小脳

表面の外観に基づいて、小脳内には3 つの葉を区別することができます。前葉(一次溝の上)、後葉(一次溝の下)、および小脳片葉(後溝の下) です。これらの葉は、小脳を吻側から尾側 (ヒトでは上から下) に分割します。しかし、機能的には、内側から外側への次元に沿ってより重要な区別があります。明確な接続と機能を持つ小脳片葉を除くと、小脳は、脊髄小脳と呼ばれる内側領域と、大脳小脳と呼ばれるより大きな外側領域に機能的に分割できます。^{[ 14 ]}正中線に沿って突出した組織の狭い帯は、小脳虫部と呼ばれます。 （Vermisはラテン語で「虫」を意味する。）^{[ 14 ]}

最も小さい領域である小脳片葉は、しばしば前庭小脳と呼ばれます。進化的に最も古い部分（原始小脳）であり、主にバランスと空間定位に関与しています。主な接続は前庭神経核ですが、視覚やその他の感覚入力も受け取ります。この領域が損傷すると、バランスと歩行の障害を引き起こします。^{[ 14 ]}

前葉と後葉の内側領域は脊髄小脳（古小脳とも呼ばれる）を構成します。小脳のこの領域は主に体と四肢の動きを微調整する機能を持ちます。脊髄の背側柱（脊髄小脳路を含む）と三叉神経、視覚系と聴覚系から固有受容感覚入力を受け取ります。^{[ 15 ]}深部小脳核に線維を送り、そこから大脳皮質と脳幹の両方に投射され、下行性運動系の調節が行われます。^{[ 14 ]}

外側領域は、ヒトでは圧倒的に大きい部分であり、大脳小脳、別名新小脳を構成します。これは、橋核を介して（皮質橋小脳経路を形成する）大脳皮質（特に頭頂葉）からのみ入力を受け取り、主に腹外側視床（大脳皮質の運動前野と一次運動野の運動領域に接続）と赤核に出力を送ります。^{[ 14 ]}外側小脳の機能を説明する最良の方法については意見が分かれています。それは、これから起こる運動の計画^{[ 16 ]}、行動のための感覚情報の評価^{[ 14 ]}、および特定の名詞に最も適した動詞を決定する（「椅子」に対して「座る」など）といった、純粋に認知的な機能に関与していると考えられています。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

小脳皮質の最上層は分子層です。この層には、プルキンエ細胞の扁平な樹状突起と、顆粒層からプルキンエ細胞の樹状突起に直角に侵入する膨大な数の平行線維が含まれています。分子層には、星状細胞とバスケット細胞という2種類の抑制性介在ニューロンも含まれています。星状細胞とバスケット細胞はどちらも、プルキンエ細胞の樹状突起にGABA作動性シナプスを形成します。^{[ 11 ]}

Purkinje cells are among the most distinctive neurons in the brain, and one of the earliest types to be recognized—they were first described by the Czech anatomist Jan Evangelista Purkyně in 1837. They are distinguished by the shape of their dendritic tree: the dendrites branch very profusely, but are severely flattened in a plane perpendicular to the cerebellar folds. Thus, the dendrites of a Purkinje cell form a dense planar net, through which parallel fibers pass at right angles.^[11] The dendrites are covered with dendritic spines, each of which receives synaptic input from a parallel fiber. Purkinje cells receive more synaptic inputs than any other type of cell in the brain—estimates of the number of spines on a single human Purkinje cell run as high as 200,000.^[11] The large, spherical cell bodies of Purkinje cells are packed into a narrow layer (one cell thick) of the cerebellar cortex, called the Purkinje layer. After emitting collaterals that affect nearby parts of the cortex, their axons travel into the deep cerebellar nuclei, where they make on the order of 1,000 contacts each with several types of nuclear cells, all within a small domain. Purkinje cells use GABA as their neurotransmitter, and therefore exert inhibitory effects on their targets.^[11]

Purkinje cells form the heart of the cerebellar circuit, and their large size and distinctive activity patterns have made it relatively easy to study their response patterns in behaving animals using extracellular recording techniques. Purkinje cells normally emit action potentials at a high rate even in the absence of the synaptic input. In awake, behaving animals, mean rates averaging around 40 Hz are typical. The spike trains show a mixture of what are called simple and complex spikes. A simple spike is a single action potential followed by a refractory period of about 10 ms; a complex spike is a stereotyped sequence of action potentials with very short inter-spike intervals and declining amplitudes.^[23] Physiological studies have shown that complex spikes (which occur at baseline rates around 1 Hz and never at rates much higher than 10 Hz) are reliably associated with climbing fiber activation, while simple spikes are produced by a combination of baseline activity and parallel fiber input. Complex spikes are often followed by a pause of several hundred milliseconds during which simple spike activity is suppressed.^[24]

A specific, recognizable feature of Purkinje neurons is the expression of calbindin.^[25] Calbindin staining of rat brain after unilateral chronic sciatic nerve injury suggests that Purkinje neurons may be newly generated in the adult brain, initiating the organization of new cerebellar lobules.^[26]

Cerebellar granule cells, in contrast to Purkinje cells, are among the smallest neurons in the brain. They are also the most numerous neurons in the brain: In humans, estimates of their total number average around 50 billion, which means that about 3/4 of the brain's neurons are cerebellar granule cells.^[11] Their cell bodies are packed into a thick layer at the bottom of the cerebellar cortex. A granule cell emits only four to five dendrites, each of which ends in an enlargement called a dendritic claw.^[11] These enlargements are sites of excitatory input from mossy fibers and inhibitory input from Golgi cells.^[11]

The thin, unmyelinated axons of granule cells rise vertically to the upper (molecular) layer of the cortex, where they split in two, with each branch traveling horizontally to form a parallel fiber; the splitting of the vertical branch into two horizontal branches gives rise to a distinctive "T" shape. A human parallel fiber runs for an average of 3 mm in each direction from the split, for a total length of about 6 mm (about 1/10 of the total width of the cortical layer).^[11] As they run along, the parallel fibers pass through the dendritic trees of Purkinje cells, contacting one of every 3–5 that they pass, making a total of 80–100 synaptic connections with Purkinje cell dendritic spines.^[11] Granule cells use glutamate as their neurotransmitter, and therefore exert excitatory effects on their targets.^[11]

顆粒細胞は、入力のすべてを苔状線維から受け取りますが、その数は苔状線維の200倍です（ヒトの場合）。したがって、顆粒細胞集団の活動状態の情報は、苔状線維の情報と同じですが、はるかに広範囲な方法で再コード化されています。顆粒細胞は非常に小さく、非常に密集しているため、行動中の動物でそのスパイク活動を記録することは難しく、理論化の基礎として使用できるデータはほとんどありません。顆粒細胞の機能に関する最も一般的な概念は、1969年にDavid Marrによって提唱されたもので、顆粒細胞は苔状線維入力の組み合わせを符号化できると示唆しました。この考えでは、各顆粒細胞は4～5本の苔状線維からのみ入力を受け取るため、入力のうち1本だけが活動している場合は顆粒細胞は反応せず、複数の入力が活動している場合は反応します。この組み合わせ符号化スキームにより、小脳は苔状線維だけでは不可能なほど細かい入力パターンの区別を行うことができる可能性があります。^{[ 27 ]}

苔状線維は、その起始点から顆粒層に入り込みます。その多くは橋核から、その他は脊髄、前庭核などから発生します。ヒトの小脳では、苔状線維の総数は2億本と推定されています。^{[ 11 ]}これらの線維は、顆粒細胞および小脳深部核の細胞と興奮性シナプスを形成します。顆粒層内では、苔状線維はロゼットと呼ばれる一連の膨大部を生成します。苔状線維と顆粒細胞の樹状突起との接触は、糸球体と呼ばれる構造内で起こります。各糸球体の中心には苔状線維のロゼットがあり、最大20本の顆粒細胞の樹状突起爪がそれに接触しています。ゴルジ細胞からの終末は構造内に侵入し、顆粒細胞の樹状突起に抑制性シナプスを形成します。全体はグリア細胞の鞘に囲まれている。^{[ 11 ]}各苔状線維は複数の小脳葉に側枝を送り、合計20～30個のロゼットを形成する。したがって、1本の苔状線維は推定400～600個の顆粒細胞と接触する。^{[ 11 ]}

プルキンエ細胞は、登上線維を介して脳幹の反対側にある下オリーブ核からも入力を受け取ります。下オリーブ核は延髄にあり、脊髄、脳幹、大脳皮質から入力を受け取りますが、その出力はすべて小脳に送られます。登上線維は、小脳皮質に入る前に深部小脳核に側枝を出し、そこで約10本の終末枝に分かれ、それぞれが1つのプルキンエ細胞に入力を送ります。^{[ 11 ]}平行線維からの10万を超える入力とは著しく対照的に、各プルキンエ細胞は正確に1本の登上線維から入力を受け取りますが、この1本の線維はプルキンエ細胞の樹状突起を「登り」、樹状突起に巻き付きながら、合計で最大300個のシナプスを形成します。^{[ 11 ]}正味の入力は非常に強く、登上線維からの単一の活動電位でプルキンエ細胞に拡張複合スパイクを発生させることができます。これは、振幅が徐々に減少する複数のスパイクが連続して発生し、その後、活動が抑制される休止期間が続くものです。登上線維シナプスは細胞体と近位樹状突起を覆っており、この領域には平行線維からの入力はありません。^{[ 11 ]}

登上線維は発火頻度が低いものの、1本の登上線維の活動電位が標的プルキンエ細胞に複数の活動電位のバースト（複合スパイク）を引き起こします。プルキンエ細胞への平行線維と登上線維の入力の対比（一方のタイプが10万本以上であるのに対し、もう一方のタイプはわずか1本）は、おそらく小脳の解剖学的特徴の中で最も刺激的なものであり、多くの理論構築の動機となっています。実際、登上線維の機能は小脳に関する最も議論の多いトピックです。登上線維の入力は主に学習信号として機能するというマールとアルバスの説に倣う2つの学派があり、その機能は小脳の出力を直接形成することにあるという学派があります。どちらの見解も数多くの出版物で詳細に擁護されています。あるレビューでは、「登攀線維の機能に関するさまざまな仮説を統合しようとすると、エッシャーの絵を見ているような感覚になる。それぞれの視点は特定の一連の発見を説明しているように見えるが、異なる視点をまとめようとすると、登攀線維が何をしているのかという一貫した像は現れない。大多数の研究者にとって、登攀線維は、放電頻度変調という通常の方法、または「予期せぬ出来事」の単一の告知として、運動パフォーマンスのエラーを知らせる。他の研究者にとっては、そのメッセージは、登攀線維群間のアンサンブル同期とリズム性の程度にある。」^{[ 24 ]}

小脳深部核は、小脳の中心部にある白質内に存在する灰白質の集まりです。これらは、近くにある前庭核というわずかな例外を除いて、小脳からの唯一の出力源です。これらの核は、苔状線維と登上線維からの側枝投射と、小脳皮質のプルキンエ細胞からの抑制性入力を受け取ります。4つの核（歯状核、球状核、栓状核、室頂核）はそれぞれ、脳と小脳皮質の異なる部分と連絡しています。（球状核と栓状核は、介在核に統合されているとも呼ばれます。）室頂核と介在核は脊髄小脳に属します。哺乳類では他の核よりもはるかに大きい歯状核は、薄く複雑な灰白質の層として形成され、小脳皮質の外側部分とのみ連絡している。小脳片葉の小葉は、深部核に投射しない小脳皮質の唯一の部分であり、その出力は代わりに前庭核に送られる。^{[ 11 ]}

深部核のニューロンの大部分は、大きな細胞体と半径約400μmの球状の樹状突起を持ち 、神経伝達物質としてグルタミン酸を使用する。これらの細胞は、小脳外のさまざまな標的に投射する。それらに混じって、GABAを神経伝達物質として使用し、登上線維の供給源である下オリーブ核にのみ投射する小型細胞が少数存在する。したがって、核-オリーブ核投射は、登上線維の核への興奮性投射に一致する抑制性フィードバックを提供する。核細胞の各小さなクラスターは、登上線維を送るオリーブ核細胞の同じクラスターに投射するという証拠があり、両方向に強く一致する地形が存在する。^{[ 11 ]}

プルキンエ細胞の軸索が深部核のいずれかに入ると、大小両方の核細胞と接触するように分岐しますが、接触する細胞の総数は約35個（ネコの場合）にすぎません。逆に、1つの深部核細胞は約860個のプルキンエ細胞から入力を受けます（これもネコの場合）。^{[ 11 ]}

肉眼解剖学の観点から見ると、小脳皮質は均質な組織のシートのように見え、微細解剖学の観点から見ると、このシートのすべての部分は同じ内部構造を持っているように見える。しかし、小脳の構造はいくつかの点で区画化されている。一般にゾーンとして知られる大きな区画があり、これらはマイクロゾーンとして知られるより小さな区画に分割することができる。^{[ 28 ]}

区画構造の最初の兆候は、小脳皮質のさまざまな部分の細胞の受容野の研究から得られました。^{[ 28 ]}体のさまざまな部分は小脳の特定の点にマッピングされますが、基本マップの繰り返しが多数あり、「断片的体性局在」と呼ばれる配置を形成しています。^{[ 29 ]}区画化のより明確な兆候は、特定の種類のタンパク質で小脳を免疫染色することによって得られます。これらのマーカーの中で最もよく知られているのは「ゼブリン」と呼ばれ、ゼブリンを染色すると、シマウマの縞模様を思わせる複雑なパターンが生じます。ゼブリンや他の区画化マーカーによって生成される縞は、小脳のひだに垂直に配向しています。つまり、内側外側方向には狭く、縦方向にははるかに広がっています。異なるマーカーは異なる縞のセットを生成し、幅と長さは位置に応じて変化しますが、すべて同じ一般的な形状をしています。^{[ 28 ]}

1970年代後半、オスカーソンは、これらの皮質領域をマイクロゾーンと呼ばれるより小さな単位に分割できると提唱した。^{[ 30 ]}マイクロゾーンは、すべて同じ体性感覚受容野を持つプルキンエ細胞のグループとして定義される。マイクロゾーンにはそれぞれ約1000個のプルキンエ細胞が含まれており、皮質褶に垂直な方向に細長い帯状に配置されていることがわかった。^{[ 28 ]}したがって、隣接する図に示すように、プルキンエ細胞の樹状突起はマイクロゾーンの伸びる方向と同じ方向に扁平化しており、平行線維はマイクロゾーンを直角に横切っている。^{[ 11 ]}

微小領域の構造を規定するのは受容野だけではありません。下オリーブ核からの登上線維入力も同様に重要です。登上線維の枝（通常約10本）は、通常、同じ微小領域に属するプルキンエ細胞を活性化します。さらに、同じ微小領域に登上線維を送るオリーブ核ニューロンはギャップ結合によって結合される傾向があり、これにより活動が同期し、微小領域内のプルキンエ細胞はミリ秒単位の時間スケールで相関した複合スパイク活動を示します。^{[ 28 ]}また、微小領域に属するプルキンエ細胞はすべて、深部小脳核内の同じ小さな出力細胞群に軸索を送ります。^{[ 28 ]}最後に、バスケット細胞の軸索は、内外側方向よりも縦方向にはるかに長いため、ほぼ単一の微小領域に限定されます。^{[ 28 ]}この構造の結果として、微小領域内の細胞間相互作用は、異なる微小領域間の相互作用よりもはるかに強くなる。^{[ 28 ]}

2005年、リチャード・アップスとマーティン・ガルウィッツは、微小領域自体が、彼らが多領域微小複合体と呼ぶより大きな実体の一部を形成しているという証拠をまとめた。このような微小複合体には、空間的に分離された複数の皮質微小領域が含まれており、それらはすべて同じ深部小脳ニューロン群に投射している。さらに、結合したオリーブ核ニューロン群は、含まれるすべての微小領域と深部核領域に投射している。^{[ 28 ]}