恒常性可塑性

神経科学 では、恒常性可塑性とは、ニューロンがネットワーク活動に対して自身の興奮性を調整する能力を指します。恒常性可塑性という用語は、「恒常性」（ギリシャ語で「同じ」と「状態」または「条件」の合成語）と可塑性（または「変化」）という2つの相反する概念に由来しており、したがって恒常性可塑性とは「変化を通じて同じまま」を意味します。神経系では、ニューロンは絶えず変化する環境の発達とともに進化すると同時に、この変化の中で同じままでいることができなければなりません。この安定性は、ニューロンが活動と機能を維持し、ニューロンの発癌を防ぐために重要です。同時に、ニューロンは変化に適応し、発達中の神経系の絶えず変化する環境に対処するために接続を行う柔軟性を持っている必要があります。^[1]

シナプス入力の変化に応じてニューロンが一定の活動レベルを維持する能力は、恒常的シナプス可塑性として知られています。恒常的シナプス可塑性は、ニューロンが活動レベルの変化に応じてシナプス強度を変更し、ネットワークの安定性を維持するときに発生します。この反応は、ニューロン回路を適切な活動範囲に保ち、適切に機能するのに役立ちます。恒常的シナプス可塑性は、シナプススケーリング、シナプス後受容体の発現、シナプス前変化、および樹状突起棘のリモデリングで示されます。

恒常性シナプス前可塑性とは、シナプス前末端での神経伝達物質の放出を調節し、脳活動の一定範囲を確保するニューロンの能力を指します。このプロセスには、量子サイズの調整、シナプス前タンパク質の差次的発現、小胞リサイクルの変更など、さまざまなメカニズムが関係します。量子サイズの調整は、シナプス強度の変化にもかかわらず、シナプス後応答を安定させるのに役立ちます。カルシウムチャネルやシナプス小胞タンパク質などのシナプス前タンパク質の差次的発現も、ニューロンによって変更され、神経伝達物質の放出速度に影響を与える可能性があります。

恒常性シナプス後可塑性は​​、脳内の特定のシナプスで形成されるニューロンのシナプス活動を一定レベルに保つために重要です。恒常性プロセスには、受容体の発現の変化、受容体サブユニット構成の変化、細胞内シグナル伝達経路の変化が含まれます。たとえば、 NMDA受容体はサブユニット構成を変更して神経伝達物質に対する感受性を向上させることができます。さらに、神経伝達物質受容体の発現と位置の変化は、特定のシグナル伝達経路が活性化されたときにシナプス伝達に影響を与える可能性があります。シナプス接着分子も恒常性プロセスの影響を受ける可能性があります。全体として、恒常性シナプス後可塑性は​​神経回路の安定性と適切な機能に寄与し、脳が神経活動の全体的な安定性を損なうことなく変化する状況に適応できるようにします。^[2]

恒常性内因性可塑性とは、シナプスまたはネットワーク活動の変化に応じてニューロンが固有の電気的特性を変える能力を指します。このプロセスは、主にシナプス強度を調整するのではなく、個々のニューロンの興奮性または発火特性の変更を伴います。恒常性に関連する内因性可塑性プロセスには、イオンチャネル発現の変化、膜コンダクタンスの変更、活動電位閾値の変化、および固有の興奮性の調節が含まれます。ニューロンは、シナプス活動が低下した場合、発火率を維持し、興奮性を高めるために、ナトリウムチャネルの発現をアップレギュレーションできます。これらの変化は、ニューロン間の入出力リンクとニューロン活動の恒常性制御に影響します。

シナプススケーリングは、ニューロンがすべてのシナプスの強度を調整して、特定の範囲内で安定した活動レベルを維持できるようにする恒常性メカニズムです。このプロセスは、シナプス後膜上の神経伝達物質受容体の量または感度の変化によって特徴付けられます。ニューロンは、ネットワーク活動の急増に応じて神経伝達物質受容体の数を減らしてシナプスの強度を低下させたり、ネットワーク活動の低下に応じて密度を高めて感度を高めてシナプスの強度を高めたりすることができます。脳回路のこの恒常性制御は、長期抑制や長期増強などの他のタイプのシナプス可塑性をサポートします。

恒常性シナプス可塑性は、学習や記憶に関連するヘブ型可塑性とは対照的に、学習、呼吸、運動のシナプス基盤を維持する手段です。 ^[3]長期増強や長期抑制などのヘブ型の可塑性は急速に発生しますが、恒常性可塑性（タンパク質合成に依存）は数時間から数日かかる場合があります。^[4] TNF-α ^[5] とマイクロRNA ^[4]は、恒常性シナプス可塑性の重要なメディエーターです。

恒常性可塑性は、シナプスの活動やイオンチャネルの特性を調節することでヘブビアン可塑性のバランスをとると考えられています。大脳新皮質回路の恒常性可塑性は、ブランダイス大学のジーナ・G・トゥリジャーノとサシャ・ネルソンによって詳細に研究されており、彼らは慢性的な活動操作後の興奮性シナプス後電流（mEPSC）の代償的変化を初めて観察しました。^[6]

長期増強（LTP）と長期抑制（LTD）はヘブの可塑性の一例です。つまり、これらの用語は脳、シナプスの強度、記憶/学習の処理方法にも関係しています。長期増強は、ニューロン間のコミュニケーションが長期間にわたって改善されるタイプの可塑性です。長期抑制は、シナプスのこの活動が減少することです。これらの用語は記憶の保存に関係していると理論化されていますが、公式には確認されていません。LTPとLTDを要約する別の用語はシナプス可塑性であり、これは脳内のこのシナプスの強度を表します。^[7]

神経可塑性の一種で、損傷を受けたときの脳の可塑性について論じる。脳の特定の部分の機能や能力は、損傷を受けたときに脳の別の部分に移される可能性がある。たとえば、脳の左側と右側にはそれぞれ特定の機能があるため、片側を完全に除去すると、残りの側がその能力を引き継ぐことになる。これにより、生物が生存に必要な重要な機能を失うという問題を回避することができる。^[8]

もう一つのタイプの神経可塑性は、名前が示すように、シナプスだけではなく、学習の結果として脳の実際の構造が変化することを伴う。しかし、脳がいかに驚異的であるとしても、これほど複雑な器官が自らを奮い立たせられるのは限られている。^[8]

シナプススケーリングは、恒常性可塑性の潜在的なメカニズムとして提案されている。^[1]恒常性可塑性は、シナプスとニューロン、細胞体と軸索などの細胞内コンパートメント間の協調的な可塑性を通じて、ニューロン機能の安定性を維持するプロセスを説明するために使用できます。^{[9]最近、恒常性シナプススケーリングが}連想記憶の特異性を確立する役割を果たす可能性があることが提案されました。^[10]

恒常性可塑性は、電位依存性ナトリウムチャネルにおける閾値と不応期の協調可塑性を通じて、神経細胞の興奮性をリアルタイムで維持する。^[11]

恒常性可塑性は中枢パターン発生器の文脈でも非常に重要です。この文脈では、適切な神経出力を維持するために、環境の変化に応じて神経細胞の特性が調整されます。^[3]

恒常性可塑性は、てんかん、自閉症、アルツハイマー病、その他の神経変性疾患などの神経疾患において重要な役割を果たします。これらの疾患では、活動レベルの変化や外部刺激に応じて安定性を維持するニューロンの能力が変化することがよくあります。^[12]

健康な脳では、ニューロンの興奮性とシナプスの強度は恒常的に調節され、興奮と抑制のバランスを維持しています。てんかんの脳では、恒常的可塑性メカニズムが調節不全になり、高度に同期したニューロンの発火と発作活動のエピソードにつながる可能性があります。恒常的補償がてんかんプロセスにどのように関与しているかはまだ不明です。従来の薬理学的アプローチは、ニューロンネットワークの生理学的バランスを回復するのに効果がない可能性があります。ただし、恒常的可塑性メカニズムをターゲットにした治療戦略は、潜在的な解決策を提供する可能性があります。^[12]

恒常性可塑性は脳内の神経バランスを維持するために不可欠です。脳内の興奮性神経伝達と抑制性神経伝達のバランスが崩れると、自閉症スペクトラム障害を引き起こす可能性があります。恒常性可塑性の調節不全と神経の不均衡は、自閉症に関連する認知および行動の症状に寄与する可能性があります。^[13]

アルツハイマー病では、シナプス機能とニューロンの完全性が損なわれます。健康な脳では、これらのメカニズムは恒常性可塑性によってしっかりと維持されています。恒常性可塑性の欠陥は、アルツハイマー病の特徴的な症状である認知機能の低下と記憶障害に寄与します。^[14]

いくつかの神経疾患は恒常性可塑性の影響を受けます。恒常性可塑性の調節不全は興奮性または抑制性のネットワーク活動を引き起こす可能性があります。パーキンソン病、ハンチントン病、および筋萎縮性側索硬化症はすべて、神経ネットワークの調節不全が疾患の病態生理に寄与する疾患の例です。^[15]

統合失調症は、思考プロセス、知覚、感情の混乱を特徴とする。恒常性維持機構の調節不全に起因するシナプス強度と接続性の変化が、統合失調症患者に見られる症状につながる可能性がある。これらの調節不全は、統合失調症で観察される認知障害や妄想に寄与する。^[16]

ジーナ・G・トゥリジャーノは、脳の恒常性可塑性メカニズムに関する研究で知られるアメリカの神経科学者です。彼女の研究は、シナプスの強度とニューロンの固有の興奮性に焦点を当てていました。彼女は、シナプススケーリング、シナプス可塑性、および恒常性制御に関連するその他の分子メカニズムで重要な発見をしました。^[2]

• 「ニューロン興奮性の恒常性制御」Scholarpedia。