熱いものに触れたとき、考えてから命令を出すより先に、手を引く反応が起こることがあります。このような反射の経路を読むときは、刺激を受けた場所から中枢へ向かう道と、中枢から筋肉へ向かう道を分けます。線が一本つながっているだけに見えても、役割は同じではありません。
この記事では、脊髄を中枢とする反射を簡略化した図を使います。神経を信号が伝わる速さや中継時間は、例題の中で与える値です。体の正常・異常を判定する数値ではなく、中学受験で知らない仕組みを資料から計算するための模型として考えてください。
感じる経路と動かす経路をたどる
皮膚などの受容器が刺激を受けると、情報は感覚神経を通って中枢へ届きます。中枢の回路から運動神経へ信号が伝わり、筋肉へ届くと収縮が起こります。感覚神経を、感覚器そのものと混同しないことも大切です。受け取る場所と運ぶ道は別です。
脊髄反射では、反応を起こす指令が必ずしも大脳での意識的な判断を待つ必要はありません。ただし、刺激の情報が脳へ届かないという意味ではありません。反射が起きる経路と、あとで刺激を意識する経路が分かれていると考えます。また、すべての反射の中枢が脊髄というわけでもありません。
図へ矢印を書き込むなら、「皮膚→感覚神経→脊髄→運動神経→筋肉」の順番をまず一本通します。筋肉から感覚神経へ戻る矢印を、計算する経路に勝手に追加しないようにしましょう。
例題1：行きと帰りの時間を足す
模型では、刺激を受けた場所から脊髄までの感覚神経が0.8m、脊髄から筋肉までの運動神経が0.6mです。どちらも信号が毎秒40mで伝わり、脊髄での中継に0.005秒、筋肉へ届いてから収縮開始までに0.015秒かかるとします。受容器で情報が生じた瞬間から収縮開始までの時間を求めてください。
答え・解説： 感覚神経は0.8÷40＝0.020秒、運動神経は0.6÷40＝0.015秒です。これに中継0.005秒と収縮開始までの0.015秒を足すと、合計0.055秒です。
神経の長さの合計1.4mを40で割るだけでは0.035秒となり、中継と筋肉側の待ち時間が抜けます。また、0.8mを往復するのではないため、0.8×2を使うこともできません。絵にある道の長さをそれぞれ使います。
「距離÷時間」の前に、距離以外の時間を外す
観測された時間に中継や筋肉の反応が含まれている場合、その全体で神経の長さを割っても、神経上の伝導速度にはなりません。移動以外に使った時間が分母へ混ざっているからです。
これは速さの公式が間違っているのではなく、その式に入れる時間の範囲が違う問題です。観測の開始が「刺激を与えた時」なのか「神経の信号を記録した時」なのか、終了が「信号の到着」なのか「手が動いた時」なのかも確認してください。
例題2：二つの経路の差から速さを求める
ある学習模型で、感覚神経と運動神経を合わせた距離が1.2mの経路では0.050秒、距離が1.6mの経路では0.060秒かかりました。二つの経路の伝導速度は等しく、中継などに必要な時間も等しいとします。信号の速さと、移動以外にかかった時間を求めてください。
答え・解説： 距離の差は0.4m、時間の差は0.010秒です。共通の待ち時間は差を取ると消えるため、0.4÷0.010＝毎秒40mです。短い経路を進む時間は1.2÷40＝0.030秒なので、残り0.050−0.030＝0.020秒が移動以外の時間です。
長い経路でも1.6÷40＋0.020＝0.060秒となり、条件に戻して確かめられます。0.050秒全体で1.2mを割った毎秒24mでは、両方の観測を同じ待ち時間で説明できません。
引き算できるのは、共通条件があるから
例題2では「中継などの時間が等しい」と明記しました。実際の体では神経の種類、経路、温度などによって条件が変わります。二人の反応時間の差を、身長や神経の長さの差だけで決めつけることはできません。
定規が落ちたのを見て指でつかむ実験も、目で認識して動かす過程を含みます。これをそのまま脊髄反射の時間と呼ぶと、異なる経路を混ぜてしまいます。実験名より、刺激を受ける場所と判断を含む道筋を具体的に確認しましょう。
解説を読んだ後は、経路の区間ごとに「長さ」「速さ」「待ち時間」を書き分けてみてください。反射の名前を答える問題と、指定された模型の時間を求める問題をつなげながらも、計算で何を仮定したのかを残すのが、初見資料を読み切る練習になります。