はんきかん｜semicircular canals｜解剖・組織
後ろから呼ばれて振り向くと、耳の奥でも小さな変化が起きています。頭が回るのに伴って液体がわずかにずれ、感覚細胞を刺激します。頭の回転を捉える器官が半規管です。左右の内耳に三つずつあり、回転の方向や速さ、その変化に応じた信号を脳へ送ります。半規管は、頭の動きや傾きを捉える前庭器官の一部で、目の動きや姿勢の調節にも関わっています。
耳の奥にある三つの輪
半規管は、頭蓋骨の側頭骨という部分に収まっています。音を聞く働きを担う、渦巻き状の蝸牛（かぎゅう）の近くにあり、前半規管、後半規管、外側半規管の三つからなります。前半規管は上半規管、外側半規管は水平半規管とも呼ばれます。「三半規管」という名前は、この三つをまとめた呼び方です。
骨の中の通路に沿って、薄い膜でできた管が走っています。膜の管の内側を満たす液体が内リンパ、膜の外側と骨の壁との間を満たす液体が外リンパです。
感覚を受け取る細胞は、各管の一端にある「膨大部」というふくらみに集まっています。そこにある小さな隆起を膨大部稜（ぼうだいぶりょう）と呼び、感覚細胞である有毛細胞が並びます。
立体的な配置が回転方向を捉える
三つの半規管は、互いにおおよそ直角になるように配置されています。外側半規管は主に顔を左右へ向ける回転に応じ、前半規管と後半規管は、うなずいたり頭を横へ傾けたりする回転に関わります。おじぎをする動きと、耳を肩に近づける動きでは、頭を回す軸が違います。異なる面に沿って走る三つの管が、それぞれの向きに応じて反応します。
実際の管は、頭の前後・左右・上下を基準にした面に対して斜めに配置されています。斜め後ろを振り向く動作にも複数の管が参加し、その組み合わせが脳へ届きます。側頭骨の検査を受けた22人について、CT画像から左右の半規管の骨の通路を立体的に調べた研究では、三つの管がなす角度の平均は約90〜94度でした。管の向きには個人差もありました。
左右の耳にも対応関係があります。左右の外側半規管が一組、左の前半規管と右の後半規管が一組、右の前半規管と左の後半規管が一組として働きます。それぞれの組はほぼ同じ面を向き、同じ回転を左右で捉えます。
液体のわずかなずれが信号に変わる
有毛細胞の表面からは、細い毛の束が突き出ています。この毛の束が埋まっているゼリー状の構造がクプラです。クプラは膨大部の内側を横切るように広がり、周囲の壁につながっています。
頭が回り始めると、管は頭と一緒に動きます。内リンパは慣性によってそれまでの動きの状態を保とうとするため、管に対してわずかなずれが生じます。その力でクプラが変形し、埋まっている毛の束が倒れます。毛の束が倒れる方向に応じて、細胞膜にあるイオンの通り道が開いたり閉じたりします。イオンは電気を帯びた粒子で、その出入りによって細胞の内外の電圧差が変わります。それに伴い、有毛細胞から神経へ信号を伝える物質の放出が変わり、神経が信号を送る頻度も変化します。
毛の束の一端には、動毛と呼ぶ長い一本の毛があります。束が動毛の側へ倒れると神経の活動を増やす方向に、反対へ倒れると活動を減らす方向に働きます。一つの膨大部稜の中では有毛細胞の向きがそろっているため、クプラが変形すると各細胞の反応も同じ方向へ変わります。
魚類のトードフィッシュを使った研究では、半規管の膜の管を外から小さく押し、頭の回転に相当する刺激を与えました。クプラに付けた蛍光の微粒子の動きと、感覚神経の活動を同時に記録して、クプラの変形に伴う信号の変化を調べています。押した状態を保つとクプラはゆっくり戻り、神経の反応はそれより早く弱まる傾向がありました。
参考記事→機械受容器
左右の活動の増減で方向を伝える
半規管につながる感覚神経は、頭を動かしていないときにも活動を続けています。回転すると、信号を送る頻度がこの基準より増える神経と減る神経が生じます。
例えば、頭を右へ回し始めると、右の外側半規管からの活動が増え、左からの活動が減ります。左へ回し始めると、関係が逆になります。両耳から届くこの組み合わせが、回転方向を知る手がかりになります。
「右へ30度」という最終的な向きが同じでも、ゆっくり振り向く場合と素早く振り向く場合では、途中の回転の速さやその変わり方が違います。半規管の反応にも、その動きの経過が表れます。
回り始め、回り続けるとき、止まるとき
頭の回転の速さを角速度といい、例えば1秒間に何度回るかで表します。角速度が時間とともにどれだけ変わるかが角加速度です。回り始めや減速時には角加速度が生じ、内リンパの慣性によってクプラに力が加わります。
内リンパの粘りや、クプラが元の形へ戻ろうとする性質が関わるため、日常的な頭の動きの範囲では、クプラの変形は回転の速さをよく反映します。速さがほぼ一定になった直後にも変形は残り、感覚神経の活動が変わった状態がしばらく続きます。感覚神経の中には、回転の速さの変わり方に強く応じるものもあります。
同じ方向へ同じ速さで長く回転し続けると、クプラは次第に元の位置へ戻り、神経の活動も静止時の基準に近づきます。そこから比較的急に回転を止めると、内リンパは回転を続けようとするため、クプラは回り始めと反対向きに変形します。止まった後に逆向きに回っているように感じることには、この反応が関係しています。
健康な成人12人が目隠しをして回転台に立った実験では、毎秒20度の一定速で2分間回し、回転の方向と感じる速さを口頭で答えてもらいました。回転中の感覚は弱まり、16秒かけて減速し、停止した後には逆向きの回転感覚が報告されました。脳内で信号を持続させる処理も、回転感覚が続く時間に関わっています。
顔を動かしながら周囲を見る
道路の向こうにある看板を見たまま身体の向きを少し変えても、その文字を視線で捉え続けられます。半規管の情報は前庭神経を通って脳幹へ届き、眼球を動かす回路に伝わります。見る対象が空間内で止まっているときには、頭の回転とは反対方向に、頭に対して眼球を動かし、視線を安定させます。これが前庭動眼反射の働きの一つです。
また、脳幹や小脳を介して、首や体幹、手足の筋活動の調節にも関わります。自分がどちらへ動いているかを感じる働きには、大脳の複数の領域も関わります。半規管の信号は、目から入る景色の動き、首の筋肉や足裏から届く情報などと組み合わされて使われています。
半規管は頭の骨とともに動くため、首だけで顔を回しても、身体ごと方向を変えても、頭が空間内で回転すれば反応します。首の筋肉から届く情報は、頭が胴体に対してどう動いたかを知る手がかりになります。脳はこうした情報を合わせて、頭と胴体がどう動いたかを捉えます。
参考記事→多感覚統合
頭を傾けた後も続く感覚
ボディワークで横向きから仰向けへ寝返ると、頭は回転し、その途中で半規管の信号が変化します。仰向けになって頭を静かに保つと、回転に伴う反応は落ち着いていきます。
頭を止めてからも「顔が上を向いている」と分かるのは、重力に応じる耳石器や、背中と床の接触、視覚などの情報があるためです。耳石器は半規管とともに内耳の前庭器官をつくり、頭を静かに保っている間も重力の向きに応じて信号を送り続けます。
関連語
- 前庭覚：頭の動きや傾きに関わる感覚。
- 耳石器：重力と直線加速度に応じる前庭器官。
- 前庭動眼反射：頭の動きに応じて視線を安定させる眼球運動。
- 有毛細胞：毛の束の変位を電気的変化へ変える感覚細胞。
参考文献
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