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軸ねじれ理論（別名：軸ねじれ仮説）は、脊椎動物（人間を含む）の体構造のさまざまな特異な側面を説明するために提案された科学理論です。 [ 1 ]この理論では、頭部の吻側部分が体の残りの部分に対して「回転」しているとされています。[ 2 ]この末端部分は、顔（目、鼻、口）と脳の一部（大脳と視床）で構成されています。この理論によれば、脊椎動物の体は左手型キラリティを持っています。
軸ねじれ理論は、より限定された特定の側面に焦点を当てた他の多くの提案と競合しており、そのほとんどは、脳の左側が主に体の右側を制御し、その逆もまた然りという現象である対側前脳組織化を説明するものである。 [ 3 ]軸ねじれ理論を含め、この現象を説明する提案された理論はどれも一般的に認められていない。[ 4 ]提案された発達上のねじれの根底にある遺伝的基盤はまだ解明されていない。
軸ねじれ理論は、さまざまな解剖学的現象を説明し、頭の末端と体の残りの部分との間のねじれがどのように、いつ発生するのかを説明しています。また、進化の歴史の可能性についても説明しています。この理論の予測の1つは、耳顔面非対称性であり、これは後に経験的に発見されましたが、[ 5 ]元の理論の著者の1人によって発見されました。
この理論で説明できる現象には以下のようなものがある。
軸捻転発生モデルによれば、頭部の前部は内臓を除いて体の他の部分に対して回転する。この捻転により、前脳と顔面が回転し、成体脊椎動物では左右だけでなく前後も反転する。
19 世紀末、著名な神経科学者でノーベル賞受賞者のサンティアゴ・ラモン・イ・カハルは、前脳の対側組織を説明する理論を提唱し、それは急速に広く受け入れられた。[ 6 ] [ 4 ]この理論、視覚地図理論は、視交叉が網膜像を視覚皮質に復元すると提唱している。[ 7 ]カハルの理論は、1 世紀以上にわたって事実上異論なく受け入れられた。[ 8 ] [ 9 ]しかし、さらに多くの考えが提唱されている（「他の理論や仮説との関係」のセクションを参照）。
軸のねじれの発生学的発達は明確には研究されていませんが、ゼブラフィッシュとニワトリから明確な兆候があります。[ 1 ]ねじれは神経管形成の直後に始まり、頭尾方向（前から尾へ）に始まります。 [ 10 ]
フィリップ・ケラーの研究グループは、発生中のゼブラフィッシュ胚の各細胞を最初の心拍まで追跡した。[ 11 ]将来の眼領域と頭部の後部における細胞の動きを追跡した結果、軸のねじれに応じて反対方向の動きが明らかになった。タイムラプス動画で視覚化されたように、左眼領域の細胞は外側と下方（腹側）に移動する傾向があったのに対し、右眼領域の細胞は外側と上方に移動した。[ 12 ]一方、頭部の後部の表面細胞は、軸のねじれと一致して左に移動した。[ 1 ]
ヒナの発育はよく研究されている。発育は通常、ハンバーガー・ハミルトン段階に従って説明される。[ 13 ]ねじれはステージ6で頭部の吻側で始まり[ 14 ]、ステージ14まで心臓領域に向かって続く。[ 10 ]頭部の前部は右側が上向きに、左側が下向きに回転するのに対し、心臓領域は反対方向に移動する。最終的にヒナは右側を向いているが、ねじれに関与しない心臓は体の左側に着地する。[ 1 ]
軸方向のねじれは、反対方向の非対称的な発生によって生じます。これは、胚の前部から後部へと移動する波として観察できます。現在では、Nodalシグナル伝達カスケードと原始線条の繊毛細胞によって生成される右から左への流れが、非対称的な組織化を確立する上で中心的な役割を果たしていることがよく知られています。この成長波の3つの側面は次のとおりです。[ 1 ]
Nodal、FGF8、shh、およびモータータンパク質Kif5cは、前部原始結節の非対称成長と関連付けられていますが、非対称性の開始前に発現しているのはNodalだけのようです。[ 15 ] [ 16 ] Nodal遺伝子と亜鉛フィンガー遺伝子（cSnR）は、心臓の非対称発達を制御します。[ 17 ]体の右側への回転は、同じ遺伝的メカニズムと密接に関連しています。[ 17 ]
全前脳症では、大脳半球（またはその一部）が左右ではなく頭蓋骨の前頭側と後頭側のみに整列しており、頭部は通常非常に小さいままです。軸ねじれ理論によれば、これはヤコブレフのトルクの極端なケースを表しており、[ 18 ]大脳が初期胚発生中に回転しない場合に発生する可能性があります。[ 1 ]
頭蓋結合双生児またはヤニケプス双生児は、頭の両側にそれぞれ1つずつ、2つの顔を持って生まれる結合双生児です。これらの双生児は2つの脳と2つの脊髄を持っていますが、これらは体の左側と右側に位置しています。 [ 19 ]軸捻転モデルによると、体の複雑な構造のため、2つの神経系は回転できず、そのため両側に留まりました。[ 1 ]
軸のねじれはすべての脊椎動物の共通祖先で進化したと考えられているが、そのメカニズムは依然として推測の域を出ない。しかし、ねじれと非対称な発生は、棘皮動物、頭索動物、被嚢動物などの他の後口動物や腹足類でもよく知られている。[ 1 ]
De Lussanetらは、 2 つの可能性のある進化の起源を提唱している。1 つは、祖先の脊椎動物が、現代のカレイ類のように、自由遊泳性の幼生から底生性の成体へと移行する際に、左側に体を向けたというものである。もう 1 つの仮説は、脊椎動物の祖先が底生性の動物で、移動するために左側に体を向け、この体位が自由遊泳性の最後の共通祖先の向きへと進化したというものである。この 2 番目の仮説は、近縁の頭索動物の生活環と関連している。頭索動物は、最初は左側に口があり、その後腹側に移動するが、体軸のねじれはない。Dzikら(1995) の仮説に従って、de Lussanet は、2 番目の仮説が正しい場合、最初の段階は謎めいたエディアカラ紀の化石Dickinsoniaであり、2 番目の段階はカンブリア紀初期のYunnanozoonであると示唆している。[ 1 ]
最も遠縁の脊椎動物の系統である無顎類のヤツメウナギやヌタウナギでさえ、視交叉と左右対称の脳構造を持ち[ 20 ]、左心系と左右非対称の腸も持っている[ 21 ] 。また、すべての脊椎動物は前脳の左右対称構造を持っている[ 20 ] 。オルドビス紀以降の初期の脊椎動物の化石頭蓋骨の痕跡は、視交叉の存在を示している[ 22 ] 。
軸のねじれは脊椎動物の初期胚で起こる。動物には、性的選択（潜在的な配偶者にとって見た目が良い）と機能的選択（例えば、運動能力が良い）により、左右対称性への進化的な圧力がある。対称性が高くなるにつれて、進化的な圧力は低下する。したがって、身体の一部が体表面（性的選択が少ない）や運動系（機能的選択が少ない）との関連性が低くなるにつれて、圧力は低下する。[ 5 ]その結果、軸のねじれ理論は、体の外側には小さな系統的な非対称性が残り、体の内側ではこれらの非対称性が大きくなっていると予測する。[ 1 ] [ 23 ] [ 5 ]
前脳（大脳と視床）は主に体の反対側（および視覚世界）を表します。しかし、運動制御には通常、体の両側からの情報が必要なので、対側表現は決して絶対的なものではありません。むしろ、脳のほぼすべての領域が体の両側に接続しています。[ 26 ]
ヤコブレフのトルク[ 24 ]（別名「反時計回りの脳トルク」[ 27 ]）は、正常な脳の解剖学的特徴を指します。平均的に、前頭葉は左に非対称（右葉が左葉よりわずかに大きい）であるのに対し、後頭葉は右に非対称です。右皮質半球の中心溝と側頭葉は、左皮質半球のものよりも前方にあります。全体として、これらの非対称性は、大脳のわずかな回転（つまりトルク）に相当します。このような回転は、大脳が表面的な構造ではないことを考えると、軸ねじれ理論によって正確に予測されます。
トルクは、前頭部よりも後頭部でより強く現れる場合、 「後頭部屈曲」 [ 28 ]としても知られています。
脊椎はわずかに非対称です。健康な被験者では、胸椎（T6～T12椎骨）は平均して非対称で、正中線が右を向いています（T6では2.5°）。[ 25 ]したがって、ヤコブレフのトルクと脊椎の非対称性は、軸ねじれ理論で予測されているように、反対方向です。
右前脳が主に左半身を、左前脳が右半身を司るとすれば、前脳の後ろには主要な神経の交差部が存在するはずである。
解剖学的には、前脳の対側組織は、主要な交差（ラテン語で10を表す「deca」を大文字の「X」としたものに基づく）とキアズマ（ギリシャ語の大文字「Χ 」にちなむ）によって表されます。交差とは、中枢神経系内の軸索線維束の交差を意味します。このような交差の結果、大脳から基底核、小脳、脊髄への遠心性接続が交差し、脊髄、小脳、橋から視床への求心性接続が交差します。 [ 20 ]したがって、前脳の運動、体性感覚、聴覚、視覚の一次領域は、主に体の対側を表します。
前脳の求心性および遠心性接続のほとんどは、特に一次感覚および運動領域以外では、両側性の構成要素を持っています。 [ 26 ]
視覚系では、眼球とその筋肉はねじれの前方に位置し、感覚中枢と運動中枢はねじれの後方に位置する。したがって、発達中の神経は、起始部とは反対側に挿入部を求めると予測される。
脳神経のうち4つは眼に直接作用します。感覚神経が1つ、運動神経が3つです。視神経は感覚神経で、視交叉で正中線を横切ります。動眼神経、滑車神経、外転神経は運動神経で、1つまたは複数の眼筋を支配します。動眼神経は中枢神経系を出る前に正中線を横切ります。滑車神経は背側の視交叉で正中線を横切り、外転神経は同じ側の眼筋を支配します。[ 29 ]：図17.8
軸ねじれ理論に照らして、この複雑なパターンを理解することができる。目は、口や鼻と同様に、頭部の前部領域、つまりねじれの前方から発生する。前脳から発生する唯一の脳神経は嗅神経である（下記参照）。他のすべての脳神経は、ねじれの後方にある中枢神経系の領域から発生する。[ 1 ]
視神経は中脳の視蓋に挿入する。四肢動物や硬骨魚類では、視神経は前脳の視床の外側膝状体（LGN ）にも分岐するが、サメやエイなどの他の脊椎動物では分岐しない。サメでは、大脳の視覚中枢は視蓋から線維を得る。これらの線維は途中で再び正中線を横切るため、サメの大脳の各半球は同じ側の目を表す。[ 30 ] [ 31 ]このように、視索は軸捻転理論の予測にほぼ従う。LGNへの分岐は四肢動物にのみ存在し[ 29 ]、したがって一般的に脊椎動物の進化の後期に獲得されたものと理解され、例外となる。
外転神経核は橋に位置する。外転神経は、ヤツメウナギとヌタウナギを除くほとんどの脊椎動物の眼の外側直筋を支配している。 [ 21 ]したがって、外側直筋は他の眼筋とは独立して後に進化し、軸捻転モデルの例外となっていると考えられる。[ 1 ]
嗅索は視索と平行に走りますが、視交叉は形成しません。したがって、各嗅球は前頭大脳の同側の中心に接続します。これは、鼻が前脳とともにねじれる前頭部領域の一部であるため、軸ねじれ理論と完全に一致します。一次嗅覚中枢は大脳にあるため（嗅覚は大脳に由来する唯一の感覚です）、各嗅葉は同側の大脳によって表現されると予測され、実際その通りです。嗅索は視索に直接隣接していますが、視交叉は形成せず、大脳の同側側に挿入されます（図を参照）。
耳顔面非対称性とは、耳を通る軸に垂直な平面に対する顔（目、鼻、口）の位置を表します。グラフに示すように、非対称性は13歳まで減少します。軸のねじれは耳と顔の間にあるため、顔は左から正中線に向かって成長すると予測され、実際その通りです。[ 5 ]
体幹の内部器官は、運動や体外との機械的な関連性が最も低い部位であり、軸ねじれ理論によれば、体の中で最も非対称な部位であると予測される。昆虫や環形動物などの他の左右対称の動物は、内部も左右対称である。心臓の非対称な発達についてはよく研究されている。[ 17 ] [ 32 ]
心臓が左側に向いている理由という疑問は、軸ねじれ理論が発表される前から科学的研究の対象となっていたが、どの仮説も厳密な検証に耐えられなかった。[ 33 ]
消化管の非対称な向きと位置は、発生中に回転によって生じる（消化器系の発生を参照）。消化器官の側方位置は、すべての脊椎動物で同じ側にあり、肝臓と胆嚢は右側に、胃、膵臓、脾臓、結腸の最終ループは左側にある。[ 34 ]
軸ねじれ理論が網羅する全範囲を説明する他の理論や仮説は存在しないが、いくつかの理論や仮説は、さまざまな深さで個々の側面を扱っている。
1822年、フランスの動物学者エティエンヌ・ジェフロワ・サンティレールは、ザリガニ（節足動物）の背側と腹側の構造の配置が哺乳類とは逆であることに気づき、哺乳類や他の脊椎動物は上下逆になっていると提唱した。 [ 35 ] [ 36 ]前述のように、マルセル・キンスボーンは、体（体部）は反転しているが、頭部の前部は反転していない（体部ねじれ仮説）と提唱した。[ 2 ]
マルセル・キンスボーンの体性ねじれ仮説は、軸性ねじれ理論に最も密接に関連している。両理論は、 19世紀初頭の博物学者エティエンヌ・ジェフロワ・サンティレールによって背腹反転仮説の改良として提示された[ 1 ] [ 2 ]。軸性ねじれとは対照的に、体性ねじれは発達面を扱っていない。また、対側脳のみを説明し、内臓の向きは説明していない。[ 23 ]
脊椎の非対称性に関する仮説は発表されていません。心臓の左側の位置や腸および関連臓器の非対称な向きを説明する他の理論はありません。[ 25 ] [ 5 ]
対側脳（すなわち、左前脳は主に右半身を、右前脳は主に左半身を表す）の機能に関する仮説がいくつか提唱されている。最も有名なのはカハールの仮説である。
サンティアゴ・ラモン・イ・カハルの視覚地図理論は、視交叉が網膜像を視覚皮質に復元すると提唱している。[ 7 ] [ 8 ]この理論は今でも支持されているが、[ 4 ]いくつかの研究でこの理論の重大な欠陥が指摘されている。[ 1 ] [ 2 ] [ 39 ]最も重要なのは、視放線のループが、この理論の中心的な考え方である皮質への視覚投射の潜在的な修復を無効にしてしまうことである。また、この理論は、サメなどの重要な脊椎動物群には当てはまらない。なぜなら、サメの大脳には同側の視覚表現はあるが、対側の体性感覚および運動表現があるからである。[ 30 ] [ 31 ]
機能的[ 40 ] [ 41 ]または位相的[ 42 ]説明は、同側接続が交差接続と同じくらい重要であるため、うまくいかない。[ 43 ]さらに、これらの説明では、脳幹と小脳が体の同側組織になっている理由が未解決のままである。 [ 1 ]
ヤコブレフトルクは、脳内の特定の機能の側性化を反映していると考えられていることが多い。[ 24 ]
脳分割理論は、脳のサイズが大きくなると、偶然の対側組織が維持される可能性があると提唱しているが、[ 26 ]視交叉や、特に初期の形態ではほとんどの脊椎動物の前脳がかなり小さいことを説明するものではない。[ 44 ]
軸ねじれ理論は新しい科学分野であり、現在、それを直接扱った科学論文はごくわずかである。 [ 1 ] [ 2 ] [ 23 ] [ 5 ]非対称発生の遺伝的および胚発生学的メカニズムに関する研究は相当量存在するが、ねじれがどのように開始され、前頭部領域の左右軸と上下軸の反転がどのように確立されるかは未解決の問題である。
ねじれの発生学は、ニワトリとゼブラフィッシュでごく基本的なことしか研究されていない。[ 1 ]脊椎動物の系統間でのタイミングとメカニズムの違いは全く不明である。
軸のねじれの進化は未解決の問題である。軸のねじれの概念の創始者（de Lussanet & Osse、およびKinsbourne）は、軸のねじれは脊椎動物に普遍的であり、おそらくすべての脊索動物の特徴であると同意している。[ 1 ] [ 2 ]ナメクジウオなどの他の脊索動物の非対称な発達は詳細に研究されているが、軸のねじれ理論の観点からこの発達を分析した研究はない。さらに、他の後口動物、すなわち棘皮動物（ヒトデ、ウミユリなど）でさえ、顕著な非対称な発達と軸のねじれを示している。[ 45 ]このねじれは脊椎動物のねじれと驚くほど類似しているが、現在、この点について研究したことはない。最後に、非対称でねじれた発達は腹足類でよく知られており、脊椎動物の非対称な発達との関係は重要な問題である。
軸のねじれの発達の問題が、全前脳症[ 1 ]や脊柱側弯症[ 5 ]などの発達異常において中心的な役割を果たしている可能性があると提唱されているが、これらは調査されていない。