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| 人間の脳 | |
|---|---|
 解剖後に得られた人間の脳 | |
 人間の脳と頭蓋骨 | |
| 詳細 | |
| 前駆 | 神経管 |
| システム | 中枢神経系 |
| 動脈 | 内頸動脈、椎骨動脈 |
| 静脈 | 内頸静脈、内大脳静脈、 外静脈（上大脳静脈、中大脳静脈、下大脳静脈）、脳底静脈、小脳静脈 |
| 識別子 | |
| ラテン | 大脳 |
| ギリシャ語 | ἐγκέφαλος (エンケファロス) [1] |
| TA98 | A14.1.03.001 |
| TA2 | 5415 |
| ＦＭＡ | 50801 |
| 解剖学用語 [Wikidataで編集] | |
脳は人間の神経系の中心器官であり、脊髄とともに中枢神経系を構成します。脳は、大脳、脳幹、小脳から構成されます。脳は、感覚神経系から受け取った情報を処理、統合、調整することで、体のほとんどの活動を制御します。脳は、体の他の部分に送られた指示を統合します。脳は頭蓋骨に収められ、保護されています。
人間の脳の最大の部分である大脳は、2 つの大脳半球で構成されています。各半球には、白質で構成される内核と、灰白質で構成される外表面 (大脳皮質) があります。皮質には、外層である新皮質と、内側の異皮質があります。新皮質は 6 つのニューロン層で構成され、異皮質は 3 つまたは 4 つのニューロン層で構成されています。各半球は、前頭葉、側頭葉、頭頂葉、後頭葉の 4 つの葉に分かれています。前頭葉は、自制心、計画、推論、抽象的思考などの実行機能に関連しており、後頭葉は視覚に専念しています。各葉内では、皮質領域が感覚、運動、連合領域などの特定の機能に関連しています。左脳と右脳は形も機能もほぼ同様ですが、言語能力は左脳、視覚空間能力は右脳など、一部の機能は片側に関連付けられています。両半球は交連神経束によって接続されており、最大のものは脳梁です。
大脳は脳幹によって脊髄につながっています。脳幹は中脳、橋、延髄から構成されています。小脳は小脳脚と呼ばれる3対の神経管によって脳幹につながっています。大脳の中には脳室系があり、4つの相互につながった脳室で脳脊髄液が生成され循環しています。大脳皮質の下には、視床、視床上、松果体、視床下部、下垂体、視床下層など、いくつかの構造があります。扁桃体と海馬を含む辺縁系構造、前障、基底核のさまざまな核、前脳基底構造、および 3 つの脳室周囲器官。中面上にない脳構造は対になって存在し、たとえば、2 つの海馬と 2 つの扁桃体が存在します。
脳の細胞には、ニューロンとそれを支えるグリア細胞が含まれます。脳には 860 億個以上のニューロンと、ほぼ同数のその他の細胞があります。脳の活動は、ニューロンの相互接続と、神経インパルスに反応して神経伝達物質が放出されることによって可能になります。ニューロンは接続して神経経路、神経回路、および精巧なネットワーク システムを形成します。回路全体は神経伝達のプロセスによって駆動されます。
脳は頭蓋骨で保護され、脳脊髄液に浮いており、血液脳関門によって血流から隔てられています。しかし、脳は損傷、疾患、感染の影響を受けやすい状態にあります。損傷は外傷や、脳卒中と呼ばれる血液供給の喪失によって引き起こされることがあります。脳は、パーキンソン病、アルツハイマー病などの認知症、多発性硬化症などの変性疾患の影響を受けやすい状態です。統合失調症や臨床的うつ病などの精神疾患は、脳機能障害に関連していると考えられています。脳は、良性および悪性の腫瘍の発生部位となることもあり、これらのほとんどは体の他の部位から発生します。
脳の解剖学の研究は神経解剖学であり、脳の機能の研究は神経科学です。脳の研究にはさまざまな技術が使われています。顕微鏡で調べられる他の動物の標本は、伝統的に多くの情報を提供してきました。機能的神経画像や脳波記録（EEG）などの医療用画像技術は、脳の研究に重要です。脳損傷患者の病歴は、脳の各部分の機能に関する洞察を与えてきました。神経科学の研究は大幅に拡大しており、現在も研究が続けられています。
文化においては、心の哲学が何世紀にもわたり、意識の本質や心身問題という疑問に取り組もうとしてきた。疑似科学である骨相学は、19世紀に人格特性を皮質の領域に特定しようとした。SFでは、1942年の『ドノヴァンの脳』などの物語で脳移植が想像されている。
構造
大まかな解剖学
成人の脳の重さは平均で約1.2～1.4kg（2.6～3.1ポンド）で、これは体重全体の約2％に相当します[2] [3]。容積は男性で約1260cm3 、女性で約1130cm3です[4] 。個人差が大きく[4]、男性の標準基準範囲は1,180～1,620g（2.60～3.57ポンド）[5]、女性では1,030～1,400g（2.27～3.09ポンド）です[6] 。
大脳は大脳半球から成り、脳の最大の部分を形成し、他の脳構造の上に重なっています。[7]半球の外側の領域である大脳皮質は灰白質で、ニューロンの皮質層で構成されています。各半球は、前頭葉、頭頂葉、側頭葉、後頭葉の4つの主要な葉に分かれています。[8]一部の情報源では、中心葉、大脳辺縁葉、島葉という他の3つの葉も含まれています。[9]中心葉は中心前回と中心後回から成り、明確な機能的役割を果たすため含まれています。[9] [10]
脳幹は茎に似ており、中脳領域の始まりで大脳に付着し、大脳から出ています。脳幹には中脳、橋、延髄が含まれます。脳幹の後ろには小脳（ラテン語：小さな脳）があります。[7]
大脳、脳幹、小脳、脊髄は、髄膜と呼ばれる3つの膜で覆われています。膜は、丈夫な硬膜、中間のくも膜、より繊細な内側の軟膜です。くも膜と軟膜の間には、脳脊髄液を含むくも膜下腔とくも膜下槽があります。[11]大脳皮質の最も外側の膜は、グリア境界膜と呼ばれる軟膜の基底膜であり、血液脳関門の重要な部分です。[12] 2023年には、くも膜下リンパ様膜として知られる4番目の髄膜膜が提案されています。[13] [14]生きた脳は非常に柔らかく、柔らかい豆腐に似たゲル状の粘稠度をしています。[15]ニューロンの皮質層は脳灰白質の大部分を構成し、髄鞘化した軸索のより深い皮質下領域は白質を構成します。[7]脳の白質は脳全体の容積の約半分を占めます。[16]
人間の脳の構造と機能領域
大脳
大脳は脳の最大の部分であり、深い溝である縦溝によってほぼ対称的な左半球と右半球に分割されています。[17]葉間の非対称性は花弁として表されます。[18]半球は縦溝にまたがる5つの交連によって接続されており、これらのうち最大のものは脳梁です。[7]各半球は慣例的に4つの主要な葉 に分割されています。前頭葉、頭頂葉、側頭葉、後頭葉で、それらの上にある頭蓋骨に従って名前が付けられています。[8]各葉は1つまたは2つの特殊な機能に関連付けられていますが、それらの間には機能の重複があります。[19]脳の表面は尾根（脳回）と溝（脳溝）に折り畳まれており、その多くは前頭葉の前頭回や両半球の中心領域を分ける中心溝など、通常は位置に応じて名前が付けられています。二次ひだや三次ひだには多くの小さなバリエーションがあります。[20]
大脳の外側の部分は大脳皮質で、層状に配列した灰白質で構成されています。厚さは2～4ミリメートル（0.079～0.157インチ）で、深く折り畳まれて複雑な外観をしています。 [21]大脳皮質の下には大脳白質があります。大脳皮質の最大の部分は新皮質で、6つの神経層があります。大脳皮質の残りの部分は3層または4層の異皮質です。[7]
皮質は、ブロードマン野として知られる約50の異なる機能領域に分割されています。これらの領域は、顕微鏡で見ると明らかに異なります。[22]皮質は、運動皮質と感覚皮質という2つの主要な機能領域に分かれています。[23]一次運動皮質は、脳幹と脊髄の運動ニューロンに軸索を送り、前頭葉の後部、体性感覚野のすぐ前を占めています。一次感覚野は、視床の中継核を介して感覚神経と感覚神経路から信号を受け取ります。一次感覚野には、後頭葉の視覚皮質、側頭葉の一部と島皮質の聴覚皮質、および頭頂葉の体性感覚皮質が含まれます。皮質の残りの部分は連合野と呼ばれます。これらの領域は、感覚領域と脳の下部からの入力を受け取り、知覚、思考、意思決定などの複雑な認知プロセスに関与しています。[24]前頭葉の主な機能は、注意、抽象的思考、行動、問題解決タスク、身体的反応と性格を制御することです。[25] [26]後頭葉は最も小さい葉であり、その主な機能は視覚受容、視覚空間処理、運動、および色認識です。[25] [26]葉には楔形骨と呼ばれるより小さな後頭小葉があります。 側頭葉は、聴覚と視覚の記憶、言語、および一部の聴覚と発話を制御します。[25]
大脳には脳室があり、ここで脳脊髄液が生成され循環する。脳梁の下には透明中隔があり、これが側脳室を隔てる膜となっている。側脳室の下には視床があり、その前方と下方には視床下部がある。視床下部は下垂体に通じている。視床の後ろには脳幹がある。[27]
大脳基底核とも呼ばれる基底核は、行動や運動の調節に関与する半球の奥深くにある一連の構造です。[28]最大の構成要素は線条体で、他に淡蒼球、黒質、視床下核があります。[28]線条体は腹側線条体と背側線条体に分かれており、機能と接続に基づいてさらに細分化されています。腹側線条体は側坐核と嗅結節で構成され、背側線条体は尾状核と被殻で構成されています。被殻と淡蒼球は内包によって側脳室と視床から分離されていますが、尾状核は側脳室の周囲に広がり、その外側に隣接しています。[29]島皮質と線条体の間の外側溝の最も深い部分には、前障と呼ばれる薄い神経シートがあります。[30]
線条体の下と前方には、いくつかの基底前脳構造があります。これらには、基底核、ブローカ斜帯、無名質、内側中隔核が含まれます。これらの構造は、脳全体に広く分布する神経伝達物質アセチルコリンを生成するのに重要です。基底前脳、特に基底核は、中枢神経系から線条体と大脳新皮質への主要なコリン作動性出力であると考えられています。[31]
小脳
小脳は前葉、後葉、および片葉小葉に分かれています。[32]前葉と後葉は中央で小脳虫部でつながっています。[33]大脳皮質と比較すると、小脳の外側皮質ははるかに薄く、多数の湾曲した横溝に狭く溝が入っています。[33] 下から見ると、2つの葉の間に3番目の葉である片葉小葉があります。[34]小脳は頭蓋腔の奥、後頭葉の下にあり、繊維のシートである小脳テントによって後頭葉から分離されています。[35]
小脳は、小脳脚と呼ばれる3対の神経索によって脳幹につながっています。上部の対は中脳に、中部の対は延髄に、下部の対は橋につながっています。[33]小脳は、白質の内延髄と、豊かに折り畳まれた灰白質の外皮質で構成されています。[35]小脳の前葉と後葉は複雑な運動動作の調整と円滑化に役割を果たしているようで、片側結節性葉はバランスの維持に役割を果たしています[36]ただし、認知機能、行動機能、運動機能については議論があります。[37]
脳幹
脳幹は大脳の下にあり、中脳、橋、延髄から構成されています。脳幹は頭蓋骨の後ろ側、斜台と呼ばれる基底部に位置し、後頭骨の大きな開口部である大後頭孔で終わります。脳幹はその下で脊髄として続き、[38]脊柱によって保護されています。
12対の脳神経のうち10対[a]は脳幹から直接出てきます。[38]脳幹には多くの脳神経核と末梢神経核のほか、呼吸、眼球運動の制御、バランスなど多くの重要なプロセスの調節に関与する核も含まれています。 [39] [38]網様体、つまり不明瞭な核のネットワークは、脳幹内および脳幹に沿って存在します。[38]大脳皮質と体の他の部分との間で情報を伝達する多くの神経束は、脳幹を通過します。[38]
微細解剖学
人間の脳は主にニューロン、グリア細胞、神経幹細胞、血管で構成されています。ニューロンの種類には、介在ニューロン、ベッツ細胞を含む錐体細胞、運動ニューロン（上位運動ニューロンと下位運動ニューロン）、小脳プルキンエ細胞などがあります。ベッツ細胞は神経系で最大の細胞（細胞体の大きさで）です。[40]成人の脳には86±80億個のニューロンがあり、ほぼ同数（85±100億）の非ニューロン細胞が含まれていると推定されています。[41]これらのニューロンのうち、160億（19％）が大脳皮質にあり、690億（80％）が小脳にあります。[3] [41]
グリア細胞の種類には、アストロサイト（ベルクマングリアを含む）、オリゴデンドロサイト、上衣細胞（タニサイトを含む）、放射状グリア細胞、ミクログリア、およびオリゴデンドロサイト前駆細胞のサブタイプがある。アストロサイトはグリア細胞の中で最大のものである。アストロサイトは、細胞体から放射状に伸びる多くの突起を持つ星状細胞である。これらの突起のいくつかは、毛細血管壁の血管周囲端足として終わる。[42]皮質のグリア境界膜は、部分的に脳細胞を封じ込める役割を果たすアストロサイトの端足突起から構成されている。 [12]
肥満細胞は、脳内の神経免疫系で相互作用する白血球である。 [43]中枢神経系の肥満細胞は、髄膜を含む多くの構造に存在し、 [43]炎症状態で神経免疫反応を媒介し、特に脳内で血液脳関門が存在しない領域で、血液脳関門の維持を助ける。[43] [44]肥満細胞は、アレルギー反応、自然免疫と獲得免疫、自己免疫、炎症に影響を与えたり、調節したりするなど、体と中枢神経系で同じ一般的な機能を果たす。[43]肥満細胞は、病原体が消化管と中枢神経系の間で行われる生化学的シグナル伝達に影響を与えることができる主要なエフェクター細胞として機能する。[45] [46]
約400の遺伝子が脳特異的であることが示されています。すべてのニューロンでELAVL3が発現し、錐体細胞ではNRGNとREEP2も発現しています。神経伝達物質GABAの生合成に不可欠なGAD1は介在ニューロンで発現しています。グリア細胞で発現するタンパク質にはアストロサイトマーカーGFAPとS100Bが含まれ、ミエリン塩基性タンパク質と転写因子OLIG2はオリゴデンドロサイトで発現しています。[47]
脳脊髄液
脳脊髄液は、くも膜下腔、脳室系、脊髄の中心管で脳の周囲を循環する無色透明の細胞透過液です。また、くも膜下腔のくも膜下槽と呼ばれる隙間も満たしています。[48] 4つの脳室（2つの側脳室、1つの第三脳室、 1つの第四脳室）にはすべて、脳脊髄液を産生する脈絡叢が含まれています。[49]第三脳室は正中線上にあり、側脳室とつながっています。 [48]橋と小脳の間の脳中脳水道という単一の管が、第三脳室と第四脳室をつなげています。[50] 3つの独立した開口部、すなわち中央開口部と2つの側方開口部は、第四脳室から主要な槽の1つである大槽に脳脊髄液を排出する。ここから脳脊髄液は、くも膜と軟膜の間のくも膜下腔で脳と脊髄の周りを循環する。[48] 常時、約150mLの脳脊髄液が存在し、そのほとんどはくも膜下腔内にある。脳脊髄液は常に再生・吸収されており、約5～6時間に1回入れ替わる。[48]
グリンパティックシステムは、脳のリンパ排出システムとして説明されています。[51] [52]脳全体のグリンパティック経路には、脳脊髄液からの排出ルートと、硬膜洞に関連し、脳血管に沿って走る髄膜リンパ管からの排出ルートが含まれます。 [53] [54]この経路は、脳の組織から間質液を排出します。 [54]
血液供給
内頸動脈は脳の前部に酸素を含んだ血液を供給し、椎骨動脈は脳の後部に血液を供給します。[55]これらの2つの循環は、中脳と橋の間の脳脚間槽にある連結動脈の輪であるウィリス動脈輪で合流します。[56]
内頸動脈は総頸動脈の枝である。頸動脈は頸動脈管を通って頭蓋内に入り、海綿静脈洞を通ってくも膜下腔に入る。[57]次にウィリス動脈輪に入り、2つの枝、前大脳動脈が現れる。これらの枝は前方に進み、次に縦裂に沿って上方に進み、脳の前部と正中線部分に血液を供給する。[58] 1つまたは複数の小さな前交通動脈は、枝として現れた直後に2つの前大脳動脈に合流する。[58]内頸動脈は中大脳動脈として前方に進む。眼窩の蝶形骨に沿って横に移動し、次に島皮質を通って上方に進み、そこで最終枝が発生する。中大脳動脈は全長にわたって枝を送る。[57]
椎骨動脈は左右の鎖骨下動脈の枝として現れ、頸椎にある横孔を通って上方に進みます。それぞれの側は、延髄の対応する側に沿った大後頭孔から頭蓋腔に入ります。[57]椎骨動脈は3つの小脳枝のうちの1つに分岐します。椎骨動脈は延髄の中央部の前で合流して、より大きな脳底動脈を形成します。この動脈は、延髄と橋に血液を供給するために複数の枝を送り、他の2つの前小脳枝と上小脳枝を送ります。[59]最後に、脳底動脈は2つの後大脳動脈に分かれます。これらは、上小脳脚の周りを小脳テントの上部に沿って外側に進み、側頭葉と後頭葉に血液を供給するために枝を送ります。[59]各後大脳動脈は小さな後交通動脈を送り、内頸動脈と合流します。
血液排出
脳静脈は、脳から酸素を失った血液を排出する。脳には、主に2つの静脈網がある。1つは大脳の表面にあり3本の枝を持つ外部または表層網、もう1つは内部網である。これら2つの網は、吻合静脈を介して連絡している。 [60]脳静脈は、通常、頭蓋骨と硬膜の間に位置する硬膜静脈洞の大きな空洞に排出される。 [61]小脳と中脳からの血液は大脳静脈に排出される。脳幹の延髄と橋からの血液は、脊髄静脈または隣接する脳静脈に排出されるさまざまなパターンを示す。 [60]
脳深部の血液は静脈叢を通って、前部では海綿静脈洞、側部では上錐体静脈洞と下錐体静脈洞、後部では下矢状静脈洞に流れ込む。 [61]血液は外側の脳から、脳上部の正中線上にある大きな上矢状静脈洞に流れ込む。ここからの血液は、静脈洞の合流部で直静脈洞からの血液と合流する。[61]
ここからの血液は左右の横静脈洞に流れ込みます。[61]次に横静脈洞はS状結腸に流れ込み、海綿静脈洞と上錐体静脈洞、下錐体静脈洞から血液を受け取ります。S状結腸は大きな内頸静脈に流れ込みます。[61] [60]
血液脳関門
脳全体に張り巡らされた大動脈は、より小さな毛細血管に血液を供給している。脳内で最も細い血管は、タイトジャンクションで結合した細胞で覆われているため、他の毛細血管ほど体液が浸み込んだり漏れたりすることはなく、血液脳関門が形成される。[44] タイトジャンクションの形成には周皮細胞が主要な役割を果たす。 [62]この関門は大きな分子に対しては透過性が低いが、水、二酸化炭素、酸素、およびほとんどの脂溶性物質（麻酔薬やアルコールを含む）に対しては透過性がある。[44]血液脳関門は、松果体、最後野、視床下部の一部など、体液の変化に対応する必要がある脳の構造である脳室周囲器官には存在しない。[44]血液脳関門と同様の機能を果たす類似の血液脳脊髄液関門が存在するが、2つの関門システム間の構造的特徴が異なるため、異なる物質が脳内に輸送されるのを容易にする。 [44] [63]
発達
発生の第3週の初めに、胚の外 胚葉は神経板と呼ばれる厚い帯状組織を形成する。[64]発生の第4週までに神経板は広がり、広い頭端、より狭い中間部、狭い尾端を形成する。これらの膨らみは一次脳胞として知られ、前脳（前脳）、中脳（中脳）、後脳（菱脳）の始まりを表している。 [65] [66]
神経堤細胞（外胚葉由来）は神経襞の神経板の側縁に集まる。第4週、つまり神経管形成期には神経襞が閉じて神経管が形成され、神経堤細胞が神経堤に集まる。[67]神経堤は管の全長にわたっており、頭側端には頭側神経堤細胞、尾側には尾側神経堤細胞がある。神経堤から細胞が離れ、管内を頭尾方向（頭から尾へ）に波打って移動する。 [67]頭側端の細胞は脳を生じ、尾側端の細胞は脊髄を生じる。[68]
管は成長するにつれて曲がり、頭部に三日月形の大脳半球を形成します。大脳半球は32日目に初めて現れます。[69] 4週目の初めに、頭部が前方に大きく曲がり、頭屈曲します。[67]この屈曲した部分が前脳（前脳）になり、隣接する湾曲した部分が中脳（中脳）になり、屈曲部の尾側の部分が後脳（菱脳）になります。これらの領域は、3つの一次脳胞として知られる膨らみとして形成されます。発達の第5週までに、5つの二次脳胞が形成されます。[70]前脳は、前部終脳と後部間脳の2つの胞に分かれます。終脳からは、大脳皮質、基底核、および関連構造が生じます。間脳からは視床と視床下部が生じる。後脳も後脳と脊髄脳の2つの領域に分かれる。後脳からは小脳と橋が生じる。脊髄脳からは延髄が生じる。[71]また、第5週には脳は神経節と呼ばれる反復する部分に分裂する。[65] [72]後脳ではこれらは菱形小節として知られている。[73]
脳の特徴として、皮質の折り畳みが挙げられ、これは脳回形成と呼ばれています。出生前5か月強の発達では、皮質は滑らかです。妊娠24週までに、脳葉を特徴づける亀裂を示すしわのある形態が明らかになります。 [74]皮質にしわや折り畳みができる理由はよくわかっていませんが、脳回形成は知能や神経疾患と関連付けられており、いくつかの脳回形成理論が提唱されています。[74]これらの理論には、機械的座屈、[75] [19] 軸索張力、[76]および差動接線拡張に基づく理論が含まれます。[75]明らかなのは、脳回形成はランダムなプロセスではなく、むしろ個体間およびほとんどの種間で一貫した折り畳みのパターンを生成する、発達上事前に決定された複雑なプロセスであるということです。[75] [77]
4ヶ月目に最初に現れる溝は側頭大脳窩である。[69]半球の拡大する尾端は、限られたスペースに収まるように前方に曲がらなければならない。これが窩を覆い、側頭溝として知られるより深い隆起となり、これが側頭葉の境界となる。[69] 6ヶ月目までに、前頭葉、頭頂葉、後頭葉を区切る他の溝が形成される。[69]ヒトゲノムに存在する遺伝子（ARHGAP11B）は、脳回化と脳化に大きな役割を果たしている可能性がある。[78]
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4.5週目のヒト胎児の脳。前脳の内部が見える。 -
5週目の脳内部 -
3か月後に正中線で観察した脳
関数
モーター制御
前頭葉は推論、運動制御、感情、言語に関与している。前頭葉には、運動の計画と調整に関与する運動皮質、高次認知機能を担う前頭前野、言語生成に不可欠なブローカ野が含まれる。[79]脳の運動系は、運動の生成と制御を担っている。[ 80 ]生成された運動は脳から神経を介して体内の運動ニューロンに伝わり、運動ニューロンが筋肉の動作を制御する。皮質脊髄路は、脳から脊髄を介して胴体と手足に運動を伝える。[81]脳神経は、目、口、顔に関連する運動を伝える。
歩行や腕や脚の動きなどの粗大運動は運動野で生成され、運動野は３つの部分に分かれています。１つは一次運動野で、中心前回にあり、様々な体の部位の運動を担当する部分があります。これらの運動は一次運動野の前方にある運動前野と補足運動野という２つの領域によってサポートされ、制御されています。[82]手と口は他の体の部位よりも広い領域が使われており、より微細な運動が可能になっています。これは運動ホムンクルスで視覚化されています。[82]運動野から生成されたインパルスは延髄の前部に沿って皮質脊髄路に沿って進み、延髄錐体で交差します（交差します）。次に、これらは脊髄を下って行き、その大部分が介在ニューロンにつながり、次に灰白質内の下位運動ニューロンにつながり、そこから筋肉自体に運動のインパルスが伝達されます。[81]小脳と基底核は、微細で複雑かつ協調的な筋肉運動に役割を果たしています。[83]皮質と基底核の間の接続は、筋肉の緊張、姿勢、運動開始を制御し、錐体外路系と呼ばれています。[84]
感覚的
感覚神経系は、感覚情報の受信と処理に関与しています。この情報は、脳神経、脊髄の神経路、および血液にさらされている脳の中心部を通じて直接受信されます。[85]脳はまた、視覚、嗅覚、聴覚、味覚などの特別な感覚からの情報も受信し、解釈します。混合された運動信号と感覚信号も統合されます。[85]
皮膚からは、脳は微細な触覚、圧力、痛み、振動、温度に関する情報を受け取ります。関節からは、脳は関節の位置に関する情報を受け取ります。[86]感覚皮質は運動皮質のすぐ近くにあり、運動皮質と同様に、さまざまな体の部位の感覚に関連する領域があります。皮膚の感覚受容器によって収集された感覚は神経信号に変換され、脊髄の神経路を通って一連のニューロンに渡されます。脊柱内側毛帯経路には、関節の微細な触覚、振動、位置に関する情報が含まれています。経路の繊維は脊髄の後部を延髄の後部まで移動し、そこで2次ニューロンと接続し、すぐに正中線を越える繊維を送ります。これらの繊維は次に上方に移動して視床の腹側基底核複合体に入り、そこで3次ニューロンと接続し、感覚皮質まで繊維を送ります。[86]脊髄視床路は、痛み、温度、粗い触覚に関する情報を伝達します。経路繊維は脊髄を上っていき、痛みと温度については脳幹網様体の二次ニューロンに接続し、粗い触覚については視床の腹側基底複合体で終了します。[87]
視覚は、目の網膜に当たる光によって生成される。網膜の光受容器は、光の感覚刺激を電気神経信号に変換し、後頭葉の視覚皮質に送られる。視覚信号は視神経を通って網膜から出る。網膜の鼻側半分からの視神経線維は反対側に渡り、反対側の網膜の側頭側半分からの線維と結合して視索を形成する。目の光学系と視覚経路の配置により、左視野からの視覚は各網膜の右半分で受信され、右視覚皮質で処理され、その逆も同様である。視索線維は外側膝状体核で脳に達し、視放射線を通って視覚皮質に達する。[88]
聴覚と平衡感覚はどちらも内耳で生成される。音は最終的に聴覚器官へと続く耳小骨の振動をもたらし、平衡感覚の変化は内耳内の液体の動きをもたらす。これにより神経信号が生成され、前庭蝸牛神経を通過する。ここから蝸牛神経核、上オリーブ核、内側膝状体核を通り、最終的に聴覚放射となって聴覚皮質に伝わる。[89]
嗅覚は、鼻腔内の嗅粘膜上皮の受容体細胞によって生成される。この情報は、比較的透過性の高い部分を通って頭蓋骨に入る嗅神経を介して伝達される。この神経は嗅球の神経回路に伝達され、そこから情報は嗅皮質に伝達される。[90] [91]味覚は舌の受容体から生成され、顔面神経と舌咽神経に沿って脳幹の孤立核に伝達される。味覚情報の一部は、咽頭から迷走神経を介してこの領域に伝達される。情報はここから視床を介して味覚皮質に伝達される。[92]
規制
脳の自律機能には、心拍数や呼吸数の調節、つまりリズミカルな制御や、恒常性の維持などが含まれます。
血圧と心拍数は延髄の血管運動中枢の影響を受け、安静時に動脈と静脈をある程度収縮させる。これは、迷走神経を介して交感神経系と副交感神経系に影響を与えることによって行われる。[93]血圧に関する情報は、大動脈弓の大動脈小体の圧受容器によって生成され、迷走神経の求心性線維に沿って脳に伝えられる。頸動脈洞の圧力変化に関する情報は、頸動脈の近くにある頸動脈小体から得られ、舌咽神経と合流する神経を介して伝えられる。この情報は延髄の孤立核まで伝わる。ここからの信号は血管運動中枢に影響を与え、それに応じて静脈と動脈の収縮を調整する。[94]
脳は、主に延髄と橋の呼吸中枢によって呼吸の速度を制御している。 [95]呼吸中枢は、運動信号を発生させ、それが脊髄を下り、横隔膜神経に沿って横隔膜やその他の呼吸筋に伝わることで呼吸を制御している。これは、感覚情報を中枢に返す混合神経である。呼吸中枢は4つあり、そのうち3つはより明確に定義された機能を持ち、もう1つは機能がそれほど明確ではない無呼吸中枢である。延髄では、背側呼吸群が息を吸いたいという欲求を引き起こし、体から直接感覚情報を受け取る。また、延髄では、腹側呼吸群が運動中の呼気に影響を及ぼしている。橋では、呼吸調節中枢が各呼吸の持続時間に影響を及ぼし、[95]無呼吸中枢は吸入に影響を及ぼしているようである。呼吸中枢は、血液中の二酸化炭素とpH を直接感知する。血液中の酸素、二酸化炭素、pH レベルに関する情報も、大動脈小体と頸動脈小体の末梢化学受容器の動脈壁で感知されます。この情報は迷走神経と舌咽神経を介して呼吸中枢に伝達されます。二酸化炭素濃度が高い、酸性の pH、または酸素濃度が低いと、呼吸中枢が刺激されます。[95]息を吸いたいという欲求は、肺の肺伸張受容器によっても影響を受けます。肺伸張受容器が活性化されると、迷走神経を介して呼吸中枢に情報を送信し、肺が過度に膨張するのを防ぎます。[95]
間脳にある視床下部は、身体の多くの機能の調節に関与している。その機能には、神経内分泌調節、概日リズムの調節、自律神経系の調節、水分および食物摂取の調節などがある。概日リズムは、視床下部にある2つの主な細胞群によって制御されている。前視床下部には、視交叉上核と腹外側視索前核が含まれており、遺伝子発現サイクルを通じて、およそ24時間の概日時計を生成する。概日リズムの日中は、超日リズムが睡眠パターンを制御している。睡眠は身体と脳にとって不可欠な要件であり、身体のシステムを閉じて休ませることができる。脳に毎日蓄積される毒素が睡眠中に除去されることを示唆する研究結果もある。[96]起きている間、脳は身体の総エネルギー必要量の5分の1を消費する。睡眠は必然的にこの使用量を減らし、エネルギーを与えるATPの回復のための時間を与えます。睡眠不足の影響は睡眠の絶対的な必要性を示しています。[97]
外側視床下部には、上行性網様体賦活系への投射を通じて食欲と覚醒を制御するオレキシン作動性ニューロンが含まれる。[98] [99]視床下部は、オキシトシン、バソプレシンなどのペプチドやドーパミンを正中隆起に放出することで下垂体を制御している。視床下部は、自律神経投射を通じて、血圧、心拍数、呼吸、発汗、その他の恒常性維持機構などの機能の調節に関与している。[100]視床下部は体温調節にも関与しており、免疫系によって刺激されると発熱する。視床下部は腎臓の影響を受けており、血圧が下がると腎臓から放出されるレニンが飲水欲求を刺激する。視床下部は、自律神経信号を介して食物摂取量や消化器系によるホルモン放出も調節している。[101]
言語
言語機能は伝統的にウェルニッケ野とブローカ野に限定されていると考えられていたが[102]、現在ではより広範な皮質領域のネットワークが言語機能に寄与していることが広く認められている。[103] [104] [105]
言語が脳によってどのように表現され、処理され、獲得されるかを研究する分野は神経言語学と呼ばれ、認知神経科学、認知言語学、心理言語学から構成される大規模な学際分野です。[106]
側方化
大脳は対側構造になっており、脳の各半球は主に体の半分と相互作用します。つまり、脳の左側は体の右側と相互作用し、その逆も同様です。これは、発達上の軸のねじれによって引き起こされるという理論があります。[107]脳から脊髄への運動接続と、脊髄から脳への感覚接続は、どちらも脳幹で交差しています。視覚入力はより複雑なルールに従います。つまり、2つの目からの視神経は視交叉と呼ばれる点で集まり、各神経からの繊維の半分が他の神経に分岐します。[108]その結果、両目の網膜の左半分からの接続は脳の左側に行き、網膜の右半分からの接続は脳の右側に行くことになります。[109]網膜の各半分は視野の反対側の半分から来る光を受け取るので、機能的な結果として、世界の左側からの視覚入力は脳の右側に行き、その逆も同様です。[110]したがって、脳の右側は体の左側から体性感覚入力を受け取り、視野の左側から視覚入力を受け取ります。[111] [112]
脳の左側と右側は対称的に見えるが、機能は非対称である。[113]例えば、右手を制御する左半球の運動領域に対応するのは、左手を制御する右半球の領域である。しかし、言語と空間認知に関わる重要な例外がいくつかある。言語は左前頭葉が優位である。左半球の重要な言語領域が損傷すると、被害者は話したり理解したりできなくなる可能性があるが、[113]右半球に同等の損傷があっても、言語能力にわずかな障害しか生じない。
両脳半球間の相互作用に関する現在の理解の大部分は、「分離脳患者」の研究から得られたものです。分離脳患者とは、てんかん発作の重症度を軽減するために脳梁の外科的切断を受けた人々です。[114]これらの患者は、すぐにわかる異常な行動は示しませんが、右手で行動を起こし、左手でそれを元に戻すなど、同じ体の中にいる2人の人間のように行動する場合があります。[114] [115]これらの患者は、視線を固定した点の右側に絵を短時間見せると、それを言葉で説明できますが、絵が左側に示された場合は、説明できませんが、左手で示された物体の性質を示すことはできる場合があります。[115] [116]
感情
感情は一般的に、誘発、心理的感覚、評価、表現、自律神経反応、行動傾向を伴う2段階の多要素プロセスとして定義されています。 [117]基本的な感情を特定の脳領域に局在させる試みは議論を呼んでいます。一部の研究では、感情に対応する特定の場所の証拠は見つかりませんでしたが、一般的な感情プロセスに関与する回路が見つかりました。扁桃体、眼窩前頭皮質、中部および前部島皮質、外側前頭前野が感情の生成に関与しているように見えましたが、腹側被蓋野、腹側淡蒼球、側坐核がインセンティブ顕著性に関与しているという弱い証拠が見つかりました。[118]しかし、他の研究では、幸福における基底核、悲しみにおける脳梁下帯状皮質、恐怖における扁桃 体など、特定の領域の活性化の証拠が見つかりました。[119]
認知
脳は認知を担っており、[120] [121]数多くのプロセスと実行機能を通じて機能します。[121] [122] [123]実行機能には、注意制御と認知抑制によって情報をフィルタリングして無関係な刺激を排除する能力、作業記憶に保持されている情報を処理し操作する能力、認知的柔軟性によって複数の概念を同時に考えタスクを切り替える能力、抑制制御によって衝動と優勢な反応を抑制する能力、情報の関連性や行動の適切さを判断する能力が含まれます。[122] [123]高次の実行機能は、複数の基本的な実行機能の同時使用を必要とし、計画、予測、流動性知能（すなわち、推論と問題解決）が含まれます。[123]
前頭前皮質は実行機能の媒介において重要な役割を果たしている。[121] [123] [124]計画には背外側前頭前皮質（DLPFC）、前帯状皮質、角前頭前皮質、右前頭前皮質、および上縁回の活性化が関与する。[124]作業記憶の操作には、DLPFC、下前頭回、および頭頂皮質の領域が関与する。[121] [124] 抑制制御には、前頭前皮質の複数の領域、ならびに尾状核と視床下核が関与する。[123] [124] [125]
生理
神経伝達
脳の活動は、標的に到達するために互いにリンクされたニューロンの相互接続によって可能になります。 [126]ニューロンは、細胞体、軸索、樹状突起で構成されています。樹状突起は、他のニューロンの軸索末端から信号の形で情報を受け取る広範な枝であることがよくあります。受信した信号により、ニューロンは活動電位（電気化学信号または神経インパルス）を開始し、その活動電位は軸索に沿って軸索末端に送られ、樹状突起または他のニューロンの細胞体に接続します。活動電位は、特殊なタンパク質複合体を含む軸索の最初のセグメントで開始されます。 [127]活動電位が軸索末端に到達すると、シナプスで神経伝達物質の放出がトリガーされ、標的細胞に作用する信号が伝播します。[128]これらの化学的神経伝達物質には、ドーパミン、セロトニン、GABA、グルタミン酸、アセチルコリンが含まれます。[129] GABAは脳内の主要な抑制性神経伝達物質であり、グルタミン酸は主要な興奮性神経伝達物質である。[130]ニューロンはシナプスでつながって神経経路、神経回路、および顕著性ネットワークやデフォルトモードネットワークなどの大規模で精巧なネットワークシステムを形成し、それらの間の活動は神経伝達のプロセスによって駆動される。
代謝
脳は人体で消費されるエネルギーの最大20％を消費し、他のどの臓器よりも多くなっています。[131]人間では、血糖はほとんどの細胞の主なエネルギー源であり、脳を含む多くの組織の正常な機能に不可欠です。[132]人間の脳は、絶食して運動をしていない人の血糖の約60％を消費します。[132]脳の代謝は通常、エネルギー源として血糖に依存していますが、低血糖の状態（絶食、持久力運動、または炭水化物の摂取制限など）では、脳はケトン体を燃料として使用し、ブドウ糖の必要量が少なくなります。脳は運動中に乳酸も利用できます。[133]脳はグリコーゲンの形でブドウ糖を蓄えますが、その量は肝臓や骨格筋に含まれる量よりも大幅に少ないです。[134] 長鎖脂肪酸は血液脳関門を通過できませんが、肝臓はこれを分解してケトン体を生成します。しかし、短鎖脂肪酸（酪酸、プロピオン酸、酢酸など）と中鎖脂肪酸のオクタン酸とヘプタン酸は、血液脳関門を通過して脳細胞によって代謝される。[135] [136] [137]
人間の脳は体重のわずか2%を占めるに過ぎないが、心拍出量の15%、全身の酸素消費量の20%、全身のグルコース利用量の25%を受け取っている。[138]脳は主にグルコースをエネルギー源としており、低血糖症で起こることがあるグルコース欠乏は意識喪失につながる可能性がある。[139]脳のエネルギー消費は時間の経過とともに大きく変化しないが、皮質の活動領域は非活動領域よりもいくらか多くのエネルギーを消費し、これがPETやfMRIなどの機能的神経画像化法の基礎となっている。[140]これらの技術は代謝活動の3次元画像を提供する。[141]予備研究では、人間の脳の代謝必要量は約5歳でピークに達することが示された。[142]
睡眠の機能は完全には解明されていないが、睡眠は脳からの代謝老廃物の除去を促進し、その一部は潜在的に神経毒性があり、修復も可能にするという証拠がある。 [52] [143] [144]睡眠中の代謝老廃物の除去の増加は、グリンパティックシステムの機能増加を介して起こることを示唆する証拠がある。[52]睡眠は、不必要なつながりを弱めることによって認知機能にも影響を与える可能性がある。[145]
研究
脳は完全には理解されておらず、研究が続けられています。[146] 神経科学者は、関連分野の研究者とともに、人間の脳がどのように機能するかを研究しています。神経科学、神経学、精神医学などの他の分野の専門分野間の境界は、すべて神経科学の基礎研究の影響を受けているため、消えつつあります。
神経科学の研究は大幅に拡大した。 1990年代に米国政府が主導した「脳の10年」は、この研究の増加の大きな要因と考えられており、 [147] 2013年にはBRAINイニシアチブがそれに続いた。[148]ヒューマンコネクトームプロジェクトは、脳の各部位の解剖学的および機能的接続を分析するために2009年に開始された5年間の研究であり、多くのデータを提供した。[146]
研究の新たな段階は、脳の活動をシミュレートすることかもしれない。[149]
方法
人間の脳の構造と機能に関する情報は、動物や人間を含むさまざまな実験方法から得られます。脳外傷と脳卒中に関する情報は、脳の各部位の機能と脳損傷の影響に関する情報を提供してきました。神経画像は、脳を視覚化し、脳の活動を記録するために使用されます。電気生理学は、皮質の電気的活動を測定、記録、監視するために使用されます。測定は、皮質領域の局所的な電場電位、または単一のニューロンの活動に対して行われます。脳波図は、頭皮に非侵襲的に配置された電極を使用して皮質の電気的活動を記録できます。[150] [151]
侵襲的測定法には、脳の露出面に直接電極を配置する皮質電気記録法がある。この方法は皮質刺激マッピングで使用され、皮質領域とその全身機能の関係を研究するために使用される。[152]はるかに小さな微小電極を使用することで、単一のニューロンから単一ユニットの記録を行うことができ、高い空間分解能と高い時間分解能が得られる。これにより、脳の活動と行動を結び付け、ニューロンマップを作成することが可能になった。[153]
大脳オルガノイドの開発は、脳や皮質の成長を研究し、病気の進行を理解するための道を開き、治療への応用にもさらなる意味を与えている。[154] [155]
イメージング
機能的神経画像化技術は、特定の脳領域の機能に関連する脳活動の変化を示します。1つの技術は機能的磁気共鳴画像化（fMRI）で、従来のSPECTやPETに比べて放射性物質を使用する必要がなく、より高い解像度を提供できるという利点があります。[156]もう1つの技術は機能的近赤外線分光法です。これらの方法は、血流の変化に関連した脳活動の変化を示す血行動態反応に依存しており、脳領域への機能のマッピングに役立ちます。[157]安静時のfMRIは 、脳が特定のタスクを実行していないときの脳領域の相互作用を調べます。[158]これは、デフォルトモードネットワークを示すためにも使用されます。
あらゆる電流は磁場を発生させます。神経の振動は弱い磁場を誘発し、機能的磁気脳波計では、生成された電流から局所的な脳機能を高解像度で表示できます。[159] トラクトグラフィーでは、 MRIと画像解析を使用して脳の神経経路の3D画像を作成します。コネクトグラムは、脳の神経接続をグラフィカルに表現します。 [160]
脳の構造の違いは、統合失調症や認知症などのいくつかの疾患で測定できます。画像診断を用いたさまざまな生物学的アプローチにより、うつ病や強迫性障害などの疾患に対する理解が深まりました。脳領域の機能に関する重要な情報源は、それらの損傷の影響です。[161]
神経画像の進歩により、精神疾患に対する客観的な洞察が可能になり、診断の迅速化、予後の精度向上、モニタリングの改善につながっています。[162]
遺伝子とタンパク質の発現
バイオインフォマティクスは、データベースの作成と進歩、および計算と統計の手法を含む研究分野であり、特に遺伝子とタンパク質の発現の分野で人間の脳の研究に使用できます。バイオインフォマティクスとゲノミクス、機能ゲノミクスの研究により、遺伝子、その位置、機能を特定するトランスクリプトーム技術であるDNA アノテーションの必要性が生じました。[163] [164] [165] GeneCardsは主要なデータベースです。
2017年現在[アップデート]、ヒトでは2万個弱のタンパク質コード遺伝子が発現していることが確認されており、[163]これらの遺伝子のうち約400個は脳特異的です。[166] [167]脳内の遺伝子発現に関して提供されたデータは、多くの障害に関するさらなる研究を促しました。たとえば、長期にわたるアルコールの使用は、脳内の遺伝子発現の変化や、アルコール使用障害に関連する可能性のある細胞型特異的な変化を示しています。[168]これらの変化は前頭前野のシナプストランス クリプトームで確認されており、アルコール依存症、さらには他の薬物乱用を引き起こす要因と見られています。[169]
他の関連研究でも、老化した脳におけるシナプスの変化とその喪失の証拠が示されています。遺伝子発現の変化は、さまざまな神経経路のタンパク質のレベルを変え、シナプス接触の機能不全または喪失に明らかになっています。この機能不全は脳の多くの構造に影響を及ぼし、抑制性ニューロンに顕著な影響を及ぼし、神経伝達レベルの低下、それに続く認知機能の低下や疾患につながります。[170] [171]
臨床的意義
けが
脳損傷はさまざまな形で現れる。例えば、接触スポーツ、転倒、交通事故、労働災害などで受けた外傷性脳損傷は、即時の問題と長期的な問題の両方を伴う可能性がある。即時の問題には脳内出血が含まれる場合があり、これにより脳組織が圧迫されたり、血液供給が損なわれる可能性がある。脳に打撲が生じる可能性がある。打撲により神経管が広範囲に損傷し、びまん性軸索損傷の状態につながる可能性がある。[172]頭蓋骨骨折、特定部位の損傷、難聴、脳震盪も即時の発症の可能性がある。損傷部位に加えて、脳の反対側が影響を受ける可能性があり、これをコントルクー損傷と呼ぶ。発生する可能性のある長期的な問題には、心的外傷後ストレス障害や水頭症がある。慢性外傷性脳症は、頭部の多重損傷後に発症する可能性がある。[173]
病気
神経変性疾患は、脳のさまざまな機能に影響を及ぼすニューロンの進行性の損傷や喪失を引き起こし、加齢とともに悪化します。一般的なタイプは、アルツハイマー病、アルコール性認知症、血管性認知症、 パーキンソン病認知症などの認知症です。その他のまれな感染性、遺伝性、代謝性のタイプには、ハンチントン病、運動ニューロン疾患、HIV認知症、梅毒関連認知症、ウィルソン病などがあります。神経変性疾患は脳のさまざまな部分を侵し、運動、記憶、認知に影響を及ぼす可能性があります。[174]クロイツフェルト・ヤコブ病とその変異体、クールーなどのまれなプリオン病は、致命的な神経変性疾患です。[175]
脳動脈硬化症は脳に影響を及ぼす動脈硬化症である。脳の大きな動脈にコレステロールで形成されたプラークが蓄積することで起こり、軽度から重度まで様々である。重度になると、動脈が狭くなり血流が減少する。認知症の発症に寄与し、アルツハイマー病に見られるタンパク質と類似している。[176]
脳は血液脳関門によって保護されているが、ウイルス、細菌、真菌などの感染の影響を受ける可能性がある。感染は髄膜（髄膜炎）、脳実質（脳炎）、または脳実質内（脳膿瘍など）に起こる可能性がある。[175]
腫瘍
脳腫瘍は良性の場合も悪性の場合もあり、ほとんどの悪性腫瘍は体の他の部分から発生し、最も一般的なものは肺、乳房、皮膚です。[177]脳組織の癌も発生する可能性があり、脳内および脳周囲のあらゆる組織から発生します。脳周囲の髄膜の癌である髄膜腫は、脳組織の癌よりも一般的です。[177]脳内の癌は、大きさや位置に関連した症状を引き起こす可能性があり、頭痛や吐き気などの症状、または徐々に見えにくくなる、飲み込みにくくなる、話すのが難しくなる、気分が変わるなどの局所症状が徐々に進行します。[177]癌は一般的にCTスキャンやMRIスキャンを使用して調査されます。血液検査や腰椎穿刺などのさまざまな他の検査を使用して、癌の原因を調べ、癌の種類とステージを評価します。 [177]腫瘍周囲の脳組織の腫れを抑えるために、コルチコステロイドの デキサメタゾンがよく投与される。手術が考慮されることもあるが、多くの腫瘍の複雑な性質や腫瘍の進行度や種類によっては、放射線療法や化学療法がより適切と考えられる。[177]
精神障害
うつ病、統合失調症、双極性障害、心的外傷後ストレス障害、注意欠陥多動性障害、強迫性障害、トゥレット症候群、依存症などの精神疾患は、脳の機能に関連していることが知られています。[125] [129] [178]精神疾患の治療には、心理療法、精神医学、社会的介入、個人の回復活動、認知行動療法などが含まれますが、根本的な問題や関連する予後は個人によって大きく異なります。[179]
てんかん
てんかん発作は異常な電気活動に関連していると考えられている。[180]発作活動は意識消失、手足の動きや発話障害などの局所的影響として現れることもあれば、全般的な性質の場合もある。[180] てんかん重積とは、 5分以内に終息しない発作または一連の発作を指す。[181]発作には多くの原因があるが、多くの発作は明確な原因が見つからないまま起こる。てんかん患者の場合、さらなる発作の危険因子には、不眠、薬物やアルコールの摂取、ストレスなどがある。発作は、病歴や診察所見に基づいて、血液検査、脳波、さまざまな医療画像技術を使用して評価されることがある。[180]抗けいれん薬は、根本的な原因を治療し、危険因子への曝露を減らすことに加えて、さらなる発作を予防する役割を果たすことができる。[180]
先天性
テイ・サックス病[ 182]などの一部の脳疾患は先天性であり、遺伝子変異や染色体変異に関連しています。[ 183] 滑脳症として知られる先天性頭部疾患のまれなグループは、皮質の折り畳みの欠如または不十分さが特徴です。 [184]脳の正常な発達は、妊娠中に栄養不足[ 185]、 [ 186 ] 、催奇形性物質[186]、[187]、およびアルコール（胎児性アルコール症候群を引き起こす可能性がある）を含む娯楽用薬物の使用によって影響を受ける可能性があります。[185] [188] ほとんどの脳動静脈奇形は先天性であり、これらの絡み合った血管のネットワークは症状が現れない場合もありますが、最悪の場合、破裂して頭蓋内出血を引き起こす可能性があります。[189]
脳卒中
脳卒中は、脳の一部への血液供給が減少し、細胞死や脳損傷を引き起こす病気です。この病気は、顔面の垂れ下がり、腕の衰弱、発話障害（話すことや言葉を探すこと、文章を組み立てることなど）などの「FAST 」症状を含む、さまざまな症状を引き起こす可能性があります。 [190]症状は脳の影響を受けていた部分の機能に関係しており、脳卒中の可能性のある部位と原因を指摘することができます。運動、発話、または視覚の障害は通常、大脳に関係していますが、平衡感覚の喪失、複視、めまい、および体の片側以上に影響を及ぼす症状は通常、脳幹または小脳に関係しています。[191]
ほとんどの脳卒中は、典型的には塞栓、血栓を引き起こす脂肪性プラークの破裂、または小動脈の狭窄による血液供給の喪失によって起こります。脳卒中は脳内の出血によっても起こることがあります。[192]一過性脳虚血発作（TIA）は、症状が24時間以内に消失する脳卒中である。[192]脳卒中の調査には、医学的検査（神経学的検査を含む）と病歴の聴取が含まれ、症状の持続期間と危険因子（高血圧、心房細動、喫煙を含む）に重点が置かれます。[193]若年患者では更なる調査が必要です。[194]心房細動を特定するために心電図とバイオテレメトリーを実施することがあり、超音波検査で頸動脈の狭窄を調べることができます。心エコー検査は、心臓内の血栓、心臓弁の疾患、または卵円孔開存の有無を調べるために用いられる。[194]血液検査は、糖尿病検査や脂質プロファイルを含む精密検査の一環として日常的に行われる。[194]
脳卒中の治療には、一刻を争うものがあります。これには、虚血性脳卒中に対する血栓溶解または血栓の外科的除去、出血性脳卒中に対する減圧が含まれます。[195] [196]脳卒中は一刻を争うため、[197]病院や病院前治療でさえも、迅速な検査が行われます。通常、出血性脳卒中を調べるためのCTスキャンや、脳に血液を供給する動脈を評価するためのCTまたはMR血管造影検査が行われます。[194] MRIスキャンはそれほど広く利用されていませんが、特に虚血性脳卒中の場合、脳の影響を受けていた領域をより正確に示せる場合があります。[194]
脳卒中を経験した人は脳卒中ユニットに入院し、継続的な抗凝固薬（アスピリンやクロピドグレルなど）、降圧薬、脂質低下薬など、将来の脳卒中を予防するための治療が行われることがあります。[195]言語聴覚士、理学療法士、作業療法士、心理学者を含む学際的なチームは、脳卒中を患った人のサポートとリハビリに大きな役割を果たしています。[198] [194]脳卒中の既往歴があると認知症を発症するリスクが約70％増加し、最近の脳卒中はそのリスクを約120％増加させます。[199]
脳死
脳死とは、脳機能が完全に回復不能に失われることを指します。[200] [201]これは、昏睡、反射神経の喪失、無呼吸を特徴としますが、[200]脳死の宣告は地域によって異なり、常に受け入れられるわけではありません。[201]一部の国では、脳幹死という症候群も定義されています。[202]脳死の宣告は、医療上の無益性の原則の下で生命維持装置の取り外しを伴うため、[203]脳死の患者は臓器提供に適した臓器を持っていることが多いため、重大な意味を持つ可能性があります。[201] [204]このプロセスは、患者の家族とのコミュニケーション不足によって困難になることがよくあります。[205]
脳死が疑われる場合、電解質、神経学的、薬物関連の認知抑制などの可逆的な鑑別診断を除外する必要がある。 [200] [203]反射の検査[b]は、反応や呼吸の欠如と同様に、決定に役立つ可能性がある。[203]反応の完全な欠如、既知の診断、神経画像の証拠などの臨床観察はすべて、脳死を宣告する決定に影響を与える可能性がある。[200]
社会と文化
神経人類学は、文化と脳の関係を研究する学問です。脳がどのように文化を生み出し、文化が脳の発達にどのように影響するかを探ります。[206]文化の違いと脳の発達や構造との関係は、さまざまな分野で研究されています。[207]
心
心の哲学では、意識の理解の問題や心身問題などの問題を研究します。脳と心の関係は、哲学的にも科学的にも大きな課題です。これは、思考や感情などの精神活動が、ニューロンやシナプスなどの物理的構造、またはその他のタイプの物理的メカニズムによってどのように実行されるかを説明することが難しいためです。この困難は、ゴットフリート・ライプニッツによって「ライプニッツの風車」として知られるアナロジーで表現されました。
知覚とそれに依存するものは、機械的な原理、つまり図形や動作では説明できないことを認めざるを得ません。考え、感じ、知覚できる構造の機械があると想像すると、その機械を同じ比率のまま拡大し、風車のように中に入ることができると考えることができます。これを想定すると、機械の内部を訪れると、互いに押し合う部品しか見つからず、知覚を説明できるものは何も見つからないはずです。
- — ライプニッツ『モナド論』[209]
思考の機械論的説明の可能性に対する疑念が、ルネ・デカルトや彼に従った他のほとんどの哲学者を二元論、すなわち心はある程度脳から独立しているという信念へと駆り立てた。[210]しかし、反対の方向への強い議論は常に存在してきた。脳の物理的な操作や損傷（それぞれ、たとえば薬物や病変による）が、心に強力かつ密接な影響を与える可能性があるという明白な経験的証拠がある。[211] [212] 19世紀には、頑丈な鉄の棒が脳を貫通して負傷した鉄道労働者フィニアス・ゲージの事件が、研究者と一般の人々の両方に、認知機能が脳に局在していると確信させた。[208]この考え方に従えば、脳活動と精神活動の間に密接な関係があることを示す膨大な経験的証拠から、ほとんどの神経科学者や現代の哲学者は唯物論者となり、精神現象は究極的には物理現象の結果であるか、物理現象に還元できると信じるようになった。[213]
脳の大きさ
脳の大きさと人の知能は強く関連しているわけではない。[214]研究では、脳の容積とIQの間には小さいから中程度の相関関係（平均約0.3から0.4）があることが示されている。[215]最も一貫した関連性は、前頭葉、側頭葉、頭頂葉、海馬、小脳で観察されているが、これらはIQの比較的小さな変動を説明するだけであり、IQ自体は一般的な知能や現実世界でのパフォーマンスとは部分的な関係しかない。[216] [217]
クジラやゾウを含む他の動物は、人間よりも大きな脳を持っています。しかし、脳と体重の比率を考慮すると、人間の脳はバンドウイルカのほぼ2倍、チンパンジーの3倍の大きさです。しかし、比率が高いこと自体が知性を示すわけではありません。非常に小さな動物でも比率は高く、ツパイは哺乳類の中で最大の比率を持っています。[218]
大衆文化では
人体のさまざまな臓器の相対的な重要性に関する以前の考え方では、心臓が強調されることがありました。[219]対照的に、現代の西洋の一般的な概念では、脳 にますます重点が置かれています。[220]
研究により、脳に関するよくある誤解がいくつか否定されている。これには、古代と現代の両方の神話が含まれる。たとえば、ニューロンは2歳を過ぎると入れ替わらないというのは真実ではないし、普通の人間は脳の10%しか使っていないというのも真実ではない。[221]大衆文化では、脳の機能は脳の片側だけに完全に特有であると示唆することで、脳の側方化を単純化しすぎている。森昭雄は、長時間ビデオゲームをプレイすると脳の前頭前野が損傷し、感情や創造性の表現が損なわれるという、信頼性の低い理論を「ゲーム脳」という言葉で表現した。[ 222]
歴史的に、特に19世紀初頭には、脳は骨相学（大脳皮質のさまざまな領域に性格特性を割り当てる疑似科学）を通じて大衆文化に登場しました。大脳皮質は書籍や風刺で取り上げられるなど、大衆文化において重要な位置を占めています。[223] [224]
人間の脳は、脳移植やサイボーグ（部分的に人工的な脳のような機能を持つ存在）などのテーマで、SFに登場することがある。[225] 1942年のSF小説（映画化は3回されている）『ドノヴァンの脳』は、体外で生かされた隔離された脳が、徐々に主人公の人格を乗っ取っていく物語である。 [226]
歴史
初期の歴史
エドウィン・スミス・パピルスは紀元前17世紀に書かれた古代エジプトの 医学論文で、脳に関する最も古い記録が残っている。このパピルスには脳を表す象形文字が8回登場し、頭部の外傷2例の症状、診断、予後について説明している。パピルスには脳の外表面、損傷の影響（発作や失語症を含む）、髄膜、脳脊髄液について書かれている。[227] [228]
紀元前5世紀、マグナ・グレキアのクロトンのアルクマイオンが初めて脳を精神の座とみなした。[228]同じく紀元前5世紀のアテネでは、ヒポクラテス全集の一部で伝統的にヒポクラテスの著作とされる医学論文『神聖病論』の無名の著者が脳を知性の座とみなした。アリストテレスは生物学において、最初は心臓を知性の座とみなし、脳を血液の冷却機構とみなした。彼は、人間は獣よりも理性的である理由として、とりわけ熱血を冷やすために脳が大きいことを挙げた。[229]アリストテレスは髄膜について記述し、大脳と小脳を区別した。[230]
紀元前4世紀と3世紀にカルケドンのヘロフィロスは大脳と小脳を区別し、脳室について初めて明確な記述を行った。また、ケオスのエラシストラトスとともに生きた脳の実験を行った。彼らの著作は現在では大部分が失われており、私たちが彼らの業績について知っているのも主に二次資料によるものである。彼らの発見のいくつかは、彼らの死後1000年を経て再発見されなければならなかった。[228]紀元後2世紀、ローマ帝国時代の解剖学者ガレノスは、羊、猿、犬、豚の脳を解剖した。彼は、小脳は脳よりも密度が高いため筋肉を制御し、大脳は柔らかいため感覚を処理する場所であると結論付けた。ガレノスはさらに、動物の霊が脳室を移動することで脳が機能すると理論化した。[228] [229]
ルネッサンス
1316年、モンディーノ・デ・ルッツィの『解剖学』が脳解剖の近代的研究の始まりとなった。[231] ニッコロ・マッサは1536年に脳室が液体で満たされていることを発見した。[232] ローマのアルカンジェロ・ピッコロミーニは大脳と大脳皮質を区別した最初の人物であった。[233] 1543年、アンドレアス・ヴェサリウスは全7巻からなる『人体について』を出版した。[233] [234] [235]第7巻では脳と眼が取り上げられ、脳室、脳神経、下垂体、髄膜、眼の構造、脳と脊髄への血管供給、末梢神経の詳細な画像が掲載されている。[236]ヴェサリウスは、脳室が脳機能を担っているという一般的な考えを否定し、多くの動物が人間と同様の脳室系を持っているが、真の知性を持っていないと主張した。[233]
ルネ・デカルトは、脳と心の関係の問題に取り組むために二元論を提唱した。彼は、松果体は心が身体と相互作用する場所であり、魂の座であり、動物の魂が血液から脳に伝わる接続点であると主張した。 [232]この二元論は、後の解剖学者が脳解剖の解剖学的側面と機能的側面の関係をさらに探求するきっかけとなったと思われる。[237]
トーマス・ウィリスは、神経学と脳科学の研究における第二の先駆者と考えられている。彼は1664年に『脳の解剖学』（ラテン語：脳の解剖学）[c]を執筆し、続いて1667年に『脳病理学』を執筆した。これらの著書で、彼は小脳、脳室、大脳半球、脳幹、脳神経の構造を説明し、その血液供給を研究し、脳のさまざまな領域に関連する機能を提案した。[233]ウィリス脳環は、彼の脳の血液供給に関する研究にちなんで名付けられ、彼は「神経学」という言葉を初めて使用した。[238]ウィリスは、脳を検査する際に体から脳を取り出し、皮質は血管のみで構成されているという一般的な見解や、皮質は付随的に重要であるという過去2千年間の見解を否定した。[233]
19世紀半ば、エミール・デュ・ボワ＝レーモンとヘルマン・フォン・ヘルムホルツは検流計を使用して、神経に沿って電気インパルスが測定可能な速度で伝わることを証明し、神経インパルスは測定できない重要な機能であるという教師ヨハネス・ペーター・ミュラーの見解を反駁しました。 [239] [240] [241] リチャード・ケイトンは1875年にウサギとサルの大脳半球で電気インパルスを実証しました。[242] 1820年代には、ジャン・ピエール・フルーランが動物の脳の特定の部分を損傷し、それが運動や行動に与える影響を説明する実験方法を開発しました。[243]
近代
脳の研究は、1880年代に顕微鏡の使用とカミロ・ゴルジによる銀染色 法の開発によってさらに洗練されました。これにより、単一のニューロンの複雑な構造を示すことができました。 [244]これはサンティアゴ・ラモン・イ・カハールによって使用され、ニューロンが脳の機能単位であるという当時の革命的な仮説であるニューロン理論の形成につながりました。彼は顕微鏡を使用して多くの細胞タイプを発見し、観察した細胞の機能を提案しました。 [244]このため、ゴルジとカハールは20世紀の神経科学の創始者と見なされており、この分野での研究と発見により1906年にノーベル賞を受賞しました。 [244]
チャールズ・シェリントンは1906年に影響力のあった著書『神経系の統合的作用』を出版し、反射の機能、神経系の進化的発達、脳の機能的特殊化、中枢神経系の配置と細胞機能について検討した。[245] 1942年に彼は脳の隠喩として「魔法の織機」という用語を作った。ジョン・ファーカー・フルトンは神経生理学ジャーナルを創刊し、1938年に神経系の生理学に関する最初の包括的な教科書を出版した。 [246] 20世紀の神経科学は、デビッド・リオック、フランシス・O・シュミット、スティーブン・クフラーらがこの分野の確立に重要な役割を果たし、明確に統一された学問分野として認識され始めた。 [247]リオックは1950年代からウォルター・リード陸軍研究所で基礎的な解剖学と生理学の研究と臨床精神医学の統合を始めた。 [248]同じ時期に、シュミットは生物学、医学、心理学、行動科学を統合した大学間および国際組織である神経科学研究プログラムを設立しました。神経科学という言葉自体はこのプログラムに由来しています。[249]
ポール・ブローカは、脳損傷患者の研究に続いて、脳の領域を特定の機能、特にブローカ野の言語と関連付けました。 [250] ジョン・ヒューリングス・ジャクソンは、てんかん発作の体中での進行を観察することで、運動皮質の機能を説明しました。カール・ウェルニッケは、言語理解と生成に関連する領域を説明しました。コルビニアン・ブロードマンは、細胞の外観に基づいて脳の領域を分類しました。[250] 1950年までに、シェリントン、パペス、およびマクリーンは、脳幹と大脳辺縁系の機能の多くを特定しました。[251] [252]年齢とともに再編成および変化する脳の能力、および認識されている重要な発達期間には、1930年代から40年代にサルの実験を行ったマーガレット・ケナードによって開拓された神経可塑性によるものと考えられました。 [253]
ハーヴェイ・クッシング（1869-1939）は、世界初の有能な脳外科医として認められています。 [254] 1937年、ウォルター・ダンディは、頭蓋内動脈瘤の外科的クリッピングを初めて行い、血管神経外科の診療を開始しました。[255]
比較解剖学
人間の脳は、すべての脊椎動物の脳に共通する多くの特性を持っています。[256]その特徴の多くはすべての哺乳類の脳に共通しており、[257]最も顕著なのは6層の大脳皮質と一連の関連構造で、[258]海馬と扁桃体を含みます。[259]人間の皮質は、他の多くの哺乳類よりも比例して大きいです。[260]人間は、ネズミや猫などの小型哺乳類よりも多くの連合皮質、感覚器、運動器官を持っています。[261]
人間の脳は霊長類の脳であるため、体の大きさに比例してほとんどの哺乳類よりも大脳皮質が大きく、[259]高度に発達した視覚系を持っています。[262] [263]
ヒト科の脳であるヒトの脳は、典型的なサルの脳と比較してもかなり大きい。アウストラロピテクス（400万年前）からホモ・サピエンス（現代人）までの人類の進化の過程は、脳の大きさが着実に増加していることで特徴づけられた。[264] [265]脳の大きさが増加するにつれて、頭蓋骨の大きさと形が変化し、[266]ホモ・ハビリスの約600 cm 3からホモ・ネアンデルターレンシスの平均約1520 cm 3に変化した。[267] DNA、遺伝子発現、遺伝子と環境の相互作用の違いは、ヒトの脳機能と他の霊長類の脳機能の違いを説明するのに役立つ。[268]
参照
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ための最近説明されたシステムです。このモデルによると、脳脊髄液 (CSF) は脳の貫通動脈を囲む血管傍空間に入り、間質液 (ISF) および実質内の溶質と混ざり、排出静脈の血管傍空間に沿って排出されます。 ... Aβの除去に加えて、グリンパティックシステムは他の間質溶質や代謝物の除去にも関与している可能性がある。Lundgaardら（2017）は、覚醒時および睡眠時のマウスの脳および頸部リンパ節の乳酸濃度を測定することにより、乳酸が血管傍経路を介して中枢神経系から排出されることを実証した。彼らの分析は、グリンパティック機能が睡眠中に促進されるという実証済みの仮説を利用した（Xieら、2013年、Leeら、2015年、Liuら、2017年）。
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、注意欠陥多動性障害（ADHD、後述）など、優勢な反応が行動を支配する傾向がある状態では、重大な悪影響が生じる可能性があります。... ADHD は実行機能障害として概念化できます。具体的には、ADHD は行動の認知制御を発揮および維持する能力が低下することを特徴とするものです。健常者と比較すると、ADHD 患者は刺激に対する不適切な優勢な反応を抑制する能力が低下しており（反応抑制障害）、無関係な刺激に対する反応を抑制する能力も低下しています（干渉抑制障害）。... ヒトの機能的神経画像では、行動の抑制制御を必要とするタスクにおいて前頭前野と尾状核（背側線条体の一部）が活性化することが示されています。 ...構造MRIによる初期の結果では、ADHD患者の大脳の大部分で、同年齢の対照群と比較して、作業記憶と注意力に関わる前頭前野の領域を含む大脳皮質が薄いことが示されています。
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70 kg の人の血液中には、4 グラムのブドウ糖が循環しています。このブドウ糖は、多くの種類の細胞が正常に機能するために不可欠です。この 4 g のブドウ糖の重要性に応じて、血糖値を一定に保つための高度な制御システムが整備されています。私たちは、肝臓から血液へのブドウ糖の流れと、血液から骨格筋へのブドウ糖の流れが調節されるメカニズムに焦点を当ててきました。... 脳は、運動不足で絶食している人の血糖の約 60% を消費します。 ... 血液中のブドウ糖の量は、グリコーゲン貯蔵庫を犠牲にして維持されます (図 2)。吸収後のヒトでは、肝臓に約 100 g、筋肉に約 400 g のグリコーゲンがあります。運動中の筋肉による炭水化物の酸化は、運動により約 10 倍に上昇しますが、1 時間後には血糖値は約 4 g に維持されます。... 現在では、インスリンと運動の両方が GLUT4 の細胞膜への移行を引き起こすことが十分に確立されています。GLUT4 移行の基本プロセスを除き、[筋肉のブドウ糖取り込み (MGU)] は、運動とインスリンによって異なる方法で制御されます。収縮刺激による細胞内シグナル伝達 (52、80) と MGU (34、75、77、88、91、98) はインスリンに依存しません。さらに、血液から抽出されたブドウ糖の運命は、運動とインスリンに応じて異なります (91、105)。これらの理由から、血液から筋肉へのグルコースの流れに対する障壁は、MGU のこれら 2 つのコントローラーに対して独立して定義する必要があります。
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バルプロ酸の取り込みは、ヘキサノエート、オクタン酸、デカノエートなどの中鎖脂肪酸の存在下では減少したが、プロピオン酸や酪酸の存在下では減少しなかったことから、バルプロ酸は短鎖脂肪酸ではなく中鎖脂肪酸の輸送システムを介して脳に取り込まれることが示唆された。... これらの報告に基づくと、バルプロ酸は、排出と取り込みのためのモノカルボン酸感受性トランスポーターと中鎖脂肪酸感受性トランスポーターという2つの異なるメカニズムを介して、血液と脳の間でBBBを介して双方向に輸送されると考えられる。
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注記
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、人間の脳に関連するメディアがあります。
- 脳に関する事実と数字 – Washington.edu
- 人間の脳 – ナショナルジオグラフィック