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脳の機能はとても神秘的で、驚異的です。思考、信仰、記憶、行動、気分は、すべて脳がつくり出しています。脳は、考える場所であり、体のその他すべての部分をコントロールしている司令塔です。脳はまた、運動、触覚、嗅覚、味覚、聴覚、視覚の調整も行っています。脳の働きによって、人は言葉や数字を操ることができ、また音楽を作って鑑賞したり、幾何学的な形を認識して判別できます。他人とのコミュニケーション、将来の計画だけでなく、空想さえも楽しむことができます。

脳は、内臓、体の表面、眼、耳、鼻、口から送られてくるすべて刺激を検討します。そして、体の位置、手足の動き、内臓の働きを正しく調整するよう命令を出します。脳は、気分、意識、覚醒レベルの調整も行います。

どんなコンピューターも、まだ人間の脳の高性能さにはかないません。しかし、この精巧さには対価があります。脳は常に栄養を必要としており、それには非常に多くの血液と酸素が要求され、その量は、心臓から送られる血液の約20%にもなります。脳への血流が約10秒間途絶えただけでも、人は意識を失ってしまいます。酸素不足、異常な低血糖状態、あるいは毒物によっても、脳の機能は数分以内に異常を起こしてしまいます。しかし、脳は通常これらのトラブルを防ぐための、いくつかのメカニズムによって守られています。たとえば、脳への血流が減少したときには、脳はただちに心臓に対し、より速くより力強く拍動して、たくさんの血液を送り出すように信号を出します。また、血糖値が低くなりすぎた場合は、脳は副腎に信号を送ってエピネフリン(アドレナリン)を分泌させ、肝臓を刺激して保存されているブドウ糖を放出させます。

血液から多くの酸素や栄養を取りこまなければならないにもかかわらず、脳は血液とは血液脳関門と呼ばれる薄いバリアーで隔てられています。体の他のほとんどの部分と異なり、脳では毛細血管の壁をつくっている細胞の間がぴったりと閉じて、血液脳関門をつくっています(毛細血管は体内で最も細い血管のことで、この毛細血管で血液と組織による栄養と酸素の交換が行われます)。血液脳関門は、脳に入ってくる物質の種類を制限することで、中毒を起こすかもしれない物質から脳細胞を守っています。たとえば、ペニシリン、多くの化学療法薬、大半のタンパク質(たとえば血液中に最も多く含まれるタンパク質のアルブミンなど)は、ごく微量を除いて脳内へ通過できません。その一方で、アルコール、カフェイン、ニコチン、抗うつ薬は、脳内へ通過できます。糖やアミノ酸などの脳で必要とされる物質のいくつかが、このバリアーを容易に通過できません。しかし血液脳関門には、脳が必要とする物質はバリアーを通過させる輸送システムをもっています。

脳の活動は、情報の処理と保存を行う神経細胞が発する電気的なインパルスによって起こります。このインパルスは、神経線維をたどって脳内に伝わっていきます。どのような脳の電気活動がどの程度の規模で起きるか、また脳のどの場所で最初に起きるかは、その人の意識レベルと、そのときに行っている固有の動作によって異なります。

脳は、大脳、脳幹、小脳という3つの部分に分かれています。

脳の構造

脳は、大脳、脳幹、小脳で構成されています。大脳の左右の半球はそれぞれ、さらに脳葉と呼ばれる小さな単位に分かれています。脳は、頭蓋内で髄膜と呼ばれる3層の組織に覆われています。

大脳は、複雑に入り組んだ組織がぎっしり詰まったかたまりで、外側の層は大脳皮質(灰白質)です。成人では、神経系の神経細胞のほとんどが、大脳皮質に集まっています。皮質の下にある白質は、主に皮質の神経細胞と神経系の他の部分をつなぐ神経線維で構成されています。

大脳は、左右2つの大脳半球からできています。左右の大脳半球は、脳梁と呼ばれる神経線維によって中心部でつながっています。各大脳半球は、さらに前頭葉、頭頂葉、後頭葉、および側頭葉に分けられます。

多くの自発的な行為は、前頭葉が起こさせています。興味があるものに眼を向けるといった行為から、道路を横切る、排尿のために膀胱をゆるめるといった行為までさまざまです。また、字を書いたり、楽器を演奏したり、靴ひもを結んだりといった動作の習得も、前頭葉がコントロールしています。さらに、スピーチ、思考、集中、問題を解く、将来の計画を立てる、などの複雑で知的なプロセスもコントロールしています。気分や感情に合わせて顔の表情を変えたり、手や腕を動かすジェスチャーを協調させているのも前頭葉です。左右どちらかの前頭葉のある領域は、その反対側の体の動きをコントロールしています。ほとんどの人は、左の前頭葉が大半の言語機能をコントロールしています。

頭頂葉は、体の他の部分から送られてくる感覚に関する情報を分析して、体の動きをコントロールします。形、手ざわり、重さから受ける印象を組み合わせて、総合的に認識させます。頭頂葉は数学的な能力や言語的な能力にも影響を与えますが、これらは隣接する側頭葉の領域で、より具体的にコントロールされています。頭頂葉は、方向感覚(今いる場所の認識)と、方向感覚の維持(これから向かう場所の認識)に必要な、空間に関する記憶を保存しています。頭頂葉はまた、人が体の各部の配置を認識できるように、情報の処理も行います。

後頭葉は、映像を処理・解析して視覚的な記憶を可能にし、隣接する頭頂葉から提供される空間的な情報と映像認識を統合します。

側頭葉は、記憶と情動を生み出しています。今起こった出来事を最近の記憶または長期の記憶として処理し、保存したり、長く記憶されていたものを呼び出したりもします。また、側頭葉は音と画像を認識して、他人やものを見分けさせたり、会話の能力を統合させます。

神経細胞の集合体である、基底核、視床、視床下部は、大脳の基底部に位置しています。基底核は、体がスムーズに動くように運動機能を調節しています。視床は、脳の最高司令部(大脳皮質)へ出入りする、感覚情報を取りまとめていて、痛み、感触、温度などの全身的な感覚を認識させます。視床下部は、睡眠と覚醒、体温調節、食欲と体内の水分バランスの調節など、より自動的な体の機能を調整しています。

大脳辺縁系と呼ばれる神経線維システムは、視床下部と前頭葉や側頭葉の他の領域をつないでおり、そこには海馬と扁桃体が含まれます。大脳辺縁系は、体の自動的な機能だけでなく、感情の経験や表現もコントロールしています。大脳辺縁系が、恐怖、怒り、喜び、悲しみなどの感情をつくり出すおかげで、人は肉体的および精神的な動揺を互いに伝え合い、それを乗り越えていくような行動を取ることができます。海馬には、記憶の形成と呼び出し機能があります。大脳辺縁系によって感情の加わった記憶は、そうでない記憶よりも思い出されやすくなります。

脳幹は、大脳と脊髄をつないでいる部分です。神経細胞と神経線維のシステム(網様体賦活系)は、脳幹上部の深くに位置しており、意識と覚醒のレベルを調節しています。脳幹はまた、呼吸、嚥下(えんげ)、血圧、心拍などの重要な身体機能を調整しているだけでなく、姿勢の調節も手助けしています。万が一、この脳幹全体に重大なダメージを受けると、意識が失われるとともに、心拍などの自動的な身体機能も停止し、死に至ります。

小脳は、脳幹の真上、大脳の下にあり、体の動きをコントロールしています。手足の位置に関する情報を大脳皮質と基底核から受け取ると、小脳は手足をなめらかに、かつ正確に動かします。これは筋肉の緊張度と姿勢を常に修正することで実行します。小脳はまた、内耳の平衡調整器官(半規管)につながっている前庭神経核と呼ばれる脳幹内の領域とも、相互作用をしています。これらの構造が相まって、バランス感覚を生み出します。小脳はまた、習得した運動の記憶を保存することで、バレリーナのつま先でのターンのような、スピードとバランスが要求される高度な協調運動を可能にしています。

脳と脊髄はともに、3層の組織(髄膜)で覆われています。薄い軟膜は、最も内側にある層で、脳と脊髄にくっついています。傷つきやすいクモの巣状のくも膜が、中間にある層です。くも膜と軟膜の間にあるスペース(くも膜下腔)は、脳と脊髄の保護に役立っている脳脊髄液の通り道になっています。脳脊髄液は、髄膜の間を通って脳の表面を流れ、脳の内部にあるスペース(4つの脳室)を満たして、急激な振動や外傷から脳を保護しています。革のような硬膜は、最も外側にあって、最も丈夫な層です。脳とその髄膜は、丈夫な骨の保護組織である頭蓋の中に収容されています。

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