神経内分泌学

神経内分泌学は生物学（特に生理学）の一分野であり、神経系と内分泌系の相互作用、すなわち脳が体内のホルモン活動をどのように調節するかを研究します。 ^[1]神経系と内分泌系は、人体の生理学的プロセスを制御するために、神経内分泌統合と呼ばれるプロセスで一緒に作用することがよくあります。神経内分泌学は、脳、特に視床下部が下垂体ホルモンの分泌を制御しているという認識から生まれ、その後、内分泌系と神経系のさまざまな相互関係を調査するように拡大しました。

内分泌系は、ペプチド、ステロイド、神経アミンなど、多様な化学構造のホルモンを生成、分泌する、体全体の多数の腺で構成されています。ホルモンは、総合的に、多くの生理学的プロセスを制御します。神経内分泌系は、視床下部が恒常性を維持し、生殖、代謝、飲食行動、エネルギー利用、浸透圧、血圧を調節するメカニズムです。

視床下部は、脳のあらゆる領域からの入力を統合し、特定の反応を生み出す役割を担っているため、一般的に脳の中継センターとして知られています。神経内分泌系では、視床下部は脳のさまざまな部分から電気信号を受け取り、その電気信号をホルモンや放出因子の形で化学信号に変換します。これらの化学物質はその後、下垂体に運ばれ、そこから全身循環に運ばれます。^[2]

下垂体は、下垂体前葉、下垂体中葉、下垂体後葉の3つの葉に分かれています。視床下部は、向性ホルモンと呼ばれる放出因子を視床下部下垂体門脈系に送り込むことで、下垂体前葉のホルモン分泌を制御します。^[3]たとえば、視床下部から門脈系に放出された甲状腺刺激ホルモン放出ホルモンは、下垂体前葉による甲状腺刺激ホルモンの分泌を刺激します。^[要出典]

下垂体後葉は視床下部から直接神経支配を受けており、オキシトシンとバソプレシンというホルモンは視床下部の神経内分泌細胞によって合成され、下垂体後葉の神経終末に蓄えられる。これらは視床下部ニューロンによって直接全身循環に分泌される。^[3]

オキシトシンとバソプレシン（抗利尿ホルモンとも呼ばれる）は、下垂体後葉（神経下垂体）の2つの神経下垂体ホルモンであり、大細胞神経分泌細胞の神経終末から全身循環に分泌されます。オキシトシンとバソプレシンニューロンの細胞体は、それぞれ視床下部の室傍核と視索上核にあり、^[2]これらのニューロンの電気活動は、他の脳領域からの求心性シナプス入力によって制御されます。^[4]

対照的に、下垂体前葉（腺下垂体）のホルモンは、哺乳類では直接神経支配されていない内分泌細胞から分泌されますが、これらのホルモン（副腎皮質刺激ホルモン、黄体形成ホルモン、卵胞刺激ホルモン、甲状腺刺激ホルモン、プロラクチン、成長ホルモン）の分泌は視床下部の制御下にあります。視床下部は、放出因子と放出抑制因子を介して下垂体前葉を制御します。これらは、視床下部ニューロンから脳の底部、正中隆起の血管に放出される物質です。^[5]これらの血管、視床下部下垂体門脈血管は、視床下部因子を下垂体前葉に運び、そこでホルモン産生細胞の表面にある特定の受容体に結合します。^[3]

例えば、成長ホルモンの分泌は、成長ホルモン放出ホルモン（GHRH）ニューロンとソマトスタチンニューロンの2つの神経内分泌系によって制御されており、それぞれGH分泌を刺激したり抑制したりします。^[6] GHRHニューロンは視床下部の弓状核に位置し、成長ホルモンの調節に関与するソマトスタチン細胞は脳室周囲核にあります。これら2つの神経系は、正中隆起に軸索を投射し、そこで門脈血管にペプチドを放出して下垂体前葉に輸送します。成長ホルモンは、GHRH放出とソマトスタチン放出の交互のエピソードから生じるパルス状に分泌されます。これは、GHRH細胞とソマトスタチン細胞間の神経相互作用、および成長ホルモンからの負のフィードバックを反映している可能性があります。^[6]

神経内分泌系は、結合から性行動まで、生殖のあらゆる側面を制御します^{[7] 。}精子形成、卵巣周期、分娩、授乳、母性行動を制御します。ストレス^[8]や感染^[9]に対する体の反応を制御します。体の代謝を調節し、飲食行動に影響を与え、エネルギー摂取の利用方法、つまり脂肪の代謝方法に影響を与えます^{[10] 。気分[11]} 、体液と電解質の恒常性^[12]、血圧^[13]に影響を与え、調節します。

神経内分泌系のニューロンは大きく、分泌産物を生産する小さな工場です。その神経終末は大きく、一貫した終末野に組織化されています。その出力は血液中で簡単に測定できます。また、これらのニューロンが何をするか、どのような刺激に反応するかは、仮説や実験で容易に調べることができます。したがって、神経内分泌ニューロンは、「ニューロンはどのようにしてその産物の合成、パッケージング、分泌を制御するのか？」や「どのように情報が電気的活動にエンコードされるのか？」などの一般的な疑問を研究するための優れた「モデル システム」です^{[引用が必要]} [ これは一次資料の観察であると思われます。]

ウォルター・リー・ゲインズは1915年に牛の授乳における下垂体の活動に注目しました。 ^[14]また、麻酔によって授乳と吸乳反射への反応が阻害される可能性があることにも注目しました。^[15]

ミュンヘン大学アルベルト・アインシュタイン医科大学のエルンスト・シャラーとベルタ・シャラー[ ^{16]は、1945年に}神経ペプチドに関する最初の観察と提案を行い、神経内分泌学の分野の共同創始者として認められています。

ジェフリー・ハリス^[17]は、多くの人から神経内分泌学の「父」と考えられています。オックスフォード大学のリー博士の解剖学教授であるハリスは、哺乳類の下垂体前葉が視床下部ニューロンから視床下部下垂体門脈循環に分泌されるホルモンによって制御されていることを示したことで知られています。対照的に、下垂体後葉のホルモンは、視床下部ニューロンの神経終末から直接全身循環に分泌されます。この独創的な研究は、ルンド大学のドラ・ヤコブソンとの共同研究で行われました。^[18]

最初に特定される因子は、甲状腺刺激ホルモン放出ホルモン(TRH) と性腺刺激ホルモン放出ホルモン(GnRH) です。TRH は、甲状腺刺激ホルモンの分泌を刺激する小さなペプチドです。GnRH (黄体形成ホルモン放出ホルモンとも呼ばれる) は、黄体形成ホルモンと卵胞刺激ホルモンの分泌を刺激します。

リヨン医学部の医学生ロジャー・ギユマン^[19]とチューレーン大学のアンドリュー・W・シャリーは、羊と豚の視床下部からこれらの因子を単離し、その構造を特定した。ギユマンとシャリーは、「脳のペプチドホルモン産生」の理解への貢献により、1977年にノーベル生理学・医学賞を受賞した。^[要出典]

1952年、サウスフロリダ大学のアンドル・ゼンティヴァニとゲザ・フィリップは、免疫の神経制御が視床下部を通じてどのように行われるかを示す世界初の研究論文を執筆した。^[20]

今日、神経内分泌学は、神経内分泌ニューロンという中核概念から直接的または間接的に生じた幅広いテーマを包含している。神経内分泌ニューロンは性腺を制御し、性腺のステロイドは脳に影響を及ぼし、副腎皮質刺激ホルモンの影響下で副腎から分泌されるコルチコステロイドも同様である。これらのフィードバックの研究は、神経内分泌学者の領域となった。視床下部神経内分泌ニューロンによって血液中に分泌されるペプチドは脳にも放出されることが判明し、中枢作用は末梢作用を補完するように見えることが多かった。そのため、これらの中枢作用を理解することも神経内分泌学者の領域となり、時にはこれらのペプチドが脳のまったく異なる部位に現れ、内分泌調節とは無関係の機能を果たしているように見える場合であっても、理解が深まった。神経内分泌ニューロンは、例えば消化を調節する末梢神経系で発見された。副腎髄質のアドレナリンとノルアドレナリンを放出する細胞は、内分泌細胞とニューロンの中間の特性を持つことが判明し、例えばエキソサイトーシスの分子メカニズムの研究のための優れたモデル系であることが証明されました。そして、これらもまた、拡張されて神経内分泌系になりました。^[要出典]

神経内分泌系は、神経科学や生理学における多くの基本原理を理解する上で重要であり、例えば、刺激と分泌の連関を理解する上で重要です。^[21]神経内分泌分泌のパターン形成の起源と重要性は、今日でも神経内分泌学の主要なテーマです。

神経内分泌学は、神経生物学的脳障害の理解と治療に不可欠な要素としても使用されています。一例は、甲状腺ホルモンによる気分症状の治療の増強です。 [ ^{22]もう1つは、統合失調症と診断された一部の患者の}脳脊髄液中にトランスサイレチン（チロキシン輸送）の問題が発見されたことです 。^[23]

ジェフリー・ハリスによる視床下部と下垂体の連絡を調べた最初の実験以来、この相互作用のメカニズムの詳細については多くのことが分かってきました。さまざまな実験技術が採用されました。初期の実験は、ホジキンとハクスリーが使用した電気生理学の技術に大きく依存していました。最近のアプローチでは、以前に特定されたメカニズムを理解し、さまざまな状況下での全身の反応と適応を予測するために、さまざまな数学モデルが組み込まれています。^{[引用が必要]}

神経内分泌学の初期には、特に視床下部と下垂体後葉における生理学的現象を特定するために電気生理学実験が使用されていました。1950 年、ジェフリー・ハリスとバリー・クロスは、電気刺激に対するオキシトシン放出を研究することでオキシトシン経路の概要を示しました。^[24] 1974 年、ウォルターズとハットンは、バソプレシン放出を司る視床下部中枢である視索上核を電気刺激することで、脱水の影響を調査しました。^[24]グレン・ハットンは、視床下部ニューロンの電気的特性の研究を含む、神経下垂体系の生理学の研究に生涯を捧げました。^[24]これにより、これらのニューロンの行動とその結果生じる生理学的効果を調査できるようになりました。神経内分泌細胞の電気的活動を研究することで、最終的に中枢神経ニューロン、神経内分泌ニューロン、内分泌細胞を区別することができました。^[25]

ホジキン・ハクスリーモデルは、特定の電圧におけるシステムの電流に関するデータを、膜電位を記述する時間依存データに変換します。このモデルを使用する実験は通常、同じ形式と仮定に依存しますが、特定の質問に答えるために微分方程式を変更します。この方法を採用することで、バソプレシン、GnRH、成長ホルモン刺激ホルモン、副腎皮質刺激ホルモン、および乳汁分泌ホルモンについて多くのことが分かってきました。^[8]

積分発火モデルは、ニューロンの閾値活動のみに焦点を当てることで、生物系を数学的に簡単に記述することを目指しています。これにより、このモデルは複雑なシステムの複雑さをうまく軽減しますが、実際の動作メカニズムを無視し、システムの出力が入力にどのように依存するかを定義する関数に置き換えます。^[8]このモデルは、下垂体後葉へのホルモン、具体的にはオキシトシンとバソプレシンの放出を記述するために使用されています。^[9]

機能的または平均場モデルは、「より単純な方がよい」という前提に基づいています。^[8]このモデルは、単一の変数を使用して細胞集団全体を記述することにより、多面的なシステムをモデル化する複雑さを軽減しようとします。代替案としては、各集団に異なる変数セットを使用することです。複数の細胞集団が相互作用するシステムをモデル化しようとすると、複数のセットを使用するとすぐに複雑になりすぎます。このモデルは、特に生殖周期（月経周期、黄体形成ホルモン、プロラクチンの急増）を含むいくつかのシステムを説明するために使用されています。^[9]コルチゾール分泌や成長ホルモン分泌を表す機能モデルも存在します。^[9]