高校受験の理科 刺激と反応—感覚器官から神経と筋肉への経路を順に整理する｜武蔵野個別指導塾

熱い物から手を引く反射を神経の経路で追い、脳へ伝わる情報と筋肉へ届く命令を分けて整理できます。

よくあるのは、中学生が熱い物に触れて手を引く図に、反射でも先に大脳で判断すると描く場面です。熱さを感じることと、手が動き始めることを同じ順序に並べると、経路が混ざります。刺激を受けた場所から、どこを通って筋肉が動くのかを矢印で追いましょう。腕を曲げるときの骨と筋肉の関係も、その先にある動きとして考えます。

問題の図で何を読むか

出方の1つは、皮ふなどの感覚器官から中枢へ向かう神経と、中枢から筋肉へ向かう神経を選ぶ型です。神経の名前を見ただけで決めず、矢印が中枢に近づく向きか、離れる向きかを見ます。感覚器官は刺激を受け取る場所で、筋肉は指令を受けて動きを生む場所です。

もう1つは、反射と意識して行う運動の経路を比べる型です。熱い物に触れた手を思わず引く反射では、せきずいを中枢とする経路を通って手が動き始めます。刺激の情報は脳にも伝わり、熱さや痛みを感じますが、手を引き始めるために先に大脳で判断する必要はありません。どの時点の経路を問うかが分かれ目です。

さらに、ひじを曲げ伸ばしするときの筋肉の状態を問う型があります。骨は関節を支点として動き、筋肉は縮むことで骨を引きます。曲げる側と伸ばす側の筋肉の組を見て、一方が縮むときに他方がゆるむ関係を読み取ります。神経の経路と筋肉の働きをつなげると、図の空欄を暗記だけで埋めずに済みます。

刺激から動きまでの道筋

光、音、温度などの変化を刺激といいます。目や耳、皮ふなどの感覚器官は、それぞれの刺激を受け取ります。受け取った刺激の情報は感覚神経を通り、脳やせきずいという中枢に伝わります。中枢からの命令は運動神経を通って筋肉に伝わり、筋肉が縮んで体の部分を動かします。

図1のように、感覚神経と運動神経は中枢を境に向きが異なります。図の矢印は情報や命令が伝わる向きの模式図であり、神経の長さや体内の位置を実寸で表したものではありません。

図1の左側は刺激を受け取る側、右側は命令を受ける側です。感覚器官から筋肉へ直接つながる線として読むのではなく、途中の中枢を挟んでたどります。脳とせきずいは中枢神経、それらと体の各部を結ぶ神経は末しょう神経です。感覚神経と運動神経は末しょう神経に含まれます。

反射は、刺激に対して意識しなくても起こる決まった反応です。手を引く反射では、せきずいを通る経路によって筋肉へ命令が伝わります。同じ刺激の情報は脳にも伝わるので、反射が起きた後に刺激を感じたり、状況を考えて別の行動を選んだりできます。反射の経路に大脳を先に入れないことと、情報が脳に伝わらないと考えることは別です。

意識して行う運動では、たとえば机の上の消しゴムを見て取ろうと決めるとき、目からの情報が脳に届き、大脳で判断した後に命令が筋肉へ伝わります。反射かどうかは動きの速さだけで決めず、問題の場面と経路から判断します。心臓の動きなど、この説明で扱わない体内の働きを無理に同じ図へ入れる必要はありません。

筋肉と骨を考える際は、骨そのものが縮むと考えないことも大切です。骨と骨は関節でつながり、筋肉は腱によって骨についています。筋肉が縮むと、付着した骨が引かれて関節の角度が変わります。腕を曲げる筋肉と伸ばす筋肉は、同じ方向に骨を引くための組ではありません。反対方向の動作を可能にする組として位置を見ます。

例えば、手を引いた後に意識して腕を元の位置へ戻す場面では、最初の反射と、後から行う運動を分けます。前者は刺激からせきずいを通る経路、後者は意識して行う命令の経路を考えます。見た目にはどちらも腕が動いていても、問いが求める出発点と終点を確かめてから矢印を描くと、2つの道筋を混同しにくくなります。

基本例題：手を引く経路

次は学習用に作った場面です。熱い容器に指先が触れ、思わず手を引きました。皮ふで受けた刺激によって手が動き始めるまでの経路を、次の語を1回ずつ使い、矢印でつないで答えてください。刺激の情報は脳にも伝わるものとします。解答には感覚器官の名も含めます。

語：皮ふ、感覚神経、せきずい、運動神経、腕の筋肉

図2のように、まず刺激を受け取る場所を出発点にします。熱い容器そのものは刺激の原因で、体の中を通る神経ではありません。

図2の左から順に、各段階の役目を確かめます。皮ふが刺激を受け、その情報が中枢へ向かいます。この向きに当たるのは感覚神経です。手を引く反射の中枢は、ここではせきずいです。次に、せきずいから筋肉へ命令が向かうので運動神経を置きます。最後に腕の筋肉が縮み、手が引かれます。

答えは「皮ふ → 感覚神経 → せきずい → 運動神経 → 腕の筋肉」です。与えられた5つの語をそれぞれ1回使い、出発点が指先の皮ふ、終点が腕の筋肉になっています。逆向きに戻って確かめると、筋肉への命令は運動神経を通り、その前にせきずいがあり、皮ふからの情報は感覚神経で届いています。条件と矢印の向きが両方そろいます。

この答えに大脳がないのは、動き始める反射の道筋を答えるためです。脳へ向かう情報もあるという条件を捨てたわけではありません。もし「熱さを感じるまで」と問われたなら、皮ふから感覚神経とせきずいを経て脳へ情報が伝わることを答えます。設問の終点が筋肉なのか、感じる場所なのかで、たどる枝が変わります。

少し難しい例題：曲げた腕で箱を押す

次も学習用の場面です。目の前の箱を見て、右手で押そうと決めました。曲げた腕を机の上に水平に置き、上腕の位置を変えずにひじを伸ばして箱を押します。腕は机が支え、箱を押す力を腕の筋肉が出すものとします。この例題と後の筋肉の練習では、一方の筋肉が縮むとき反対側がゆるむ基本の模型を考え、重力によって腕や荷物が下がる動きは含めません。箱を押すと決めてからひじを伸ばし始めるまでの経路を、脳、運動神経、腕の筋肉の3語を使って順に答えてください。また、伸ばすときに曲げる側と伸ばす側の筋肉がそれぞれどうなるか、「縮む」「ゆるむ」を使って答えてください。

箱を見る情報は判断の前に脳へ届きます。ただし、最初の問いは「決めてから」なので、解答の出発点は脳です。脳からの命令は運動神経を通って腕の筋肉に届きます。したがって、経路は「脳 → 運動神経 → 腕の筋肉」です。感覚神経は見る情報が脳へ向かう側に関わりますが、決めた後の命令の向きとは逆です。

ひじを曲げるときは、曲げる側の筋肉が縮み、伸ばす側がゆるみます。反対に、机上の箱を押すためにひじを伸ばすときは、曲げる側がゆるみ、伸ばす側が縮みます。筋肉は自分から伸びて骨を押すのではなく、縮んで骨を引きます。関節を挟んで別の側に付く筋肉が交代して働くことで、反対向きにも動かせます。

条件へ戻すと、箱を見て決める段階があり、その後の命令でひじを伸ばし、箱を押しています。手を引く反射とは違い、ここで問う命令には判断が先にあります。伸ばす側が縮む答えを当てはめれば、骨が伸ばす向きに引かれることも確かめられます。図の筋肉が太く描かれていても、それだけで常に縮んでいると決めず、その動作でどちらが引くかを考えます。

間違えた矢印を直す

指先の刺激で手を引く反射について、「皮ふ → 感覚神経 → 大脳で判断 → 運動神経 → 筋肉」と答えたとします。皮ふから感覚神経へ進む部分と、運動神経から筋肉へ進む部分は向きが合っています。間違いは、手が動き始める前に大脳で判断する段階を必ず置いた点です。

図3のように、反射で手を引く経路の中枢をせきずいに直します。脳への情報の枝も描くと、反射の経路と刺激を感じることを別々に追えます。

図3の横向きの矢印は筋肉へ至る経路、上向きの矢印は脳へ向かう情報を示します。脳への枝があるからといって、その枝を先に往復してから筋肉へ命令が出る図にはしません。反射の経路を答える欄なら「皮ふ → 感覚神経 → せきずい → 運動神経 → 筋肉」と書き直します。

別の誤りとして、感覚神経と運動神経の名前を入れ替える答えもあります。名前の一部だけを見ると迷いやすいため、まず矢印に「中枢へ」「筋肉へ」と書き添えてください。中枢へ向かう側が感覚神経、筋肉へ向かう側が運動神経です。矢印の向きを直してから名称を付ければ、反対に伝わる図を残さずに済みます。

図を読むときに線が途中で枝分かれしていたら、枝の先にある名称を見てから経路を選びます。脳への線が描かれていない簡略図でも、それだけで脳に情報が伝わらないとは判断できません。反対に、脳への線が描かれている場合も、筋肉が動き始める経路に必ず脳を入れるという意味にはなりません。図が何を省き、設問が何を尋ねているかを同時に読みます。

感覚器官と筋肉を入れ替えた答案にも注意します。皮ふは刺激を受け取る場所であり、手を動かすために骨を引くのは筋肉です。両端の役割を先に決めれば、間の神経を選ぶときにも情報の向きをたどれます。言葉だけで迷うときは、各語の下に「受け取る」「中枢へ」「中枢」「筋肉へ」「動かす」と短く役割を書いて照合してください。

自分でたどる4問

次の各問は学習用に作った条件です。経路は指定された語を矢印で結び、記述は1文で答えてください。問題を先に解き、後の答えと照らし合わせましょう。

1. とげが指に触れ、思わず手を引きました。手が動き始めるまでの経路を、皮ふ、感覚神経、せきずい、運動神経、筋肉の5語で答えてください。
2. 音を聞いてから、意識して机の上の鉛筆を取ります。耳で受けた情報が中枢へ向かう神経と、命令が腕の筋肉へ向かう神経を、それぞれ名称で答えてください。
3. ひじを曲げた状態から、意思により腕を伸ばします。曲げる側と伸ばす側の筋肉の変化を、それぞれ「縮む」「ゆるむ」から選んでください。
4. 指への刺激で手を引く反射について、「脳に刺激の情報は伝わらないので、痛みも感じない」と説明した人がいます。この説明の誤りを、せきずいと脳の両方に触れて1文で直してください。

答えと確かめ

1. 「皮ふ → 感覚神経 → せきずい → 運動神経 → 筋肉」です。とげに触れた皮ふを出発点に、情報がせきずいへ入り、命令が筋肉へ出る順です。筋肉が動くまでを問う条件に戻すと、最後に筋肉があり、5語もそれぞれ1回使っています。脳へ伝わる枝を、筋肉が動き始める経路の途中に差し込まないようにします。

2. 耳から中枢へ向かうのは感覚神経、腕の筋肉へ向かうのは運動神経です。音を受けた後に鉛筆を取ると決めるので、耳からの情報と腕への命令は中枢を挟んで異なる向きです。答えを場面に戻し、音の情報が脳へ入り、取るための命令が筋肉へ出る順に並ぶことを確認します。

3. 曲げる側はゆるみ、伸ばす側は縮みます。伸ばす側が骨を引くことでひじが伸びるという場面に戻せます。曲げる側まで縮むと答えると、反対側の筋肉がゆるむという組の働きを表せません。最初に曲がっていることと、その後に伸ばす動作を混同しないようにします。

4. 「手を引く反射はせきずいを通る経路で起こり、刺激の情報は脳にも伝わるので痛みを感じます。」反射の命令がせきずいから筋肉へ向かうことと、情報が脳へも向かうことを分けた答えです。指への刺激を出発点にして両方の行き先をたどれば、条件に合うことを確かめられます。

覚えておきたい道筋

感覚神経は感覚器官から中枢へ、運動神経は中枢から筋肉へ伝えます。
手を引く反射はせきずいを通り、刺激の情報は脳にも伝わります。
ひじの曲げ伸ばしでは、反対側の筋肉が交代して縮みます。

どこで道筋が途切れるか

お子さまが図の名前を言えても、矢印の向きがあいまいなことがあります。感覚器官を指して「ここで何を受け取り、次にどちらへ伝わるか」と尋ね、中枢から筋肉まで順に指で追えるか見てください。反射については、手が動き始める経路と脳へ届く情報を別の色の線として説明できるかが手掛かりです。

個別指導で確かめるなら、まず本人が何も見ずに矢印を描き、その後に図と比べます。名前の取り違えなら矢印の向きから直し、大脳を先に置く場合は「動くまで」と「感じるまで」の終点を分けます。骨と筋肉で迷う場合は腕をゆっくり曲げ伸ばしし、どちらが縮んで骨を引くかを言葉にします。刺激の出発点と反応の終点がつながれば、経路の説明は筋道を持ちます。