モータープール（神経科学）

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運動プールは、単一の筋肉を支配するすべての個々の運動ニューロンで構成されています。個々の筋線維はそれぞれ 1 つの運動ニューロンによってのみ支配されますが、1 つの運動ニューロンが複数の筋線維を支配することもあります。この区別は生理学的に重要です。なぜなら、特定の運動プールのサイズによって、それが支配する筋肉の活動が決まるからです。たとえば、より微細な動きを担う筋肉は、より多くの個々の運動ニューロンで構成される運動プールによって支配されます。運動プールは、含まれる運動ニューロンのクラスによっても区別されます。各運動プールのサイズ、構成、解剖学的位置は、複雑な発達経路によって厳密に制御されています。^[1]

個々の骨格筋は、個別の運動単位のグループによって制御されています。このような運動単位は、単一の運動ニューロンとそれが支配する筋線維で構成されています。運動ニューロンの細胞体は、脊髄の前角と脳幹にあります。これらのニューロンは、活動電位を軸索（腹根と脳神経経由）に伝播させることによって骨格筋線維を支配し、神経筋接合部で骨格筋線維を刺激して、筋線維の運動終板とシナプスを形成します。ヒトでは、これらの軸索は 1 メートルにもなります。運動ニューロン自体は、主に 3 つのクラスに分類されます。α運動ニューロンは筋紡錘外筋線維を制御し、つまり骨格筋を支配して運動を引き起こします。γ運動ニューロンは筋紡錘内筋線維を支配して、筋紡錘の伸張に対する感度を制御します。ベータ運動ニューロンはどちらのタイプの筋線維にもシナプス形成が可能である。アルファ運動ニューロンはさらに、それらが形成する運動単位の収縮特性に応じて、速筋疲労性（FF）、速筋疲労耐性（FR）、遅筋疲労耐性（S）の3つのサブクラスに分類される。運動プールの構成は、複数のクラスとサブクラスの運動ニューロンから構成される場合がある。^[1]

脊髄の運動ニューロンプールは、複数の脊髄節にまたがる運動ニューロンの明確な列に集まっていますが、かなりの重複があります。近位筋を制御する運動プールは一般に前角の内側に位置し、遠位筋を制御する運動プールは外側に位置しています。屈筋を制御する運動プールは前角の背側に位置し、伸筋を制御する運動プールは腹側に位置しています。^[1]

個々の運動プール内の運動ニューロンの数は非常に多様であり、一般的に特定の筋肉に必要な微妙な制御のレベルによって予測できます。たとえば、一部の筋肉はそれぞれの運動プール内の運動単位の数が比較的少ないのに対し、非常に微妙な制御が必要な他の筋肉（人間の手の筋肉など）は運動単位の密度が高くなります。^[1]

運動プールは、主に高次のCNSセンターからのシナプス入力を正確で一貫した収縮パターンに統合する機能を果たします。特定の運動プール内の個々の運動ニューロンは、「サイズ原理」と呼ばれるものに従って発火します。サイズ原理は、運動プール内の個々の運動ニューロンが発火する特徴的なパターンを説明するために、1960 年代に Elwood Henneman とそのグループによって提唱されました。サイズ原理は、運動プールの運動ニューロンが発火して末端筋線維が収縮すると、最も小さな運動ニューロンを含む運動単位が最初に発火することを規定しています。興奮性シグナルが増加すると、より大きな運動ニューロンが続いて動員され、収縮力が増大します。さらに、この運動ニューロンの差別的動員は、収縮力が増大する場合と減少する場合の両方で発生します。収縮力が増大すると、最も小さな運動単位が最初に発火し、収縮力が減少すると最後に発火を停止します。^[2]

サイズ原理には重要な機能的利点がある。第一に、このシステムは CNS の高次中枢が、異なるレベルの筋収縮に対して特定の収縮パターンを信号で伝える必要がなくなる。高次中枢が特定の運動プールに提供するシナプス入力のレベルによって収縮強度が決まるはずで、これにより収縮強度の調節プロセスが簡素化される。このシステムにより、シナプス入力のレベルを増減するだけで、収縮強度を非常に正確かつ一貫して調節できる。サイズが大きくなる運動単位を追加すれば、収縮力に一貫して正確な効果が得られる。サイズ原理から得られるもう 1 つの重要な利点は、より小さなニューロンは、より大きなニューロンに比べてより定期的に、より長い時間発火するということ。これらのより小さな運動単位は疲労に強いため、この役割に適している。^{[2] [3]}

モータープールの複雑な発展を考慮すると、いくつかの層の差別化と専門化が存在します。

アルファ運動ニューロンとガンマ運動ニューロンは、シナプス後標的が異なるだけではありません。これら 2 つのクラス間の生理学的差異は重要です。ガンマ運動ニューロンの軸索径はアルファ運動ニューロンの半分であるため、細胞質抵抗が高くなり、信号伝播速度が遅くなります。さらに、ガンマ運動ニューロンはアルファ運動ニューロンよりもはるかに単純な分岐パターンを示します。これら 2 つのクラスへの分化は、いくつかの神経栄養因子間の複雑な相互作用によって制御されていますが、これらの相互作用のすべてはまだ十分に理解されていません。グリア細胞株由来神経栄養因子 ( GDNF ) は、運動プールの発達のすべての層で特に重要な役割を果たすことが発見されています。アルファおよびガンマ分化の場合、ガンマ運動ニューロンは特定の GDNF受容体サブユニットを著しく高いレベルで発現することが示されています。^[4]

アルファ運動ニューロンは、標的とする筋線維の種類に基づいてサブクラスに分類され、これによって機能特性も決まります。速筋・疲労性 (FF) 筋線維を標的とする運動ニューロンは最も大きく (したがって信号の伝播速度も最も速い)、速筋・疲労耐性 (FR) 筋線維を標的とする運動ニューロンは中程度の大きさで、遅筋・疲労耐性 (S) 筋線維を標的とする運動ニューロンは最も小さいです。信号速度に加えて、これらのサブクラスにわたるサイズの範囲も、サイズ原理の生理学的基礎を形成します。S 型線維を標的とするニューロンは軸索径が比較的小さいため、閾値電位に達するのに必要な入力電流は小さくなります。逆に、FF 型線維を標的とする最も大きいニューロンは、閾値に達するのに必要な入力電流が大きくなります。したがって、アルファ運動ニューロンの 3 つのサブクラスの軸索径によって、サイズ原理によって予測される運動単位の動員パターンが明確に決まります。これら3つのα運動ニューロンサブクラスのサイズを決定する具体的な制御メカニズムはよくわかっていない。^[4]

さらに特殊化したレベルでは、運動ニューロンのクラスとサブクラスの特定の組み合わせが、脊髄全体にわたって運動柱と呼ばれるクラスターに空間的にグループ化されます。これらの運動柱は運動プールであり、それぞれが独自のアイデンティティを持っています。プール内の各ニューロンは（クラスに関係なく）、転写因子、細胞表面タンパク質（軸索誘導受容体や接着分子など）、神経伝達物質受容体の独自のプロファイルを表現します。これらのプール固有の生化学マーカーは、筋肉特異的なシナプス形成の発達的枠組みを提供します。^[4]このプール固有の転写因子の組み合わせの中で、Hox因子は特に重要な役割を果たします。Hox転写因子は、脊柱内の運動プールの空間的方向付けと、運動プールから下流の筋線維への部位特異的なシナプス形成に中心的な役割を果たします。^[5]

特定の運動ニューロンプール内の運動ニューロンの数は、発達の重要なステップです。繰り返しになりますが、この特殊化のプロセスに関与する正確なメカニズムと分子についてはほとんどわかっていません。しかし、このメカニズムには、多数の運動ニューロンの最初の生成が含まれ、その後、細胞死のメカニズムと生存因子によって媒介される剪定プロセスが続くことがわかっています。一部の研究者は、特定のプール内のニューロンの数は、異なるHox 遺伝子間の競合的相互作用によって決定されると推測しています。^{[4] [5]}

より細かく、より微妙な動きを司る筋肉は、多数の個別の運動ニューロンからなる運動プールによって神経支配されています。この原理は、人間の舌と手の運動プールの進化を調べることで明らかになります。

舌の非常に洗練された協調運動が、人間の発話の複雑さを生み出している。進化論的分析によれば、他の哺乳類に比べて、人間の舌の筋肉を支配する運動プールが異常に大きいことが予測される。このような大きな運動プールがあれば、舌の筋肉の領域特異的な神経支配、タスク特異性を持つ運動ニューロン、素早い動きを可能にする運動ニューロンの特殊化、および複雑な発話の生成に必要なその他のさまざまな運動ニュアンスが可能になる。解剖学的分析によってこの進化論的予測が立証された。平均的な成人の舌の運動プールには、7,093～8,817 個の運動ニューロンが含まれている。このニューロン密度は、他の哺乳類で測定されるニューロン密度をはるかに上回り、人体の多くの筋肉の運動プールサイズをも上回っている。たとえば、上腕二頭筋は、平均 441.5 個の運動ニューロンからなる運動プールによって支配されている。^[6]

進化論的分析では、人間の手の筋肉を支配する大きな運動神経群も予測されています。道具作り、投げる動作、棍棒で打つ動作といった人間の革新には、前例のない手先の器用さが必要でしたが、これは人間の手の筋肉を支配する大きな運動神経群の広範なネットワークによってのみ可能になりました。リチャード・ヤングは次のように説明しています。

ヒト科の系統は、チンパンジーのような類人猿のグループが敵に向かって石を投げたり棍棒を振り回したりし始めたときに始まり、この行動が何百万年もの間生殖上の利点をもたらし、投擲と棍棒打ちの能力を向上させる自然淘汰を促したという説があります。この主張は、人間の手が投擲と棍棒打ちに適応しているはずだという予測につながり、それによって2つの独特な握り方と、それを可能にした手の広範な解剖学的改造に対する進化論的な説明が提供されます。^[7]

正確な神経筋制御により、投球に必要な1ミリ秒未満のリリース時間が可能になります。効果的なクラブ投球には、衝撃を通して安全なグリップを生み出すために、いくつかの運動単位の動員が必要です。これらの進化予測は比較解剖学的研究によって検証されています。人間の手の神経を支配する運動プールは、関連する霊長類の手の神経を支配する運動プールよりも大幅に大きいです。^[7]

筋萎縮性側索硬化症(ALS) は、特定の運動ニューロンプールと運動ニューロンのクラスに異なる影響を及ぼす神経変性疾患です。たとえば、マウスでモデル化された ALS では、まず FF 運動ニューロンが急速に消失し、続いて FR ニューロンが遅れて消失し、病気の後期段階では S 型ニューロンがほぼそのまま残ることが示されました。さらに、後期 ALS 患者では、運動ニューロンの死はプールに特異的です。脊髄全体の運動ニューロンの死は、随意運動のほぼ完全な消失につながりますが、眼球制御と排泄機能の随意制御はほとんど影響を受けません。これらの運動は、それぞれ中脳の運動プールと腰仙部脊髄のオヌフ核によって制御されています。現在、これらの ALS 耐性運動プールに関する研究が行われており、そのプールに特異的な分子アイデンティティが神経保護特性の可能性について調査されています。^[4]

脊髄性筋萎縮症（SMA）と加齢に伴う運動変性は、運動ニューロン喪失のパターンと特異性においてALSと明らかな類似点がある。病因はALSと完全に異なるが、SMAは同様にFF運動ニューロンの急速な死をもたらし、S型ニューロンは一般的には免れる。さらに、顔面筋（眼の筋肉を含む）と随意排泄筋を制御する運動プールは免れる。^[4]加齢による運動ニューロン変性は、FF型には同様に影響を及ぼすがS型には影響を及ぼさない。加齢はまた、眼の運動プールを免れるようである。^{[8] 3つの異なる疾患における}神経変性のこれらの類似パターンから、研究者らは、眼および排泄筋の運動プールとともに、遅筋運動ニューロンには、疾患特異的ではない固有の神経保護特性があると推測している。現在、これらの細胞型における神経保護の分子的根拠を発見するための研究が行われている。^[4]

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• 運動ニューロン