1938年の生理学・医学のノーベル賞 — コルネイユ・ヘイマンス
学ぶこと
私たちの呼吸速度が活動レベルに応じて自動的にどのように調整されるのか、そしてベルギーの科学者である父と息のペアが、この調節を担う体内の2つの小さなセンサーを発見したのかを理解します。
なぜ階段を上るときに呼吸が自動的に速くなるのか？
階段を上るとき、数秒以内に呼吸が速くなります。意識的に「呼吸を速くする必要がある」とは考えません。逆に、眠っている間でも呼吸を続けています。
この自動的な呼吸調節は、長らく謎でした。呼吸速度は何によって決まるのでしょうか？この調節機構は体内のどこにあるのでしょうか？
20世紀初頭までは、脳幹にある呼吸中枢が呼吸のリズムを自律的に生成するというのが一般的な答えでした。この答えは部分的には正しかったのです。脳幹には確かに呼吸中枢があります。しかし、この中枢が活動に応じて呼吸の強さをどのように調整するのかは、未解決のままでした。
ベルギーのヘント大学にあるヘイマンスの研究室は、この謎を解き明かす重要な手がかりを提供しました。彼らの発見により、体全体に存在する化学センサーが、血液中の酸素、二酸化炭素、pHレベルをリアルタイムで検出し、脳幹に信号を送り、呼吸を調節することが明らかになりました。
特に重要なのは、彼らが頸動脈洞の近くにある小さな組織 — 現在では頸動脈小体と呼ばれる — が、この検知の主要な部位であることを発見したことです。
時代背景 — ヨーロッパ崩壊の瀬戸際
1938年、世界は第二次世界大戦がほぼ確実になる1年前でした。
3月、ナチス・ドイツはオーストリアを併合しました。ナチスの兵士は一発の銃も撃たずにオーストリアに侵攻しました。オーストリアのユダヤ人科学者、その中には1936年のノーベル賞受賞者であるローヴィも含まれており、この頃から大量に国外へ亡命し始めました。
9月、ミュンヘン協定が締結されました。イギリスとフランスは、ナチス・ドイツにチェコスロバキアを併合することを容認し、その見返りとしてヒトラーがそれ以上の領土要求をしないことを約束させました。しかし、ヒトラーはこの約束を半年以内に破りました。翌年の3月にはチェコスロバキアを完全に併合し、9月にはポーランドに侵攻しました。
11月9日と10日の夜、水晶の夜が発生しました。ナチス・ドイツ全土のユダヤ人の商店やシナゴーグが体系的に破壊されました。これはホロコーストへの直接的な前触れでした。
この時期、ヘイマンスが研究していたベルギーは形式的には中立国でした。しかし、1940年5月のナチスによる西ヨーロッパ侵攻の際、ベルギーは5日以内に占領されました。ヘイマンスのノーベル賞は、比較的平和な時期に授与されました。
その年の遠い東アジアでは、第二次日中戦争が続いていました。南京虐殺（1937年12月）の後、中国国民政府は重慶に撤退し、抵抗を続け、共産党は延安で再建しました。
韓国の歴史と併せて考えると、1938年は国民動員法が韓国に拡大された年でした。この法律は、戦争遂行のために韓国の労働力と資源を完全に動員するための法的根拠を提供しました。この時期、韓国では国の労働力と資源が、大日本帝国の必要に応じて自動的に再分配されるシステムが作られました。ヨーロッパでは、体内の自動調節システムが発見され、韓国では、人間の社会を自動的に動員するためのシステムが強制的に確立されようとしていました。
伝記 — 息子が父の実験を完成させる
コルネイユ・ヘイマンスは1892年にベルギーのヘントで生まれました。彼の物語で最も注目すべき点は、彼の父、ジャン＝フランソワ・ヘイマンスも著名な薬理学者であったということです。これは、息子が父が始めた研究を継続し、完成させた例です。
ヘント大学の薬理学教授であったジャン＝フランソワは、1920年代から血液循環と呼吸調節の関連に関心を持っていました。彼は、接続された犬（クロスサーキュレーション）を用いた実験を通して、この問題に取り組んでいました。
コルネイユの重要な実験は、父のアプローチの延長線上にありました。彼は、以下の実験を設計しました。
彼は2匹の犬を用意しました。1匹は**「供与犬」、もう1匹は「受容犬」**としました。2匹の犬の循環系は部分的に接続されており、供与犬から受容犬に血液が流れ込むようにしました。重要な点は、受容犬の脳は供与犬からの血液のみを受け取るようにしたことです。
次に、供与犬にさまざまな刺激を与えました。供与犬に低酸素濃度の空気を吸わせたり、高濃度の二酸化炭素を含む血液を生成させたりしました。その後、受容犬の脳に、この変化した供与犬からの血液を送り込みました。
観察結果：供与犬の血液の化学組成が変化すると、受容犬の呼吸はすぐに変化しました。供与犬の血液中の酸素レベルが低下すると、受容犬の呼吸は速くなり、二酸化炭素レベルが上昇すると、受容犬の呼吸はさらに活発になりました。
この実験は決定的なものでした。これは、脳幹が血液の化学組成をどのように検知するかを示しており、答えは脳幹自体が直接検知するのではなく、体内の他の部分にあるセンサーが検知し、その信号を脳幹に送るというものでした。
重要な部位の特定
その後の実験で、ヘイマンスは、頸動脈洞と大動脈弓の領域を、脳幹に接続する神経を切断することで、呼吸調節が阻害されることを観察しました。この2つの部位が化学感受性の中心でした。
この位置は偶然ではありません。頸動脈は脳に血液を供給する主要な血管です。大動脈弓は心臓から出てくる主要な血管です。どちらの部位も、リアルタイムの血液化学を監視するのに理想的な場所です。進化の過程で、これらの重要な場所にセンサーが配置されたのです。
主要な貢献 — センサーによる中断の視点から見た自動調節
リアルタイムの検知 + 即時の応答
ヘイマンスが解明したシステムは、以下のとおりです。
- 頸動脈小体と大動脈小体の化学受容体が、血液中のO2、CO2、pHレベルをリアルタイムで検知します。
- 検知された結果は、舌咽神経と迷走神経を介して、脳幹の呼吸中枢に伝達されます。
- 脳幹中枢は、この情報に基づいて、横隔膜と肋間筋に指令を送ります。
- 呼吸速度と深さが調整されます。
このプロセス全体は数秒で完了します。だからこそ、階段を上り始めると数秒後に呼吸が速くなるのです。
ここでは、CSのたとえ話が役に立ちます。これは、ハードウェアセンサーによる中断に似ています。
コンピュータシステムでは、CPUはどのように温度を管理するのでしょうか？CPU自体は温度を監視しません。代わりに、チップ全体に配置された温度センサーがリアルタイムで温度を検出し、特定の閾値を超えると、CPUに中断信号を送信します。CPUは、中断信号を受信すると、一時的に現在のタスクを中断し、ファンの速度を調整したり、クロック速度を調整したりするなどの応答を実行します。
センサー → 中断 → 応答という3段階の構造です。ヘイマンスが解明した呼吸調節システムは、まさにこの構造です。
- センサー: 頸動脈小体と大動脈小体
- 中断: 神経信号を脳幹に伝達
- 応答: 呼吸筋の指令の変化
この構造が役立つのはなぜでしょうか？それは、CPU（脳幹）が検出自体にリソースを費やす必要がないからです。脳幹が常に血液化学を積極的に監視する必要がある場合、それはかなりのリソースを消費します。検出を専用のセンサー組織に委任し、その結果を信号としてのみ受信することで、脳幹はより高度な調節に集中できます。分散型センシング、集中型意思決定アーキテクチャです。
ただし、このたとえ話は、この時点で破綻します。コンピュータのセンサー-中断システムは、私たちが明示的に設計するものであり、各センサーの検出対象と応答ルールは明確です。しかし、体内の化学受容体は、複数の物質を同時に検出し、それらの相対的な強度に基づいて信号を生成します。単一の頸動脈小体細胞は、O2、CO2、pHの3つの要素すべてに反応します。この複雑な検出を単一の信号に統合する方法は、一部は今日でも研究の対象です。
血圧調節も同じフレームワークに従う
ヘイマンスの発見は、呼吸だけでなく、血圧調節にも拡張されました。頸動脈洞の近くには、化学受容体に加えて、血圧をリアルタイムで検出し、脳幹に信号を送る圧受容体も存在します。これらの信号は、心拍数と血管収縮を自動的に調整します。
急に座ってから立ち上がると、短時間めまいがするのは、このシステムの遅延によるものです。姿勢が変化すると、脳内の血圧が一時的に低下し、圧受容体がこれを検出し、心拍数と血管収縮を調整するまでに1〜2秒かかります。この間、脳への血流が一時的に減少します。
高齢者がめまいを起こしやすい理由は、この自動調節システムの速度が低下することに関連しています。年齢とともに、この自動調節は遅くなります。
なぜ重要なのか？
ヘイマンスのノーベル賞は、現在でも3つのレベルで重要です。
臨床レベル: 睡眠時無呼吸症、COPD、慢性心不全、高山病はすべて、化学受容体システムの正常/異常な機能に関連しています。たとえば、慢性的な低酸素状態（高地、慢性的な肺疾患）では、化学受容体が再調整され、正常な酸素レベルでさえ刺激として認識する可能性があります。この原理は、さまざまな臨床的治療戦略に反映されています。
麻酔レベル: 麻酔中の患者の呼吸、心拍数、血圧の管理は、この化学受容体および圧受容体システムを理解することに基づいています。特定の麻酔薬がこの調節をどの程度抑制するかは、麻酔学の基本的な概念です。
宇宙医学および航空医学レベル: このシステムの予測と調節は、高所訓練、ダイビング訓練、宇宙飛行において、低気圧および低酸素状態に対処するために不可欠です。
そこから得られる教訓は、「制御システムを作成するには、検出、意思決定、応答を分離する」ということです。単一のユニットがこれらすべて — 検出、意思決定、応答 — を行う場合、そのユニットはボトルネックになります。体は賢明にも、この問題を検出を分散型、特殊なセンサーに委任し、意思決定を中枢の脳幹に、応答を複数の筋肉に委ねることで解決しました。この原理は、今日のソフトウェアアーキテクチャ、組織設計、さらにはスマートホームシステムにおいても有効です。
この文章を読んでいる間も、あなたの頸動脈小体は血液化学を数秒に数回検出し、脳幹に信号を送っています。このリアルタイムの調節システムは、90年前にヘントで行われた2匹の犬を接続した実験で明らかにされました。
化学受容体と自動呼吸調節の概要: ヘイマンスは、2匹の犬を循環系で接続した実験を通じて、化学受容体が脳幹ではなく、体内の他の部分（頸動脈小体と大動脈小体）に存在し、血液中のO2、CO2、pHレベルをリアルタイムで検出することを明らかにしました。この発見は、自動呼吸および心血管調節システムの基本的な構造を明らかにしたものであり、現在では麻酔学、肺科学、睡眠医学の基礎となっています。
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