樹状突起

樹状突起（ギリシャ語のδένδρον déndron、「木」に由来）またはデンドロンは、神経細胞から伸びる分岐した細胞質突起であり、他の神経細胞から受け取った電気化学刺激を、樹状突起が突出するニューロンの細胞体または細胞体に伝播します。電気刺激は、樹状突起全体のさまざまなポイントにある シナプスを介して、上流ニューロン（通常は軸索経由）によって樹状突起に伝達されます。

樹状突起はこれらのシナプス入力を統合し、ニューロンによって生成される活動電位の範囲を決定する上で重要な役割を果たします。 ^[1]

樹状突起は、ニューロンの細胞体から突出する2種類の細胞質突起のうちの1つで、もう1つは軸索です。軸索は、形状、長さ、機能など、いくつかの特徴によって樹状突起と区別できます。樹状突起は、形状が先細りで短いことが多いのに対し、軸索は一定の半径を維持する傾向があり、非常に長くなることがあります。通常、軸索は電気化学信号を送信し、樹状突起は電気化学信号を受け取りますが、特定の種の一部のニューロンには特殊な軸索がなく、樹状突起を介して信号を送信します。^{[3]樹状突起は、他のニューロンの}軸索末端から信号を受信するための拡大した表面積を提供します。^[4] 大きな錐体細胞の樹状突起は、約30,000個のシナプス前ニューロンから信号を受け取ります。^[5]興奮性シナプスは、神経伝達物質受容体が高密度に形成された樹状突起の小さな突起である樹状突起スパインで終結します。ほとんどの抑制性シナプスは樹状突起の軸に直接接触します。

シナプス活動は、樹状突起の細胞膜全体の電位の局所的な変化を引き起こす。この膜電位の変化は、樹状突起に沿って受動的に広がるが、活動電位がなければ距離とともに弱くなる。活動電位を生成するには、多くの興奮性シナプスが同時に活性化する必要があり、その結果、樹状突起と細胞体（ソマ）の強い脱分極が生じる。活動電位は、通常、軸索丘から始まり、軸索の長さに沿って軸索末端まで伝播し、神経伝達物質の放出を誘発するだけでなく、樹状突起に向かって逆方向にも伝播し（逆行伝播）、スパイクタイミング依存性可塑性（STDP）に重要な信号を提供する。^[4]

ほとんどのシナプスは軸索樹状突起シナプスであり、軸索が樹状突起に信号を送ります。また、樹状突起から別の樹状突起に信号を送る樹状突起シナプスもあります。 ^[6]オートパプとは、 1つのニューロンの軸索が自身の樹状突起に信号を伝達するシナプスです。

樹状突起の一般的な構造は、ニューロンを多極性、双極性、単極性に分類するために使用されます。多極性ニューロンは、1 つの軸索と多数の樹状突起で構成されています。錐体細胞は、ピラミッド型の細胞体と皮質の表面に向かって伸びる大きな樹状突起 ( 頂端樹状突起) を持つ多極性皮質ニューロンです。双極性ニューロンは、細胞体の反対側の端に 2 つの主要な樹状突起を持っています。多くの抑制性ニューロンはこの形態を持っています。昆虫に典型的な単極性ニューロンは、細胞体から伸びる茎を持ち、2 つの枝に分かれ、一方には樹状突起が含まれ、もう一方には末端ボタンが含まれます。脊椎動物では、触覚や温度を感知する感覚ニューロンは単極性です。^{[6] [7] [8]}樹状突起の分岐は広範囲に及ぶ場合があり、場合によっては 1 つのニューロンに 100,000 もの入力を受け取るのに十分です。^[4]

樹状突起という用語は、1889年にヴィルヘルム・ヒスによって、神経細胞に付着する小さな「原形質突起」の数を説明するために初めて使用されました。^[9]ドイツの解剖学者オットー・フリードリヒ・カール・ダイタースは、軸索を樹状突起と区別して発見したと一般に考えられています。

神経系における最初の細胞内記録のいくつかは、1930年代後半にケネス・S・コールとハワード・J・カーティスによってなされました。スイスのルドルフ・アルベルト・フォン・ケーリカーおよびドイツのロバート・レマックは、軸索開始セグメントを初めて特定し、特徴付けました。アラン・ホジキンおよびアンドリュー・ハクスリーもイカの巨大軸索（1939年）を使用し、1952年までには活動電位のイオン的基礎の完全な定量的記述を得て、ホジキン・ハクスリー・モデルの構築につながりました。ホジキンおよびハクスリーは、1963年にこの研究により共同でノーベル賞を受賞しました。軸索コンダクタンスの詳細を示す式は、フランケンハウザー・ハクスリー方程式で脊椎動物にまで拡張されました。ルイ＝アントワーヌ・ランヴィエは、軸索にあるギャップや結節を初めて記述した人物であり、この貢献により、これらの軸索の特徴は現在ではランヴィエ結節と呼ばれています。スペインの解剖学者サンティアゴ・ラモン・イ・カハールは、軸索がニューロンの出力成分であると提唱しました。^[10]彼はまた、ニューロンは個別の細胞であり、現在ではシナプスとして知られている細胞間の特殊な接合部または空間を介して互いに通信すると提唱しました。ラモン・イ・カハールは、ライバルのカミロ・ゴルジが開発したゴルジ法として知られる銀染色法を改良しました。^[11]

樹状突起の発達過程において、いくつかの要因が分化に影響を与える可能性があります。これには、感覚入力の調整、環境汚染物質、体温、薬物使用が含まれます。^[12]たとえば、暗い環境で育ったラットでは、一次視覚皮質にある錐体細胞の棘の数が減少し、第 4 層の星状細胞の樹状突起の分岐の分布に顕著な変化が見られました。^[13]試験管内および生体内で行われた実験では、求心性神経の存在と入力活動自体が、樹状突起の分化パターンを調整できることが示されています。^[14]

生体内で樹状突起が自らを方向づけ、それぞれの特定のニューロンクラスに特有の複雑な分岐パターンを形成するプロセスについてはほとんどわかっていません。樹状突起の発達メカニズムに関する理論の 1 つにシナプストロピック仮説があります。シナプストロピック仮説では、シナプス前細胞からシナプス後細胞への入力 (および興奮性シナプス入力の成熟) が、最終的に樹状突起と軸索のシナプス形成の過程を変えることができると提唱しています。^[15]

このシナプス形成は、機能する脳の神経構造の発達に必要です。樹状突起の精緻化の代謝コストと受容野を覆う必要性とのバランスが、樹状突起のサイズと形状を決定すると考えられます。転写因子、受容体-リガンド相互作用、さまざまなシグナル伝達経路、局所翻訳機構、細胞骨格要素、ゴルジ体前哨基地、エンドソームなど、細胞外および細胞内の複雑な一連のシグナルが樹状突起の発達を調節します。これらは、個々の細胞体の樹状突起の組織化と、神経回路におけるこれらの樹状突起の配置に寄与します。たとえば、β-アクチン ジップコード結合タンパク質 1 (ZBP1) は、樹状突起の適切な分岐に寄与することが示されています。

樹状突起の形態に関与するその他の重要な転写因子には、CUT、Abrupt、Collier、Spineless、ACJ6/drifter、CREST、NEUROD1、CREB、NEUROG2 などがあります。分泌タンパク質と細胞表面受容体には、ニューロトロフィンとチロシンキナーゼ受容体、BMP7、Wnt/dishevelled、EPHB 1–3、セマフォリン/プレキシン-ニューロピリン、スリットロボ、ネトリン-フラズルド、リーリンがあります。Rac、CDC42、RhoA は細胞骨格調節因子として機能し、モータータンパク質には KIF5、ダイニン、LIS1 があります。小脳プルキンエ細胞では、サブスタンス Pによって樹状突起の分岐が誘導されることがわかっています。^[16]樹状突起の発達を制御する重要な分泌経路とエンドサイトーシス経路には、DAR3 /SAR1、DAR2/Sec23、DAR6/Rab1などが含まれます。これらの分子はすべて、樹状突起の型特異的な樹状突起の分枝の獲得、樹状突起の大きさの調節、異なるニューロンから発生する樹状突起の組織化など、樹状突起の形態形成を制御する際に相互作用します。^{[1] [17]}

樹状突起の分枝化は、ニューロンが新しい樹状突起を形成して新しいシナプスを形成する多段階の生物学的プロセスです。^[1]多くの生物の樹状突起は、異なる形態学的分岐パターンをとります。分岐密度やグループ化パターンなどの樹状突起の形態は、ニューロンの機能と高い相関関係があります。樹状突起の奇形は、神経系機能の障害とも密接に相関しています。^[14]

分岐形態は、樹枝状構造（分岐構造を持たない、または樹木状ではない）または樹木状の放射構造をとる場合があります。樹状分岐パターンは、紡錘形（2 つの樹状突起が細胞体の反対の極からほとんど枝を持たずに放射状に広がる。双極性ニューロンを参照）、球状 （樹状突起が細胞体から一部または全方向に放射状に広がる。小脳顆粒細胞を参照）、層状（樹状突起が細胞体から 1 つ以上の幹によってオフセットされて平面状に放射状に広がるか、多平面状に放射状に広がる。それぞれ網膜水平細胞、網膜神経節細胞、網膜アマクリン細胞を参照）、円筒形（樹状突起が円盤状に円筒形で全方向に放射状に広がる。淡蒼球ニューロンを参照）、円錐形（樹状突起が細胞体から離れて円錐状に放射状に広がる。錐体細胞を参照）、または扇形（樹状突起がプルキンエ細胞のように平らな扇状に放射状に広がる）のいずれかになります。

ニューロンの樹状突起の構造と分岐、および電位依存性イオン伝導性の有無と変化は、ニューロンが他のニューロンからの入力を統合する方法に大きく影響します。この統合は、時間的なもの（次々に急速に到着する刺激の総和を含む）と空間的なもの（別々の枝からの興奮性入力と抑制性入力の集約を含む）の両方です。^[18]

樹状突起はかつて、単に電気刺激を受動的に伝えるだけであると考えられていた。この受動的な伝達とは、細胞体で測定される電圧変化が、電圧依存性イオンチャネルの助けを借りずに、遠位シナプスの活性化によって電気信号が細胞体に向かって伝わることを意味する。受動ケーブル理論は、樹状突起上の特定の位置での電圧変化が、異なる直径、長さ、および電気特性を持つ収束する樹状突起セグメントのシステムを通じてこの電気信号を伝達する方法を説明する。受動ケーブル理論に基づいて、ニューロンの樹状突起形態の変化が細胞体の膜電圧にどのように影響するか、したがって樹状突起構造の変化がニューロンの全体的な出力特性にどのように影響するかを追跡することができる。^{[19] [20]}

軸索丘で開始された活動電位は、樹状突起の側枝に逆伝播する。これらの逆伝播活動電位は樹状突起膜を脱分極させ、シナプス調節と長期増強に重要な信号を提供する。逆伝播は完全に受動的ではなく、樹状突起の電位依存性カリウムチャネルの存在によって調節される。さらに、特定の種類のニューロンでは、逆伝播活動電位の列が樹状突起開始領域でカルシウム活動電位（樹状突起スパイク）を誘発することがある。 ^{[21] [22]}

無脊椎動物を含む動物の成体では、樹状突起自体が可塑性変化を起こす能力があるようです。 ^[23]ニューロンの樹状突起には、入ってくる刺激を計算できる機能単位と呼ばれるさまざまな区画があります。これらの機能単位は入力の処理に関与しており、スパイン、枝、枝のグループなどの樹状突起のサブドメインで構成されています。したがって、樹状突起構造の変化につながる可塑性は、細胞内のコミュニケーションと処理に影響を及ぼします。発達中、樹状突起の形態は、細胞のゲノム内の固有のプログラムと、他の細胞からの信号などの外因性要因によって形成されます。しかし、成体では、外因性信号の影響力が強くなり、発達中の固有の信号と比較して、樹状突起構造に大きな変化を引き起こします。女性では、妊娠、授乳、発情周期後などの期間中にホルモンによって引き起こされる生理学的条件の結果として、樹状突起構造が変化する可能性があります。これは特に海馬CA1領域の錐体細胞で顕著で、樹状突起の密度は最大30%まで変化することがある。^[14]

最近の実験的観察によると、適応は神経樹状突起内で行われ、適応のタイムスケールは数秒と短いことが観察されている。^{[24] [25]}樹状突起に基づく特定の機械学習アーキテクチャは、パフォーマンスに影響を与えずに学習アルゴリズムを簡素化することが示されている。^[26]

ウィキメディア・コモンズには、樹状突起に関連するメディアがあります。

• 組織学画像: オクラホマ大学健康科学センターの 3_09 - 「スライド 3脊髄」
• 樹状樹 - 細胞中心データベース
• クリプトプテルスの電気受容器官における樹状突起の立体画像