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氏名：

日本生物学オリンピック 2015 本選

広島

実験試験 II 生理学 問題冊子
（45 分）
1. 机には，問題冊子（7 ページ），解答用紙（4枚）が配付されている。
2. 説明が始まるまでは，問題冊子を開かずに，このページをよく読んでおくこと。
3. 解答開始の合図の後，すべての解答用紙に名札番号と氏名を記入しなさい。また，このページにも名札番号と氏名を記入すること。
4. 椅子の高さはレバーで調節できる。各自，適切な位置に調節しなさい。椅子の高さが低すぎて合わない人は，挙手をすること。
5. 試験の途中で，気分が悪くなったり，トイレ等のためやむを得ず途中退室を希望した
りする場合は，挙手をすること。
6. 問題冊子にメモを取ってもかまわない。試験終了後，問題冊子は持ち帰ること。
7. 実験机の上には，すでに準備されているものの他，予備体験資料，配付されたペンケース，筆記用具，時計，ハンカチ，ティッシュ，目薬以外のものは置かないこと。

1

はじめに
皮膚感覚とは皮膚にある受容器から生じる感覚であり，触圧覚，温覚，冷覚，痛覚（痒覚）に分類される。これらの感覚は，生体を取り巻く外的環境を知り，それに適応するために用いられる。皮膚に触圧，冷，温，痛覚などの刺激を与え，最小限の感覚を起こす閾値を調べると，特に閾値が低い部位が存在する（感覚点）。諸君は，先ほどの予備体験において，その例として触圧点，温点，冷点の分布測定を体験した。

試験
巻末のデータ集にある① およそ 100 人を対象とした人差し指，手のひら，前腕内側，ふくらはぎの
触圧点，痛点の平均密度② ５人分の温点，冷点の分布とメンソール塗布による影響を参考にして，以下の問 1-1 から問 2-3 を解答しなさい。

評価項目
先だって実施した予備実験は，皮膚感覚点の分布計測を体験してもらうことが目的であり，得られたデータを評価の対象とはしない。設問に対する解答の論理的整合性，独創性を基準に評価する。

2

実験 1 触圧点の分布（データ集の①を参考にして解答せよ）
問 1-1 データ集の①-1 は，予備実験と同じ方法を用いて計測したヒトの体の各部位における触圧点の平均密度のグラフである。触圧点の分布の特徴を記述しなさい。また，そのような分布パターンをする機能的な意義を想像し述べなさい。
問 1-2 皮膚の感覚受容器で感知された触圧覚の信号は，延髄の神経核や感覚情報の中継地である視床を経由して最終的に大脳皮質（人で最も大きく発達している脳領域）の体性感覚野と呼ばれる部分に伝えられて感覚情報処理が行われる（図１）。体性感覚野では，体の各部位からの触図 1. ヒトの大脳皮質体性感覚野
圧覚が混然と処理されるのではない。手の感覚を処理する領域，腕の感覚を処理する領域，顔の感覚を処理する領域など，体の各部位の触圧覚情報処理に関わる領域は，脳表面の 2 次元平面上にそれぞれ分かれて存在していることが分かっている。ただ，その分布の仕方には特徴がある。各領域の広さは体表面積を正確に反映はしておらず，基本的に感覚が鋭敏な部分は相対的に広く表現されている。脳表面上での広さを基準に体を描きなおしてみると，奇妙にゆがんだ人体像が現れてくる（ホムンクルス；図１）。
上記右図では，ホムンクルスの前腕から指先にかけての絵が描かれていない。データ集の①-1 にある触圧覚密度のデータを考慮しながら，ヒトの前腕から手までの絵を想像して描きなさい。また，なぜそのような作画に至ったのか，その理由について文章で記述しなさい。
問 1-3 皮膚に絆創膏を貼り付けると，貼り付けた当初は絆創膏の存在を感知できるのに，そのうち貼っていることを意識しなくなる。この現象はどのようなメカニズムを想定すれば説明できるか？考えられる可能性について述べなさい。
問 1-4 触圧点のマッピングと同様な解析を，刺激毛ではなく鋭い針を用いて行うと，痛点のマッピングをすることができる。データ集の①-2 グラフは予備体
験と同様の解析で得られた痛点の平均密度のヒストグラムである。触圧点との比較を通じて，痛点についてグラフから読み取れることを述べなさい。

3

問 1-5 近年，ヒトや動物の脳活動や筋電位を計測して義手等の補助機械を動かす技術の開発や，視覚を代用することを目指した人工網膜の開発など，人と機械の間で情報を仲介するためのプログラムや機器の開発が急 に進んでいる。
これらの技術開発は，事故等で失われた身体機能を取り戻す一つの手段として，その可能性が検討されている。将来，ヒトの触圧覚の代用が可能な皮膚センサ
ーが開発される場合，その皮膚センサーは実用化の上でどのような機能や特性を必要とするであろうか？その特性を 5 つ以上箇条書きで述べなさい。
実験 2 温点・冷点の分布（データ集の②を参考にして解答せよ）
皮膚表面に分布（点在）する温点・冷点の皮下近傍には，熱さを感じる神経細胞や冷たさを感じる神経細胞の末端部（神経末端）が存在する。神経末端には熱さを感じる受容体タンパク質(TRPV1)や冷たさを感じる受容体タンパク質(TRPM8)があり，熱さや冷たさを感知し，神経細胞に電気信号を生じさせる。
その電気信号が脳に伝えられ，体のどの部分がどれくらい熱いか，もしくは冷たいかが認識される。TRPV1 をもつ神経末端が皮下近傍に存在し熱さを感知する点が温点であり，TRPM8 をもつ神経末端が皮下近傍に存在し冷たさを感知する点が冷点である。
問 2-1 データ集の②（②—１と②—２）の被験者５名のメンソール塗布前における前腕内側の温点と冷点の分布を比較し，温点と冷点の分布の特徴を述べなさい。
問 2-2 TRPV1 は 42℃以上の温度になると活性化し（タンパク質が構 変化を起こし，ナトリウムイオンを通す孔が開き）ナトリウムイオンを細胞外から細胞内に入れることで，神経細胞に電気信号を生じさせる。TRPM8 は 25℃以下の温度になると活性化し（タンパク質が構 変化を起こし，ナトリウムイオンを通す孔が開き）ナトリウムイオンを細胞外から細胞内に入れることで，神経細胞に電気信号を生じさせる。データ集の②（②—１と②—２）のメンソール塗布の前後での温点と冷点の分布・数を分析し，メンソールは TRPV1 と TRPM8 のどちらに作用するかを示し，メンソールの作用機序について考えられることを述べなさい。
問 2-3 温点と冷点の分布とその重なり方およびメンソール塗布後の変化を分析し，それぞれの神経細胞が TRPV1 や TRPM8 をもつパターンについて述べなさい。またそう考えるに至った理由を述べなさい。

4データ集①-1

触圧点の分布密度の平均値

データ集①-2

痛点の分布密度の平均値

5データ集② 前腕内側での冷点・温点の分布と密度のデータおよびメンソール塗布による影響②−1

５名の冷点・温点の分布のデータ

6前腕内側での冷点・温点の密度（５名の平均値）

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