「閾値」の版間の差分

[[ファイル:閾値_図1.jpg|thumb|250xpx|図１：閾値の概念図<br>　ある入力値を境にして出力が変化するとき、その値を閾値と呼ぶ。この場合、入力＝５が閾値。]]

　閾値は、ある現象を引き起こすのに必要な入力や刺激の大きさを表す値である（図１）。[[wikipedia:JA:非線形|非線形]]な応答を示す現象については、多くの場合で閾値を定義できるため、[[wikipedia:JA:生物学|生物学]]・[[wikipedia:JA:化学|化学]]・[[wikipedia:JA:物理学|物理学]]の分野で広く使われる概念である。

神経科学の分野においては、[[活動電位]]の発生に必要な刺激強度、動物に特定の応答を引き起こす感覚刺激の強度についての閾値が知られている。その他に、[[シナプス可塑性]]誘導に必要な電気刺激の強度、細胞内[[Ca²⁺]]濃度上昇の大きさなどについても、閾値という言葉が用いられる。閾値の一般的な意味から、特定の値を境にして現象が起こるか否かが決まると思われがちであるが、生命現象で観察される閾値は状況によって変化することが多い。

[[ファイル:閾値_図2.jpg|thumb|250xpx|図２：活動電位の閾値<br>　閾値を越える脱分極が生じたときのみ、活動電位（赤）が発生する。]]

　[[神経細胞]]を[[脱分極]]させる刺激（シナプス入力または電気刺激）が入力すると、開状態になる[[ナトリウムチャネル|電位依存性Na⁺チャネル]]の数が増加する。そして、細胞内へのNa⁺流入がさらなる脱分極を引き起こし、それがさらに多くのNa⁺チャネルを開状態にする。この[[wikipedia:JA:ポジティブフィードバック|ポジティブフィードバック]]によって、活動電位が全か無かの法則に従って発生する。つまり、電位依存性Na⁺チャネルのポジティブフィードバックを駆動するのに必要な脱分極の大きさが、活動電位発生の際に観察される閾値（[[閾膜電位]]）である（図２）。より厳密には、脱分極を引き起こすNa⁺流入と、[[過分極]]を引き起こすK⁺流出およびCl^-流入とがつり合う電位が、閾膜電位である。そして、その均衡がNa⁺流入に傾くと活動電位が発生する<ref>''' Dale Purves, George J. Augustine, David Fitzpatrick, William C. Hall, Anthony-Samuel LaMantia, James O. McNamara, and Leonard E. White'''<br> Neuroscience, Fourth Edition, Chapter 3<br> ''SINAUER'' : 2008</ref>。

　活動電位発生と電位依存性Na⁺チャネルが引き起こすポジティブフィードバックとの関連性から、活動電位発生の閾値＝電位依存性Na⁺チャネルが開く閾値と誤解されることがある。しかし、電位依存性Na⁺チャネルが開くこと自体には閾値はなく、[[膜電位]]に応じて開状態をとる確率が変化するだけである<ref>'''Bertil Hille'''<br>Ion Channels of Excitable Membranes, Third Edition, Chapter 3 and 19<br>''SINAUER'' : 2001</ref>。そして、不活性化状態にある電位依存性Na⁺チャネルの割合や、Na⁺電流に拮抗する電流の大きさに応じて、ポジティブフィードバックの駆動に必要な脱分極の大きさまたはそれを引き起こす刺激の強さが変化する。例えば、活動電位発生直後の相対不応期には不活性化状態のNa⁺チャネルが多く、またNa⁺の細胞内流入に拮抗するK⁺の流出が増加しているために、閾値が大きくなる<ref>'''本郷利憲、廣重力、豊田順一'''<br>標準生理学、第７版、第２章<br>''医学書院'' : 2009</ref>。

　神経細胞は[[樹状突起]]（dendrite）で受ける興奮性シナプス入力と、[[抑制性シナプス]]入力を[[細胞体]]で統合し、活動電位という出力へと変換すると考えられてきた。しかし近年、[[大脳皮質]]5層[[錐体細胞]]および[[海馬]][[CA1]]錐体細胞で、[[樹状突起]]の比較的近い部位の[[興奮性シナプス]]が一定数以上同時に活性化すると、各々による脱分極の[[線形和]]を越えた脱分極が起こり、それが細胞体に伝わることが報告された<ref><pubmed> 10749211 </pubmed></ref>。シナプス入力を[[樹状突起]]で統合して細胞体へ伝えるこの現象は[[dendritic spike]]と呼ばれ、細胞レベルでの情報処理に重要な役割を果たすと考えられている。活動電位と同様に、非線形な脱分極を引き起こすのに必要な脱分極の大きさが閾値と呼ばれている。

[[ファイル:閾値_図3.jpg|thumb|250xpx|図３：シナプス可塑性の閾値<br>　500 msの脱分極パルスを0分に与えると、その後GABAに対する電流応答（上段）の増大が持続する（下段、赤）。一方、100 ms以下の脱分極パルスでは電流応答の増大が起こらない。（Kitagawa et al., 2009より転載。）]]

　[[シナプス可塑性]]は、[[シナプス]]の活動状況等により情報伝達効率が変化する現象で、[[学習]]・[[記憶]]の基盤と考えられている。[[シナプス可塑性]]を誘導するような刺激の頻度や強度、あるいはそのような刺激が引き起こす細胞内Ca²⁺濃度上昇の大きさが、[[シナプス可塑性]]誘導の閾値である。閾値以上の刺激は、[[細胞内情報伝達系]]の[[フィードバック]]反応を誘導して安定状態を変化させたり、[[シナプス後肥厚]]に存在する[[受容体]]や[[足場蛋白質]]の変化を促し、[[シナプス]]の機能変化を安定化・長期化する（図３）。<br>

　[[シナプス可塑性]]誘導に関わるポジティブフィードバック反応として、[[カルシウムカルモジュリン依存性蛋白質キナーゼ|Ca²⁺/CaM依存性プロテインキナーゼII]]（CaMKII）の自己[[リン酸化]]反応や、[[プロテインキナーゼＣ]]（PKC）－[[分裂促進因子活性化蛋白質キナーゼ|MAPキナーゼ]]（MAPK）経路に見られるような多数の酵素反応を介したポジティブフィードバック反応が知られている。これらのポジティブフィードバック反応は、多数の酵素反応を含むシグナル伝達系により制御されるため、その閾値がどのように調節されるのかを直観的に理解することが難しい。この問題を克服する手段として、コンピュータモデルによるシミュレーションが用いられ、細胞生物学実験による実証を経て、[[シナプス可塑性]]の閾値制御メカニズムについての理解が進んでいる<ref><pubmed> 17553426 </pubmed></ref><ref><pubmed> 19536203 </pubmed></ref>。<br>

　[[シナプス可塑性]]誘導の閾値は、様々な状況に応じて変化する。例えば、[[シナプス]]の活動履歴や、近隣の[[シナプス]]での可塑性により閾値が上下することが分かっている<ref><pubmed> 1346729 </pubmed></ref><ref><pubmed> 18097401</pubmed></ref>。このような[[シナプス可塑性]]誘導の閾値変化は、学習しやすさと関係し、また神経回路形成過程にもかかわると考えられている。