。

〈前回の内容〉

嗅覚と味覚・皮膚感覚のしくみ|動作のしくみから理解する(5)

前回は、感覚器が外部から刺激を受け取った感覚のうち、嗅覚と味覚・皮膚感覚のしくみについて学びました。

今回は、末端の神経を伝わり送られてきたさまざまな情報を分析し、筋肉に指令を出す脳と脊髄のしくみについて解説します。

 

〈目次〉

 

1,000億個の細胞からできている脳

ここまで、それぞれの感覚器から末端の神経を伝って、さまざまな情報が脳へと送られるしくみをみてきました。この節では、感覚器から送られた情報を分析し、筋肉にさまざまな指令を出す脳の構造とはたらきについてみていきましょう。

脳というと、すぐに、ピンクがかかった灰白色でシワだらけのその外観が思い浮かぶかもしれません。成人の脳の重さは1,300〜1,400g。上から眺めると、真ん中を走る大脳縦列を境に、右脳と左脳の2つの塊に分かれているのが確認できます。

身体のほかの部分同様、脳も細胞でできているのですが、実はこの事実が認められたのはほんの100年ほど前のことです。かつては、脳は身体の中でも最も神聖ないわば聖域で、科学のメスを入れることさえタブーとする風潮があったからです。

イタリアの解剖学者ゴルジとスペインの組織学者カハールの2人は、脳の構造を調べ、それが神経細胞でできていることを発見し、1906年にノーベル賞を受賞しました。以来、脳と神経の研究は進み、現在では、ヒトの脳には約1,000億個もの神経細胞があることがわかっています。

 

memoゴルジ体の発見

細胞と組織の研究に専念していたゴルジは、1896年、フクロウの脳を研究中に、神経細胞の細胞質に細胞内構造物「ゴルジ体」を発見しました。これは多くの組織学者をひきつけ、彼はその後、様々なゴルジ細胞があることを明らかにしていきます。

 

脳の神経細胞の直径はわずか10〜50μmで、これは髪の毛の太さの2分の1から10分の1の大きさです。ふざけて「脳のシワが少ないから頭が悪い」と言ったりしますが、実際には、脳のシワや細胞の数はほとんど個人差がありません。

また、脳細胞は一般にほかの細胞と違って増えることはなく、だいたい1日に数万個のスピードで減っていくといわれます。「そんなに多くの細胞が次々に死んでしまって大丈夫なのか」と心配になりますが、ヒトはふだん、1,000億個ある脳神経細胞のうち、そのわずか数%しか使っていません。ですから、1日数万個単位で脳細胞が死んでいったとしても生命活動に影響はないのです。むしろ、無駄な神経にエネルギーを消費しないよう、使われない細胞はどんどん死んでゆくのだともいわれています。

脳には神経細胞(ニューロン)以外に重要な細胞、神経膠細胞(グリア細胞)が存在し、細胞の型によりさまざまなはたらきをしています(図1)。

図1神経細胞と神経膠細胞

神経細胞と神経膠細胞

 

脳における神経膠細胞の数は、神経細胞の10〜50倍と見積もられ、記憶や学習という脳の高次機能を支えているのではないか、と考えられています。

ニューロンが緻密な脳のネットワークをつくり、記憶や学習といった脳の中心的な役割を果たしているのに対して、グリア細胞はこれを補佐する脇役と考えられていました。グリア細胞はニューロンに栄養を供給したり、軸索を絶縁して電気信号の伝導を助けたりするだけで、積極的に脳機能に影響を与えることは考えていませんでした。しかし、最近の研究から、神経伝達物質の受容体をもち、神経細胞と似たようなはたらきをしていることやアルツハイマー病など脳の疾患にも関連していることがわかってきました。

 

脳の構造

脳は神経系の中でも最も大きくて、複雑な組織です。通常、その機能に応じて大きく、大脳半球・間脳・脳幹・小脳の4つに分けて説明されます(図2)。

図2脳の構造

脳の構造

 

大脳半球

4つの中で最も広い大脳半球は、脳の最も上のほうにあり、ちょうどほかの脳の部分を上から覆うマッシュルームの傘といった感じです。

表面の灰白色の部分は大脳皮質と呼ばれ、回と呼ばれる盛り上がった部分と、列と呼ばれる溝が入り組んでいるため、その分表面積も広く、神経細胞も数多く分布しています。皮質は機能的に、新皮質と大脳辺縁系に分類され、前者は人間でよく発達し、後者は動物的な本能をつかさどる部位になっています。

大脳皮質は、それぞれを覆う頭蓋骨の名称に従って、前頭葉・頭頂葉・側頭葉・後頭葉に区分されます(図3)。

図3大脳皮質

大脳皮質

 

葉の中で思考や運動、感覚に関係する決まったはたらきをする場所を野と呼んでいます。おおむね、前方が運動や思考、創造力に関係する出力系で、後方が種々の情報を受け取る入力系になっています。

 

memo脳の部位をその役割

脳幹:呼吸中枢など、生きていくために必要な機能をつかさどる

大脳辺縁系:大脳の中の古い部分から発生し、たくましく生きていくために必要な機能をつかさどる。下等動物ほど広範囲

大脳新皮質:高度な意識や言語活動をつかさどり、うまく、よりよく生きていくために必要な機能をつかさどる。高等動物ほど広範囲

 

感覚受容器から伝えられた「痛い」「冷たい」「触った」などの体性感覚が認識されるのは、頭頂葉にある体性感覚野と呼ばれるエリアです。右の感覚は左脳、左の感覚は右脳が対応し、舌や指など敏感な感覚に対応する部分は広くなっています。また、下肢の感覚は上のほう、顔面の感覚は下のほうで認識されます。

視覚を担当するのは、後頭葉の後方です。聴覚は外側溝という溝に面した側頭葉の上方で、嗅覚は側頭葉内部で認識されます。外側溝は、この研究に功労のあったフランス人解剖学者の名前をとってシルビウス溝とも呼ばれます。

 

COLUMNペンフィールドの図

脳のどこがからだのどの部位とつながっているかを表した図があります。これを発見したのはカナダ人の外科医ペンフィールドでした(図4)。

図4ペンフィールドの図

ペンフィールドの図

 

当時、てんかんの治療は薬ではなく、外科的手術によって行われていました。てんかんは脳の一部の細胞が異常に活動してしまうために生じる病気なので、その異常な細胞を手術によって取り除くという方法です。

ペンフィールドは、てんかんの原因になっている神経細胞を探すため、脳を電気刺激しました。患者に麻酔をかけず、鎮静剤だけを投与し、露出した脳に電極を刺して、脳のどこを刺激すると患者のからだのどの部分が反応するかを調べたのです。

現在、てんかんの治療には薬剤が用いられ、このような荒っぽい外科手術を行うことはなくなりました。50年前に実施したペンフィールドの研究成果は、私たちが「脳」という小宇宙を知る大きな一歩となったのです。

 

意識的に骨格筋を動かすような運動をつかさどるのは、ちょうど真ん中あたりにある一次運動野です。顔面や口、手などの細かい動きをつかさどるのもこのエリアです。体性感覚野と同じように、下肢は上のほう、顔面は下のほうという区分けができています。

私たちが言葉を「話しながら聴く」ということができないように、脳の中でも「聴く」部分と「話す」部分は分かれています。言葉を話す運動性言語中枢(ブローカ野)は左右どちらか一方(左のことが多い)の前頭葉下方、側頭葉との接触部分あたりにあります。これに対し、ことばを聴く聴覚性言語野や、本を読む時などにはたらく視覚性言語野は頭頂葉にあります。

また、前頭葉内にある前頭葉連合野では高次な思考や推論、側頭葉と前頭葉は記憶にもかかわっているといわれます。このように、言語を感覚として理解するための中枢をウェルニッケ野と呼びます。

 

memo睡眠

睡眠は、脳波の研究によって詳しく解明された分野です。身体は休息しているが大脳はまだ覚醒状態にある睡眠をレム睡眠、身体も大脳も深い眠りにある状態をノンレム睡眠と呼びます。通常、この2つの睡眠は90分をサイクルにして繰り返され、明け方にはレム睡眠が増加します。乳幼児ほど比率が高いレム睡眠は脳の成熟に、ノンレム睡眠は大脳の機能保持のうえで重要といわれています。

 

大脳半球の深部の組織は、白質と呼ばれる神経線維の束で構成されています。ここには脳梁といい、左右の大脳半球を結び、それぞれの情報連絡に重要な役割を果たしている部分もあります。

大脳半球の深部のほとんどは白質ですが、この中に灰白質が「離れ島」のように埋め込まれています。これを大脳基底核といい、随意運動の調節をしています。ですから、ここが障害されると歩行やスムーズな運動が困難になり、特有の不随意運動が起こるようになります。このような障害の例としてハンチントン舞踏病やパーキンソン病があります。

 

memo灰白質と白質

中枢神経で細胞体が集まっている部分は灰色が買って見えるので灰白質、神経線維が集中している部分は白っぽくみえるので白質と呼びます。

 

間脳

間脳は大脳半球の傘のちょうど下に隠れた部分を指します。その構造は主に視床と視床下部に分かれます(図5)。

図5間脳の視床・視床下部

間脳の視床・視床下部

 

視床は、感覚系の神経経路の中継所です。嗅覚を除くすべての神経線維がここを通って大脳皮質の各中枢に向かいます。視床は届いた感覚情報の「快」「不快」を認識することはできますが、細かい認識は大脳皮質の感覚野で行います。

食欲・性欲・疼痛・口渇などの中枢は、視床下部にあります。後章で説明する体温や体液のバランス、代謝など自律神経系のコントロールに関係しているのもこの部分で自律神経の最高中枢ともいわれます。

視床下部には、小指の頭ほどの大きさで、細い茎でぶら下がっている下垂体があります。ここからは成長ホルモンなど6種類のホルモンが分泌されています。下垂体の後ろには左右一対の突起があり、これを乳頭体と呼んでいます。乳頭体は嗅覚の反射に関係しています。

 

memo視床後部

間脳に属するものとして内側および外側膝状態があります。これらはおのおの、視覚路と聴覚路の重要な中継所であり、一括して視床後部とも呼ばれます。

 

脳幹

脳幹は間脳を支える幹のような形をしています。成人では、直径がちょうど母指ぐらいで長さは7.5cmほどの大きさです。脊髄と大脳との間を走る神経線維の通り道で、多数の神経核を含んでいます。

脳幹は上から中脳・橋・延髄の3つに分けられます(図6)。

図6脳幹

脳幹

 

中脳は、視覚反射や眼球運動に関する反射の中枢です。音の刺激に対して反射的に眼球や身体を動かしたりする動きに関係するのが、この部分です。

延髄は、脳幹の一番下に位置し、脊髄との境界はあいまいです。そのほとんどは神経線維の束からできており、生命の維持に不可欠な呼吸・心拍・血圧・嚥下・嘔吐などの中枢があります。

橋とは、中脳と延髄を結ぶ丸く突き出た部分を指します。橋を含む脳幹全体には網様体と呼ばれる灰白質があり、意識や覚醒・睡眠のサイクルなどに関与しているといわれます。

 

小脳

後頭葉の下にくっついたカリフラワーのような外観をしているのが小脳です(図2)。

小脳は、運動にあたっての筋力の微妙な調整や筋緊張の制御、筋力のバランスをとるようにはたらいているため、ネズミや鳥類など動きが速く、すばしこい動物ほど発達しています。

構造は、大脳と同じように左右の半球があり、表面は小脳皮質と呼ばれる灰白質で覆われています。内耳の平衡覚器や眼、骨格筋・腱などからの神経線維はこの小脳に集まり、大脳の「意思」どおりに動作が行われているかを常にモニターし、必要があれば、運動を調節する指示も出します。

多くの人が小さい時に何度も転びながら自転車の乗り方を練習した経験があると思います。長く乗らない時期があっても乗れるのは小脳が運動を記憶しているからです。

小脳が障害されると筋の緊張が保てず、動作がぎこちなくなってしまいます。

 

memo小脳の障害

意図振戦:安静時には生じないが、動作を始めようとすると震えが起こったり、動きが終わる直前にひどくなる。企図振戦ともよぶ。

静止振戦:姿勢を保とうとするときに起る震え。

推尺異常:目を閉じたまま示指で鼻先を触れるような予測的な運動ができなくなる。

運動解離:反復運動や複雑で細かな運動ができなくなる。

 

脊髄

脳と並んで中枢神経の一端を担うのが脊髄です。脊髄は、脳幹から続き、腰の下あたりまで約42cmの長く白い円柱状の器官です(図7)。

図7神経系概観

神経系概観

 

末端の感覚器から伝えられた情報は脊髄を通って脳へ行き、脳からの指令もまた脊髄を通って末端へと伝えられます。したがって、脊髄には、脳への神経線維束と脳からの神経線維束、そして脳まで至らない脊髄反射の中枢があります。

脊髄の断面をみると、外側が神経線維の集まった白質で、中の髄質は細胞体が集まった灰白質になっています。灰白質はちょうど、ローマ字のHに似た形に広がっています。灰白質の背側の突出した2カ所を後角、腹側の突出を前角と呼んでいます。

脊髄の白質は、後索・側索・前索の3つに区分され、それぞれ違う情報を特定の部位に伝えるための神経線維束が通っています。

 

memo脊髄損傷

脊柱の骨折、脱臼などの外傷は、脊髄に重篤な機能障害を残すことがあります。外傷を受けた直後に随意運動が残っていて、知覚障害の程度が軽ければ、リハビリなどによりある程度の回復が見込めます。

 

〈次回〉

神経のしくみと機能|動作のしくみから理解する(7)


本記事は株式会社サイオ出版の提供により掲載しています。

[出典]『身体のしくみとはたらき―楽しく学ぶ解剖生理』(編著)増田敦子/2015年3月刊行

引用・参考文献 

著作権について

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