顆粒細胞

顆粒細胞という名称は、細胞体が極めて小さいという唯一の共通点を持つ、さまざまな種類のニューロンに使用されています。顆粒細胞は、小脳の顆粒層、海馬の歯状回、蝸牛神経背側核の表層、嗅球、大脳皮質に存在します。

小脳顆粒細胞は、ヒトの脳のニューロンの大部分を占めています。 ^[1]これらの顆粒細胞は、橋核に由来する苔状線維から興奮性入力を受け取ります。小脳顆粒細胞はプルキンエ層を通って分子層に投射し、そこで平行線維に分岐してプルキンエ細胞の樹状突起樹状体を通って広がります。これらの平行線維は、神経伝達物質としてグルタミン酸を使用して、プルキンエ細胞の中間樹状突起と遠位樹状突起上に何千もの興奮性顆粒細胞-プルキンエ細胞シナプスを形成します。

大脳皮質の第 4 層の顆粒細胞は視床からの入力を受け取り、大脳皮質の第 2 層から第 3 層だけでなく顆粒下層にも投射を送ります。

脳のさまざまな領域の顆粒細胞は、機能的にも解剖学的にも多様です。共通しているのは、小さいということだけです。たとえば、嗅球の顆粒細胞はGABA 作動性で軸索がありませんが、歯状回の顆粒細胞にはグルタミン酸作動性の投射軸索があります。また、これら 2 つの顆粒細胞集団は、成人の神経発生を経る唯一の主要なニューロン集団ですが、小脳と皮質の顆粒細胞はそうではありません。顆粒細胞 (嗅球の顆粒細胞を除く) は、樹状突起、細胞体、軸索 からなるニューロンの典型的な構造をしています。

樹状突起: 各顆粒細胞には、先端が爪状の短い樹状突起が 3～4 本あります。樹状突起の長さはそれぞれわずか 15 μm程度です。

細胞体：顆粒細胞はすべて、直径約 10 μm の小さな細胞体を持っています。

軸索: 各顆粒細胞はプルキンエ細胞の樹状突起に一本の軸索を送ります。^[要出典]軸索の直径は極めて細く、1/2 マイクロメートルです。

シナプス: 100～300,000個の顆粒細胞軸索が1つのプルキンエ細胞にシナプスを形成します。^[要出典]

顆粒細胞間のギャップ結合の存在により、複数のニューロンが互いに結合し、複数の細胞が同期して動作できるようになり、顆粒細胞の発達に必要なシグナル伝達機能が可能になります。^[2]

菱形唇によって生成される顆粒細胞は、小脳皮質の顆粒細胞層に見られる。顆粒細胞は小さく、数が多い。非常に小さな細胞体と、爪状の末端を持ついくつかの短い樹状突起を特徴とする。透過型電子顕微鏡では、これらの細胞は、薄い細胞質の縁に囲まれた暗く染色された核を特徴とする。軸索は分子層まで上昇し、そこで分裂して平行繊維を形成する。^[1]

歯状回の主な細胞型は顆粒細胞である。歯状回の顆粒細胞は幅約10μm、高さ18μmの楕円形の細胞体を持つ。^[3]

顆粒細胞は、特徴的な円錐形の棘状の樹状突起を持つ。樹状突起の枝は分子層全体に伸び、樹状突起の最も遠い先端は海馬溝または脳室表面で終わる。^[4]顆粒細胞は歯状回の顆粒細胞層に密集している。

蝸牛背側核の顆粒細胞は、末端で拡張するいくつかの枝を生じる2つまたは3つの短い樹状突起を持つ小さなニューロンです。樹状突起は短く、爪のような末端を持ち、糸球体を形成して苔状線維を受け取ります。これは小脳顆粒細胞に似ています。^[5]その軸索は蝸牛背側核の分子層に投射し、そこで平行線維を形成します。これも小脳顆粒細胞に似ています。^[6]蝸牛背側顆粒細胞は、発達的に関連しているため小脳顆粒細胞に似ている 小さな興奮性介在ニューロンです。

脊椎動物の嗅球の主な内在性顆粒細胞には軸索がない（補助ニューロンも同様）。各細胞は短い中心樹状突起と、顆粒細胞層に広がり、僧帽細胞体層に入る1本の長い頂端樹状突起を生じる。樹状突起の枝は、嗅覚管内の樹状突起のうち外網状層内で終わる。^[7] 哺乳類の嗅球では、顆粒細胞は大きなスパインの存在により、シナプス入力と出力の両方を処理できる。^[8]

小脳の顆粒細胞は、橋核から発生する3 本または 4 本の苔状線維から興奮性入力を受け取ります。苔状線維は顆粒細胞に興奮性接続を形成し、これにより顆粒細胞は活動電位を発火させます。

小脳顆粒細胞の軸索は分裂して平行線維を形成し、プルキンエ細胞を神経支配する。顆粒細胞の軸索シナプスの大部分は平行線維上に見られる。^[9]

平行繊維はプルキンエ層を通って分子層に送られ、そこで分岐してプルキンエ細胞の樹状突起に広がります。これらの平行繊維は、プルキンエ細胞の樹状突起上に何千もの興奮性顆粒細胞-プルキンエ細胞シナプスを形成します。

この接続はグルタミン酸が放出されるため興奮性となります。

同じ顆粒細胞からの平行線維と上行軸索シナプスは同期して発火し、興奮性信号が生じる。小脳皮質にはさまざまな抑制性ニューロン（介在ニューロン）が存在する。小脳皮質に存在する興奮性ニューロンは顆粒細胞のみである。^[10]

平行線維とプルキンエ細胞間のシナプスの可塑性は、運動学習に重要であると考えられている。^[11] 小脳回路の機能は、顆粒層によって実行されるプロセスに完全に依存している。したがって、顆粒細胞の機能が小脳全体の機能を決定する。^[12]

顆粒細胞の樹状突起は、サンティアゴ・ラモン・イ・カハールが苔状線維と呼んだ独特の無髄軸索ともシナプスを形成します^[4] 苔状線維とゴルジ細胞はどちらも顆粒細胞とシナプス結合を形成します。これらの細胞は一緒になって糸球体を形成します^[10]

顆粒細胞はフィードフォワード抑制の対象です。顆粒細胞はプルキンエ細胞を興奮させますが、プルキンエ細胞を抑制する GABA 作動性介在ニューロンも興奮させます。

顆粒細胞もフィードバック抑制の影響を受ける。ゴルジ細胞は顆粒細胞から興奮性刺激を受け取り、今度は顆粒細胞に抑制性シグナルを送り返す。^[13]

苔状線維の入力コードは顆粒細胞間のシナプス伝達中に保存されており、神経支配は受信される入力に特異的であることを示唆している。 ^[14]顆粒細胞は苔状線維からの信号を中継するだけでなく、時空間領域で必要とされるさまざまな複雑な変換を実行する。^[10]

各顆粒細胞は、2 つの異なる苔状繊維入力から入力を受け取ります。したがって、顆粒細胞が同じソースから複数の入力を受け取るのとは対照的に、入力は 2 つの異なる場所から来ています。

顆粒細胞に信号を送っている苔状線維の違いは、顆粒細胞がプルキンエ細胞に翻訳する情報の種類に直接影響します。この翻訳の信頼性は、顆粒細胞のシナプス活動の信頼性と、受信する刺激の性質に依存します。^{[15]顆粒細胞が}苔状線維から受信する信号は、苔状線維自体の機能に依存します。したがって、顆粒細胞はさまざまな苔状線維からの情報を統合し、新しい活動パターンを生成することができます。^[15]

苔状繊維入力の異なるパターンは、登攀繊維入力によって伝えられる教育信号によって修正できる顆粒細胞の活動のユニークなパターンを生み出します。 デビッド・マールとジェームズ・アルバスは、小脳が適応フィルターとして機能し、感覚入力の性質に基づいて運動行動を変えると示唆しました。

複数（約 200,000 個）の顆粒細胞が 1 つのプルキンエ細胞にシナプスを形成するため、登上線維入力からの「教師信号」に応じて各平行線維の効果を変化させることができます。

小脳顆粒細胞

デイビッド・マーは、顆粒細胞が苔状繊維入力の組み合わせをコード化していると示唆した。顆粒細胞が反応するためには、複数の苔状繊維から能動入力を受け取る必要がある。複数の入力を組み合わせることで、小脳は単一の苔状繊維よりも正確に入力パターンを区別することができる。 ^{[16]小脳顆粒細胞はまた、脳内の}GABA の周囲レベルと連動して睡眠を制御する緊張性コンダクタンスを調整する役割も果たしている。

歯状顆粒細胞

海馬から歯状回ニューロンが失われると、空間記憶障害が生じる。そのため、歯状回顆粒細胞は空間記憶^[17]とエピソード記憶^[18]の形成に機能すると考えられている。 未熟な歯状回顆粒細胞と成熟した歯状回顆粒細胞は、記憶機能において異なる役割を果たす。成人で生まれた顆粒細胞はパターンの分離に関与していると考えられているが、古い顆粒細胞は迅速なパターンの完成に寄与する。^[19]

蝸牛背側顆粒細胞

一次聴覚皮質の錐体細胞は蝸牛核に直接投射します。これは音響驚愕反射において重要であり、錐体細胞が二次定位反射を調節し、顆粒細胞の入力が適切な定位を担っています。^[20]これは、顆粒細胞が受信する信号に頭の位置に関する情報が含まれているためです。背側蝸牛核の顆粒細胞は、私たちの環境における音の知覚と反応に役割を果たしています。

嗅球顆粒細胞

嗅球で最も一般的なGABA作動性細胞である顆粒細胞によって生成される抑制は、嗅球の出力を形作る上で重要な役割を果たします。^[21] GABA作動性顆粒細胞が受け取る興奮性入力には、 AMPA受容体によって活性化されるものとNMDA受容体によって活性化されるものの2種類があります。これにより、顆粒細胞は嗅球における感覚入力の処理を調節することができます。^[21]嗅球は鼻から脳に匂いの情報を伝達するため、適切な嗅覚に必要です。嗅球の顆粒細胞は、香りに関連する記憶の形成にも重要であることがわかっています。^[22]

カルシウム

カルシウムの動態は、膜電位の変化、シナプス可塑性、アポトーシス、遺伝子転写の調節など、顆粒細胞のいくつかの機能に不可欠です。^[10]嗅球顆粒細胞スパインのシナプス前機能とシナプス後機能を制御するカルシウムシグナルの性質はほとんどわかっていません。^[8]

一酸化窒素

顆粒ニューロンには、一酸化窒素合成酵素のニューロンアイソフォームが高レベルで存在します。この酵素はカルシウムの存在に依存し、一酸化窒素（NO）の生成を担っています。この神経伝達物質は、顆粒細胞前駆細胞の増殖を抑制し、さまざまな顆粒細胞の分化を促進します。NOは、顆粒細胞とグリア細胞間の相互作用を制御し、 ^[10]顆粒細胞を損傷から保護するために不可欠です。NOは、神経可塑性と運動学習にも関与しています。^[23]

TrkBは歯状回顆粒細胞の正常なシナプス接続の維持を担っています。また、TrkBは顆粒細胞の特定の形態（生物学）も制御するため、ニューロンの発達、ニューロンの可塑性、学習、てんかんの発症の制御に重要であると言われています。^[24] TrkBによる顆粒細胞の制御は、記憶障害や辺縁系てんかんの予防に重要です。これは、歯状回顆粒細胞が健康時と病気時の嗅内海馬回路の機能に重要な役割を果たしているという事実によるものです。歯状回顆粒細胞は、正常な学習と記憶に必要な構造である海馬への情報の流れを制御するために配置されています。^[24]

てんかんとうつ病はどちらも、成人で生まれた海馬顆粒細胞の生成が阻害されることが示されています。 ^{[25]てんかんは、病気の早期に新しい細胞の生成が増加しますが、異常な統合が見られ、病気の後期には生成が減少することが関連しています。 [25]てんかんの発症中に成人で生成された細胞が異常に統合されると、歯状回が過剰な興奮性活動が海馬}錐体細胞 に到達するのを防ぐ能力が損なわれ、発作が促進される可能性があります。^{[25]持続するてんかん発作は、歯状顆粒細胞の神経発生を刺激します。これらの新しく生まれた歯状顆粒細胞は、}てんかん発生 に関連する海馬ネットワーク可塑性につながる異常な接続を引き起こす可能性があります。^[26]

アルツハイマー病患者の顆粒細胞樹状突起は短い。さらに、樹状突起はアルツハイマー病でない患者に比べて枝分かれが少なく、棘の数も少ない。^{[27]しかし、顆粒細胞樹状突起は}老人斑の必須成分ではなく、これらの老人斑は歯状回の顆粒細胞に直接的な影響を及ぼさない。歯状顆粒細胞の特異的な神経原線維変化は、アルツハイマー病、レビー小体型および進行性核上性麻痺の患者に発生する。^[28]

成人の体内の異なる細胞タイプのリスト

• 小脳皮質層内の顆粒細胞の位置
• 小脳の構造
• 小脳
• BrainMaps プロジェクトの「顆粒細胞」を含む染色された脳スライス画像