目次
シナプス
神経細胞は互いに接触しないが、神経細胞が他の神経細胞に近づくと、両者の間にシナプスが形成される。電気信号がニューロンを通って終点まで来ても、電気信号が単純にに次のニューロンまで進むことはできない。神経細胞は基本的にシナプスを介して互いにコミュニケーションをとる。
シナプスは2つのニューロン（神経細胞）の間の小さな隙間で、神経伝達物質によって神経インパルスがシナプス前（送信）ニューロンの軸索からシナプス後（受信）ニューロンの樹状突起に伝達される。シナプス間隙とも呼ばれる。シナプスでは、シナプス前（送信）ニューロンがシナプス後（受信）ニューロンへ信号を送信する。
シナプス伝達においては、神経細胞の軸索を伝わってきた活動電位（電気的インパルス）がシナプス前細胞のシナプス小胞を刺激し、神経伝達物質を放出することが化学的メッセージとなり、伝達される。これらの神経伝達物質は、シナプス間隙（シナプス前細胞とシナプス後細胞の間の隙間）を拡散し、シナプス後細胞の受容体部位に結合する。
神経伝達物質が興奮性である場合（例えばノルアドレナリン）、シナプス後神経細胞はインパルスを発火しやすくなる。神経伝達物質が抑制性（例えばセロトニン）であれば、シナプス後神経細胞はインパルスを発火しにくくなる。
興奮性及び抑制性の神経伝達物質の影響は合計され、ニューロンが発火するかどうか、またどの程度の頻度で発火するかを決定する（和集合）。樹状突起では、化学的メッセージが再び電気的インパルスに変換され、伝達のプロセスが再び行われる。
シナプス後神経細胞は、シナプス前神経細胞に対して、神経伝達物質の放出頻度や量を変更するよう伝えることも可能であり、シナプスは双方向のコミュニケーションを行うことができる。
シナプスの伝達は電気的か化学的か？
シナプスには化学的なものと電気的なものがあり、どちらも神経活動の機能に不可欠なものです。シナプスは学習や記憶の形成など、さまざまな認知機能において重要な役割を担っている。
| 化学的シナプス | 電気的シナプス |
|---|---|
| 細胞間の隙間は約20ナノメートル | 細胞間の隙間は約3.5ナノメートル |
| 伝達速度は数ミリ秒 | 伝達速度はほぼ瞬間的 |
| 興奮性、抑制性のどちらにも対応可能 | 興奮性のみ |
| 信号強度の損失はない | 信号強度は時間の経過とともに減少する |
化学シナプスの伝達
ヒトに最も多く見られるシナプスは化学的シナプスである。シナプス前細胞の電気的活動により、神経伝達物質が放出される。神経伝達物質はシナプス間隙を拡散し、シナプス後神経細胞の特殊な受容体に結合する。このとき、神経伝達物質はシナプス後神経細胞を興奮させるか、抑制する。シナプス後神経細胞を興奮させると活動電位（電気的インパルス）が発生し、シナプス後神経細胞を抑制すると電気信号の伝達が阻害される。
シナプス前細胞の内部には、膜で覆われたシナプス小胞があり、その中には神経伝達物質が含まれている。活動電位がシナプス前末端に到達すると、神経細胞の膜にある電位依存性カルシウムチャンネルが活性化される。電位依存性カルシウムチャンネルは、ニューロンの外側に集中しており、活性化されるとニューロン内に陥入する。電位依存性カルシウムチャンネルは、シナプス小胞がシナプス前末端の膜と融合することを可能にし、シナプス間隙に神経伝達物質を放出することを可能にする。
神経伝達物質分子はシナプス間隙を拡散し、シナプス後神経細胞の受容体に結合する。この受容体が活性化されると、イオンチャネルが開いたり閉じたりする。イオンチャネルとは、帯電したイオンが通過できる通路である膜タンパク質である。
関与するイオンによって、細胞内をプラスにする脱分極と、細胞内をマイナスにする過分極のいずれかが起こる。過分極の場合はシナプス後神経細胞で活動電位が発生しにくくなる。
電気的シナプスの伝達
電気シナプスは化学シナプスとは異なり、シナプス前細胞とシナプス後細胞の間に直接的な物理的接続が存在します。この接続はギャップ結合と呼ばれるもので、本質的にシナプス前細胞からシナプス後細胞へ直接イオンを流すチャネルである。
ギャップ結合は、シナプス前細胞とシナプス後細胞の膜に一対のチャネルを持ち、孔を形成している。この孔は、化学シナプスの電位依存性イオンチャネルよりも大きく、様々な物質が神経細胞間を拡散することができる。
電気シナプスは、化学シナプスが数ミリ秒かかるのに対して、ほぼ瞬時に信号を伝達する。
電気シナプスは信号の伝達速度が速いにもかかわらず、時間の経過とともに信号強度が低下するのに対し、化学シナプスは信号強度が低下することがない。また、化学シナプスは興奮性にも抑制性にもなりうるが、電気シナプスは興奮性のみである。
興奮性シナプス後電位と抑制性シナプス後電位
シナプス前細胞がシナプス後細胞に与える影響は、興奮性か抑制性のどちらかである。
神経細胞はシナプス小胞からシナプスに神経伝達物質とよばれる化学伝達物質を放出する。
抑制性の神経伝達物質は、ニューロンの発火の可能性を低下させる。一般に、心を落ち着かせ、睡眠を誘発する役割を担っている。セロトニンがこれにあたる。
興奮性神経伝達物質は、興奮性の信号がシナプス後細胞に送られる可能性を高める。神経伝達物質でありホルモンでもあるアドレナリンには、興奮作用がある。
シナプス前細胞から放出された化学物質は、シナプス後細胞を興奮させたり抑制したりして、神経伝達物質を放出させたり、シグナル伝達を遅らせたり停止させたりする。
軸索が発火し、末端の小胞が神経伝達物質を放出してシナプス後神経細胞を興奮させるのが興奮性シナプス後電位（EPSP）である。この興奮の作用により、シナプス後ニューロンの軸索も発火する可能性が高くなる。
抑制性シナプス後電位(IPSP)は、これとは逆の作用がある。抑制は抑制性の神経伝達物質によって引き起こされる。神経伝達物質がシナプス後受容体と結合すると、IPSPが生じ、細胞は発火しにくくなります。
軸索が発火する速度は、ニューロンの樹状突起と細胞体にあるシナプスの活動によって決定される。もし興奮性シナプスがより活発であれば、軸索は高い頻度で発火し、抑制性シナプスが活発であれば低い頻度で発火するか、全く発火しないかとなる。
興奮性シナプス後電位 (EPSP:Excitatory PostSynaptic Potential)は脱分極する。つまり、ニューロン内部をより陽性にし、より多くの活動電位を発生させる。抑制性シナプス後電位IPSPは電位を下げ（過分極）、活動電位の発生を抑え、EPSPの興奮性効果を打ち消すことができる。
空間的および時間的な和集合 Summation
和周波とは、複数の同時入力（空間的和周波）と繰り返し入力（時間的和周波）の両方から、興奮性信号と抑制性信号の複合効果によってニューロンが発火するかどうかを決定するプロセスである。
興奮性シナプス後電位 (EPSP:Excitatory PostSynaptic Potential)と抑制性シナプス後電位(IPSP:Inhibitory PostSynaptic Potential)は、シナプス後ニューロンが受け取ったすべての興奮性信号と抑制性信号を組み合わせて活動電位を発生させるかどうかを決定するときに、互いに作用し合う。この段階で起こりうる総和には、2つのタイプがある。
- 空間的総和：シナプス後電位がすべて異なる場所で、ほぼ同時に発生したときに起こる。
- 時間的総和：すべてのシナプス後電位が同じ場所で、わずかに異なる時間に発生するときに起こる。
例えば、2つの異なる樹状突起からシナプス後ニューロンに到着した興奮性信号（EPSP）が２つある場合、それらは単独では活動電位の閾値に到達することができないが、合計して閾値に到達させ、シナプス後ニューロンの活動電位を引き起こすことは可能である。抑制性の信号（IPSP）も別の樹状突起から入ってくれば、これは2つのEPSPを打ち消し、ニューロンが活動電位を発火するのを妨げることができる。これは空間的総和の例である。
同じ2つのEPSPがシナプス前細胞からシナプス後細胞に到達しても、そのタイミングがわずかに異なれば、活動電位を発火させることができる。これは、シナプス後電位が瞬間的なものではなく、しばらく神経細胞内にとどまって消滅するためである。1つのEPSPが先に到着してまだ消散していなければ、2つ目のEPSPが到着したときに、それらが合算されて活動電位の閾値に達することができる。これが時間的総和の一例である。
神経伝達物質の再吸収
シナプスが効果的に機能するためには、信号が送られるとそれらが遮断される必要がある。この信号の終了により、シナプス後神経細胞は静止電位状態に戻り、新しい信号画来た時に反応する準備が整う。神経伝達物質がシナプス間隙に放出されても、そのすべてが次のニューロンの受容体に結合できるわけではない。シナプス間隙はシグナルの終了時にすべての神経伝達物質を除去しなければなりませんが、これは酵素によって分解されるか、拡散されるか、あるいは再取込が行われるかのいずれかによって行われる。
再吸収とは、シナプス前細胞から神経伝達物質が放出された神経伝達物質がシナプス前細胞に再吸収されることである。シナプス前膜のトランスポータータンパク質が、シナプス間隙から神経伝達物質を取り出し、シナプス前細胞に運び戻す。神経伝達物質はその後、シナプス小胞に再装填され、次に再び必要となる時まで保存されるか、酵素により分解される。セロトニンは神経伝達物質の一種で、気分、性欲、食欲、睡眠、記憶など、さまざまな心理的、身体的機能に関連している。このセロトニンの再吸収が過剰になり、神経細胞間のセロトニン伝達のバランスが崩れると、気分障害、特にうつ病の原因となる。
シナプスの可塑性
可塑性とは、成長や再編成によって、何かを変化させたり適応させたりできるということである。以前はシナプスは一度形成されると永遠に変わらずに存在すると信じられていた。しかし、現在では、活動や活動の欠如がシナプスの強さに影響を与え、脳内のシナプスの数や構造さえも変化させることが研究により明らかとなっている。シナプスを使えば使うほど、シナプスは強くなり、シナプス後の神経細胞に影響を与えることができるようになる。逆に、シナプスを十分に使用しないと、シナプスが弱くなり、長期的に有害な影響を及ぼす可能性がある。シナプスの可塑性が記憶の保存に寄与している可能性が高いことから、それ以来、神経科学の分野で最も熱心に研究されているテーマの一つとなっている。
シナプス可塑性の機能とは？
シナプス可塑性は、2つの神経細胞が互いにどの程度効果的にコミュニケーションをとるかを制御する。つまり、シナプスの活性の増加や減少に対応して、時間の経過とともにシナプスを強化したり弱めたりする。シナプスの強さは静的なものではなく、短期的にも長期的にも変化しうるものである。シナプスの可塑性とは、このようなシナプスの強さの変化を指す。
シナプスに放出される神経伝達物質の量の変化や、細胞がそれらの神経伝達物質に効果的に反応する方法の変化など、シナプス可塑性を実現するために協力するメカニズムがいくつかある。興奮性シナプスおよび抑制性シナプスどちらもシナプス可塑性は、シナプス後カルシウム放出に依存することが分かっている。
この記事の著者：仲田洋美医師
医籍登録番号 第371210号
日本内科学会 総合内科専門医 第7900号
日本臨床腫瘍学会 がん薬物療法専門医 第1000001号
臨床遺伝専門医制度委員会認定 臨床遺伝専門医 第755号
プロフィール
この記事の筆者：仲田洋美（医師）
