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ニューロン（アメリカ英語）、ニューロン（イギリス英語）[ 1 ]または神経細胞は、興奮性があり、活動電位と呼ばれる電気信号を発する細胞です。ニューロンは、主に中枢神経系において神経ネットワークを形成します。ニューロンはインパルスを受け取り、伝達します。ニューロンはシナプスを介して他の細胞と通信します。シナプスは特殊な接続であり、通常、微量の化学神経伝達物質を使用して、シナプス前ニューロンからシナプス間隙を介して標的細胞に電気信号を伝達します。
ニューロンは、海綿動物とプラコゾアを除くすべての動物の神経組織の主要構成要素です。植物と菌類には神経細胞がありません。分子レベルの証拠は、電気信号を生成する能力が生命に初めて現れたのは約7億～8億年前のトニアン期であったことを示唆しています。ニューロンの祖先はペプチド作動性分泌細胞でした。これらの細胞は最終的に、シナプス後足場と高速電気信号を生成するイオンチャネルを細胞が作成できるようにする新しい遺伝子モジュールを獲得しました。電気信号を生成する能力は、神経系の進化における重要な革新でした。[ 2 ]
ニューロンは、その機能に基づいて通常 3 つのタイプに分類されます。感覚ニューロンは、触覚、音、光などの刺激に反応して感覚器官の細胞に影響を与え、脊髄、そして脳の感覚領域に信号を送ります。運動ニューロンは、脳と脊髄から信号を受け取り、筋肉の収縮[ 3 ]から腺の分泌まで、あらゆるものを制御します。介在ニューロンは、脳または脊髄の同じ領域内のニューロン同士を接続します。複数のニューロンが機能的に接続されると、神経回路と呼ばれるものが形成されます。
ニューロンは、核、ミトコンドリア、ゴルジ体などの他の細胞と同じ構造をすべて備えているが、軸索や樹状突起などの独自の構造も持っている。[ 4 ]細胞体（ソマ）はコンパクトな構造で、軸索と樹状突起は細胞体から突き出たフィラメントである。樹状突起は通常、豊富に枝分かれし、細胞体から数百マイクロメートル伸びる。軸索は軸索丘と呼ばれる膨らみから細胞体を出て、ヒトでは最大1メートル、他の種ではそれ以上の距離を移動する。枝分かれするが、通常は一定の直径を維持する。軸索の枝の最も遠い先端には軸索終末があり、そこでニューロンはシナプスを介して別の細胞に信号を伝達することができる。ニューロンには樹状突起がない場合や、軸索がない場合もある。神経突起という用語は、特に細胞が未分化の場合に、樹状突起または軸索のいずれかを説明するために使用されます。
ほとんどのニューロンは樹状突起と細胞体を介して信号を受け取り、軸索に沿って信号を送ります。シナプスの大部分では、信号は一方のニューロンの軸索から他方のニューロンの樹状突起へと伝達されます。しかし、シナプスは軸索同士、あるいは樹状突起同士を接続することもあります。信号伝達プロセスは、電気的側面と化学的側面の両方から成り立っています。ニューロンは、細胞膜を挟んで電圧勾配が維持されているため、電気的に興奮性です。電圧が短時間で十分に変化すると、ニューロンは活動電位と呼ばれる全か無かの電気化学的パルスを発生させます。この電位は軸索に沿って急速に伝わり、シナプス結合に到達すると、シナプス結合を活性化します。シナプス信号は興奮性または抑制性であり、細胞体に到達する正味の電圧を増減させます。
ほとんどの場合、ニューロンは脳の発達期および幼少期に神経幹細胞によって生成される。成人期になると、脳のほとんどの領域で神経新生はほぼ停止する。
ニューロンは神経系の主要な構成要素であり、グリア細胞はニューロンの構造的および代謝的サポートを提供します。[ 5 ]神経系は、脳と脊髄を含む中枢神経系と、自律神経系、腸管神経系、体性神経系を含む末梢神経系で構成されています。[ 6 ]脊椎動物では、ニューロンの大部分は中枢神経系に属しますが、一部は末梢神経節に存在し、多くの感覚ニューロンは網膜や蝸牛などの感覚器官に位置しています。
軸索は束になって神経束を形成し、末梢神経系ではそれが神経を構成する（ケーブルを構成する電線の束のようなもの）。中枢神経系では、軸索の束は神経路と呼ばれる。
ニューロンは細胞信号の処理と伝達に高度に特化しています。神経系のさまざまな部分で実行される機能の多様性を考えると、その形状、サイズ、電気化学的特性には大きな多様性があります。たとえば、ニューロンの細胞体は直径が4～100マイクロメートルまで変化する可能性があります。 [ 7 ]
ニューロンに関する一般的な見解では、その様々な解剖学的構成要素にそれぞれ固有の機能が割り当てられていると考えられている。しかしながら、樹状突起や軸索は、いわゆる主要な機能とは正反対の働きをすることがしばしばある。
中枢神経系の軸索と樹状突起は通常約1マイクロメートルの太さしかないが、末梢神経系ではそれよりもはるかに太いものもある。細胞体は通常直径約10～25マイクロメートルで、多くの場合、内部にある細胞核とそれほど大きさは変わらない。ヒトの運動ニューロンの最長の軸索は1メートルを超えることもあり、脊髄の基部からつま先まで伸びる。
感覚ニューロンの軸索は、つま先から脊髄後索まで伸びており、成体では1.5メートル以上にも及ぶ。キリンは、首の全長に沿って数メートルにも及ぶ単一の軸索を持っている。軸索の機能に関する知見の多くは、イカの巨大軸索の研究から得られたものであり、その比較的巨大なサイズ（厚さ0.5～1ミリメートル、長さ数センチメートル）のため、理想的な実験材料となっている。
完全に分化したニューロンは永久に分裂後状態である[ 10 ]が、成体脳に存在する幹細胞は生物の生涯を通じて機能的なニューロンを再生する可能性がある（神経発生を参照）。アストロサイトは星形のグリア細胞であり、幹細胞のような多能性という特性によりニューロンに変化することが観察されている[ 11 ]。
すべての動物細胞と同様に、すべてのニューロンの細胞体は、多くの種類のタンパク質構造が埋め込まれた脂質分子の二重層である形質膜で囲まれています。 [ 12 ]脂質二重層は強力な電気絶縁体ですが、ニューロンでは、膜に埋め込まれたタンパク質構造の多くが電気的に活性です。これらには、電気的に帯電したイオンが膜を通過することを可能にするイオンチャネルと、イオンを膜の一方の側から他方の側に化学的に輸送するイオンポンプが含まれます。ほとんどのイオンチャネルはゲート型で、特定の種類のイオンのみを透過させます。一部のイオンチャネルは電圧ゲート型で、膜の両端の電圧差を変えることで開閉状態を切り替えることができます。その他は化学ゲート型で、細胞外液を拡散する化学物質との相互作用によって開閉状態を切り替えることができます。イオンには、ナトリウム、カリウム、塩化物、カルシウムなどがあります。イオンチャネルとイオンポンプの相互作用により、膜を挟んで電圧差が生じます。この電圧は通常、基準値で1/10ボルト弱です。この電圧には2つの機能があります。1つ目は、膜に埋め込まれた様々な電圧依存性タンパク質機構に電力を供給すること、2つ目は、膜の異なる部分間で電気信号を伝達するための基盤を提供することです。
神経細胞体を塩基性（「塩基を好む」）色素で染色すると、ニッスル小体（またはニッスル物質）と呼ばれる多数の微小な塊が見られる。これらの構造は粗面小胞体とそれに付随するリボソームRNAから構成されている。ドイツの精神科医で神経病理学者のフランツ・ニッスル（1860～1919）にちなんで名付けられたこれらの構造はタンパク質合成に関与しており、神経細胞が非常に代謝的に活発であるという事実によってその顕著さが説明できる。アニリンや（弱）ヘマトキシリンなどの塩基性色素[ 13 ]は負に帯電した成分を強調し、リボソームRNAのリン酸骨格に結合する。
ニューロンの細胞体は、ニューロフィラメントと呼ばれる構造タンパク質の複雑な網目によって支えられており、ニューロフィラメントはニューロチューブル（ニューロン微小管）とともに、より大きなニューロフィブリルに組み立てられます。[ 14 ]一部のニューロンには、ニューロメラニン（カテコールアミンの合成の副産物である茶褐色の色素）やリポフスチン（黄褐色の色素）などの色素顆粒も含まれており、これらはどちらも加齢とともに蓄積します。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]ニューロンの機能に重要な他の構造タンパク質は、アクチンと微小管のチューブリンです。クラスIII β-チューブリンは、ほぼニューロンにのみ存在します。アクチンは、ニューロンの発達中に軸索と樹状突起の先端に主に存在します。そこで、アクチンのダイナミクスは微小管との相互作用によって調節されます。[ 18 ]
軸索と樹状突起には、内部構造上の異なる特徴がある。典型的な軸索には、起始部の一部を除いて、リボソームはほとんど含まれていない。一方、樹状突起には顆粒状小胞体またはリボソームが含まれており、細胞体からの距離が遠くなるにつれてその量は減少する。
ニューロンは形や大きさが異なり、形態と機能によって分類できます。[ 20 ]解剖学者カミッロ・ゴルジはニューロンを2つのタイプに分類しました。長い軸索を持ち、信号を長距離にわたって伝達するタイプIと、短い軸索を持ち、しばしば樹状突起と混同されるタイプIIです。タイプI細胞は、さらに細胞体の位置によって分類できます。脊髄運動ニューロンに代表されるタイプIニューロンの基本的な形態は、細胞体と呼ばれる細胞体と、ミエリン鞘で覆われた細長い軸索から構成されています。樹状突起は細胞体の周りを巻き、他のニューロンから信号を受け取ります。軸索の末端には枝分かれした軸索終末があり、終末と次のニューロンの樹状突起の間のシナプス間隙と呼ばれる隙間に神経伝達物質を放出します。
ほとんどのニューロンは解剖学的に次のように特徴づけられます。[ 4 ]
神経細胞には、神経系における位置や独特な形状に基づいて識別できるいくつかの特徴的な種類があります。例としては、以下のようなものがあります。
求心性ニューロンと遠心性ニューロンは、それぞれ脳に情報をもたらすニューロン、または脳から情報を送るニューロンを一般的に指す。
ニューロンは、化学受容体に結合する神経伝達物質を放出することで、他のニューロンに影響を与えます。シナプス後ニューロンへの影響は、シナプス前ニューロンや神経伝達物質ではなく、活性化される受容体の種類によって決まります。受容体は大きく分けて、興奮性（発火頻度の増加を引き起こす）、抑制性（発火頻度の減少を引き起こす）、調節性（発火頻度に直接関係しない長期的な影響を引き起こす）に分類されます。
脳内で最も一般的な（90%以上を占める）2つの神経伝達物質、グルタミン酸とGABAは、その作用がほぼ一貫している。グルタミン酸は複数の種類の受容体に作用し、イオンチャネル型受容体では興奮作用、代謝型受容体では調節作用を示す。同様に、GABAも複数の種類の受容体に作用するが、それらはすべて抑制作用を示す（少なくとも成体動物では）。このような一貫性から、神経科学者はグルタミン酸を放出する細胞を「興奮性ニューロン」、GABAを放出する細胞を「抑制性ニューロン」と呼ぶのが一般的である。他にも、脊髄の「興奮性」運動ニューロン（アセチルコリンを放出）や「抑制性」脊髄ニューロン（グリシンを放出）など、一貫した作用を示すニューロンが存在する。
興奮性神経伝達物質と抑制性神経伝達物質の区別は絶対的なものではありません。むしろ、シナプス後ニューロンに存在する化学受容体の種類に依存します。原則として、単一の神経伝達物質を放出する単一のニューロンは、一部の標的に対して興奮作用、他の標的に対して抑制作用、さらに他の標的に対して調節作用を持つことができます。たとえば、網膜の光受容細胞は、光がない状態では神経伝達物質グルタミン酸を常に放出します。いわゆるOFF双極細胞は、ほとんどのニューロンと同様に、放出されたグルタミン酸によって興奮します。しかし、ON双極細胞と呼ばれる隣接する標的ニューロンは、典型的なイオンチャネル型グルタミン酸受容体を持たず、代わりに抑制性の代謝型グルタミン酸受容体を発現しているため、グルタミン酸によって抑制されます。[ 21 ]光が存在すると、光受容細胞はグルタミン酸の放出を停止し、ON双極細胞の抑制が解除されて活性化されます。これにより、OFF双極細胞からの興奮が同時に除去され、OFF双極細胞は不活性化されます。
シナプス前ニューロンが発現するタンパク質に基づいて、シナプス前ニューロンがシナプス後ニューロンに及ぼす抑制効果の種類を特定することが可能です。パルブアルブミンを発現するニューロンは通常、視覚野のシナプス後ニューロンの出力信号を減衰させますが、ソマトスタチンを発現するニューロンは通常、シナプス後ニューロンへの樹状突起入力を遮断します。[ 22 ]
ニューロンは、固有の膜電位振動パターンなどの固有の電気応答特性を持っています。[ 23 ]したがって、ニューロンは電気生理学的特性に基づいて分類できます。
神経伝達物質は、あるニューロンから別のニューロンへ、あるいは筋肉細胞や腺細胞へと伝達される化学的なメッセンジャーである。
アセチルコリンはシナプス前ニューロンからシナプス間隙に放出されます。これは、リガンド依存性イオンチャネルと代謝型ムスカリン受容体（GPCR）の両方のリガンドとして作用します。ニコチン受容体は、ニコチンと結合するαサブユニットとβサブユニットからなる五量体リガンド依存性イオンチャネルです。リガンド結合によりチャネルが開き、Na +の流入による脱分極が起こり、シナプス前神経伝達物質の放出確率が高まります。アセチルコリンは、コリンとアセチル補酵素Aから合成されます。
ノルアドレナリン（ノルエピネフリン）は、交感神経系のほとんどの節後ニューロンから、 αアドレナリン受容体とβアドレナリン受容体という2組のGPCRに放出されます。ノルアドレナリンは、3つの一般的なカテコールアミン神経伝達物質の1つであり、末梢神経系で最も多く存在します。他のカテコールアミンと同様に、チロシンから合成されます。
GABAは、グリシンとともに中枢神経系（CNS）に存在する2つの神経抑制物質の1つです。GABAはアセチルコリン（ ACh）と相同な機能を持ち、Cl⁻イオンがシナプス後ニューロンに入ることを可能にする陰イオンチャネルを開閉します。Cl⁻はニューロン内で過分極を引き起こし、電圧がより負になるにつれて活動電位の発生確率を低下させます（活動電位が発生するには、正の電圧閾値に達する必要があります）。GABAは、グルタミン酸脱炭酸酵素によってグルタミン酸神経伝達物質から合成されます。
グルタミン酸は、アスパラギン酸と並ぶ2つの主要な興奮性アミノ酸神経伝達物質の1つです。グルタミン酸受容体は4つのカテゴリーに分類され、そのうち3つはリガンド依存性イオンチャネル、1つはGタンパク質共役受容体（GPCRと呼ばれることが多い）です。
NMDA受容体は、 Ca2 +透過性の高い別のカチオンチャネルです。NMDA受容体の機能は、チャネル孔内で共作動薬としてグリシン受容体が結合することに依存します。NMDA受容体は、両方のリガンドが存在しないと機能しません。代謝型受容体であるGPCRは、シナプス伝達とシナプス後興奮性を調節します。
ドーパミンは、cAMPとPKAを増加させるD1型（D1およびD5）Gs共役受容体と、cAMPとPKAを減少させるGi共役受容体を活性化するD2型（D2、D3、およびD4）受容体に作用する神経伝達物質です。ドーパミンは気分や行動に関係しており、シナプス前およびシナプス後の神経伝達の両方を調節します。黒質のドーパミンニューロンの喪失はパーキンソン病と関連付けられています。ドーパミンはアミノ酸チロシンから合成されます。チロシンはチロシンヒドロキシラーゼによってレボドパ（またはL-DOPA）に触媒され、レボドパは芳香族アミノ酸デカルボキシラーゼによってドーパミンに変換されます。
セロトニン（5-ヒドロキシトリプタミン、5-HT）は、興奮性または抑制性として作用します。5-HT受容体は4種類あり、そのうち3種類はGPCR、1種類はリガンド依存性カチオンチャネルです。セロトニンは、トリプトファンヒドロキシラーゼによってトリプトファンから合成され、さらに脱炭酸酵素によって分解されます。シナプス後ニューロンにおける5-HTの欠乏は、うつ病と関連付けられています。治療には、プロザックやゾロフトなどの、シナプス前セロトニントランスポーターを阻害する薬剤が使用されます。
ATPは、リガンド依存性イオンチャネル（P2X受容体）とGPCR（P2Y受容体）の両方に作用する神経伝達物質です。しかし、ATPは共伝達物質として最もよく知られています。このようなプリン作動性シグナル伝達は、アデノシンなどの他のプリンによっても媒介されることがあり、アデノシンは特にP2Y受容体に作用します。
ヒスタミンはモノアミン神経伝達物質および神経調節物質である。ヒスタミン産生ニューロンは視床下部の結節乳頭体核に存在する。[ 26 ]ヒスタミンは覚醒および睡眠/覚醒行動の調節に関与している。
2012年以来、細胞神経科学および計算神経科学コミュニティから、脳内のすべてのニューロンおよび種を超えて適用できる普遍的なニューロン分類を考案するよう働きかけられてきた。これは、すべてのニューロンの3つの本質的な特性、すなわち電気生理学、形態、および細胞個々のトランスクリプトームを考慮することによって行われる。この分類は普遍的であることに加えて、アストロサイトも分類できるという利点がある。3つの特性すべてを一度に測定できるパッチシーケンスと呼ばれる方法は、アレン脳科学研究所で広く使用されている。[ 27 ] 2023年には、最先端の分子生物学的手法を用いた研究者の国際協力により、転写レベル、エピジェネティックレベル、および機能レベルでの成人および発達中のヒト脳の包括的な細胞アトラスが作成された。[ 28 ]
ニューロンはシナプスを介して互いに通信します。シナプスとは、ある細胞の軸索終末が別のニューロンの樹状突起、細胞体、あるいはまれに軸索と接触する部分です。小脳のプルキンエ細胞のようなニューロンは1000本以上の樹状突起を持ち、数万個の他の細胞と接続しています。一方、視索上核の大型細胞ニューロンのようなニューロンは、1本か2本の樹状突起しか持たず、それぞれの樹状突起が数千個のシナプスと接続しています。
シナプスは興奮性または抑制性であり、それぞれ標的ニューロンの活動を増加させるか減少させる。一部のニューロンは電気シナプスを介して通信することもあり、これは細胞間の直接的な電気伝導性接合部である。[ 29 ]
活動電位が軸索終末に到達すると、電位依存性カルシウムチャネルが開き、カルシウムイオンが終末内に入ることができる。カルシウムは、神経伝達物質分子で満たされたシナプス小胞を膜と融合させ、その内容物をシナプス間隙に放出する。神経伝達物質はシナプス間隙を拡散し、シナプス後ニューロン上の受容体を活性化する。軸索終末の細胞質カルシウム濃度の上昇はミトコンドリアのカルシウム取り込みを誘発し、それがミトコンドリアのエネルギー代謝を活性化してATPを生成し、継続的な神経伝達を支える。[ 30 ]
オートシナプスとは、ニューロンの軸索が樹状突起に接続するシナプスのことである。
人間の脳には約 8.6 × 10 10 (860 億) 個のニューロンがあります。[ 31 ] [ 32 ]各ニューロンは平均して他のニューロンと 7,000 個のシナプス結合を持っています。3 歳児の脳には約 10 15 個のシナプス (1 京個) があると推定されています。この数は年齢とともに減少し、成人期には安定します。成人の推定値は 10 14～ 5 × 10 14 個のシナプス (100 ～ 500 兆個)と幅があります。 [ 33 ]
電気信号や化学信号以外にも、健康な人間の脳のニューロンは以下のような方法でもコミュニケーションできることが研究で示唆されている。
それらはまた、環境からの入力や生物の他の部分から放出されるホルモンによって調節されることもあり、 [ 37 ]これらはニューロンによって多かれ少なかれ直接的に影響を受ける可能性があります。これは、BDNFなどの神経栄養因子にも当てはまります。腸内細菌叢も脳とつながっています。[ 38 ] ニューロンはまた、脳の主要な免疫細胞であるミクログリアと「体細胞接合部」と呼ばれる特殊な接触部位を介して通信します。これらの接続により、ミクログリアはニューロンの機能を常に監視および調節し、必要に応じて神経保護を行うことができます。[ 39 ]
1937年、ジョン・ザカリー・ヤングは、イカの巨大軸索が神経細胞の電気的特性の研究に利用できることを示唆した。 [ 40 ]イカの巨大軸索は人間の神経細胞よりも大きいが類似しており、研究しやすい。イカの巨大軸索に電極を挿入することで、膜電位の正確な測定が行われた。
軸索と細胞体の細胞膜には、ニューロンが電気信号（活動電位）を生成・伝播させる電圧依存性イオンチャネルが存在する。一部のニューロンは、閾値下の膜電位振動も生成する。これらの信号は、ナトリウム（Na +）、カリウム（K +）、塩化物（Cl −）、カルシウム（Ca 2+）などの電荷を運ぶイオンによって生成・伝播される。
圧力、伸展、化学伝達物質、細胞膜を横切る電位の変化など、いくつかの刺激がニューロンを活性化し、電気活動を引き起こす可能性があります。 [ 41 ]刺激によって細胞膜内の特定のイオンチャネルが開き、イオンが細胞膜を通って流れ、膜電位が変化します。ニューロンは、ニューロンの種類を定義する特定の電気的特性を維持する必要があります。[ 42 ]
細いニューロンと軸索は活動電位を生成および伝達するのに必要な代謝コストが少ないが、太い軸索はインパルスをより速く伝達する。代謝コストを最小限に抑えつつ高速伝導を維持するために、多くのニューロンは軸索の周囲にミエリン鞘を持つ。この鞘はグリア細胞によって形成される。中枢神経系ではオリゴデンドロサイト、末梢神経系ではシュワン細胞である。この鞘により、同じ直径の無髄軸索よりも活動電位が速く伝わり、エネルギー消費も少なくなる。末梢神経のミエリン鞘は通常、軸索に沿って約1mmの 長さのセクションに分かれており、ランヴィエ絞輪と呼ばれる鞘のない結節が点在している。ランヴィエ絞輪には高密度の電位依存性イオンチャネルが存在する。多発性硬化症は、中枢神経系の軸索の脱髄によって引き起こされる神経疾患である。
一部のニューロンは活動電位を発生させず、代わりに段階的な電気信号を生成し、それが段階的な神経伝達物質の放出を引き起こします。このような非スパイク型ニューロンは、信号を長距離伝達できないため、感覚ニューロンまたは介在ニューロンである傾向があります。
神経符号化は、感覚情報やその他の情報が脳内でニューロンによってどのように表現されるかに関係しています。神経符号化を研究する主な目的は、刺激と個々のニューロンまたはニューロン群の応答との関係、およびニューロン群内のニューロンの電気活動間の関係を特徴づけることです。[ 43 ]ニューロンはデジタル情報とアナログ情報の両方を符号化できると考えられています。[ 44 ]
神経インパルスの伝導は、全か無かの反応の一例です。言い換えれば、ニューロンが反応する場合、完全に反応しなければなりません。より明るい画像やより大きな音のような刺激の強度が増しても、信号は強くなりませんが、発火頻度は増加します。[ 45 ]： 31受容体は刺激に対してさまざまな方法で反応します。緩徐適応型またはトーニック受容体は、一定の刺激に反応し、一定の発火率を生成します。トーニック受容体は、刺激の強度の増加に対して、発火頻度を増加させることで最もよく反応します。これは通常、1秒あたりのインパルスに対してプロットされた刺激のべき乗関数として表されます。これは、特定の周波数（色）の強度が増すとより多くの光子が必要になるという光の固有の性質に似ています。光子は特定の周波数に対して「強く」なることはできないからです。
その他の受容体タイプには、急速適応型受容体または位相性受容体があり、一定の刺激に対して発火頻度が減少したり停止したりします。例えば、皮膚は触れるとニューロンが発火しますが、物体が一定の圧力を維持するとニューロンの発火は停止します。圧力や振動に反応する皮膚や筋肉のニューロンには、その機能を助けるためのフィルタリング補助構造が備わっています。
パチニ小体はそのような構造の一つです。タマネギのような同心円状の層があり、軸索終末の周りに形成されます。圧力が加えられて小体が変形すると、機械的刺激が軸索に伝達され、軸索が発火します。圧力が一定であれば刺激は終了します。したがって、これらのニューロンは通常、最初の変形中と圧力が取り除かれて小体が再び形を変えるときに、一時的な脱分極で応答します。他のタイプの適応は、他のいくつかのニューロンの機能を拡張する上で重要です。[ 46 ]
ニューロンは常に定型的な最大応答を示すか、全く応答を示さないかのどちらかであると長らく考えられてきたが、これは部分的にしか正しくないと主張する研究があり、ニューロンが活動電位を発火するかしないかは事実であるものの、ニューロンが発火する活動電位の振幅と持続時間は大きく変化する可能性があり、ニューロンは少なくとも活動電位の強度で情報を符号化することができる。さらに、活動電位で運ばれるアナログ情報は、当初は不可能と考えられていた距離でも生き残り、移動できることが示されている。これは、文献でよく見られる通常のレートおよび時間符号化理論と比較して、情報を符号化する非常に効果的な方法であると提案されており、現在の常識が示唆するよりも約4倍多くの情報を伝達する能力がある。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]
ドイツの解剖学者ハインリヒ・ヴィルヘルム・ヴァルダイヤーは、1891年に「ニューロン」という用語を導入した[ 52 ] 。これは古代ギリシャ語のνεῦρον neuron「腱、索、神経」に基づいている[ 53 ] 。
この単語はフランス語でneuroneという綴りで採用されました。この綴りは英語でも多くの作家によって使用されましたが、[ 54 ]現在ではアメリカ英語ではまれになり、イギリス英語では一般的ではなくなりました。[ 55 ] [ 53 ]
以前の研究では、カミッロ・ゴルジが1873年に発表した、光顕微鏡下で神経組織を可視化するために使用される銀染色法の発見に関する論文で採用された神経細胞（cellule nervose）が使用されていた。[ 56 ]
ニューロンが神経系の主要な機能単位であるという認識は、19世紀後半にスペインの解剖学者サンティアゴ・ラモン・イ・カハルの研究によって初めて確立された。[ 57 ]
個々のニューロンの構造を可視化するために、ラモン・イ・カハルはカミッロ・ゴルジによって開発された銀染色法を改良した。[ 57 ]改良された方法は「二重含浸」と呼ばれる技術を含み、現在でも使用されている。
1888年、ラモン・イ・カハルは鳥の小脳に関する論文を発表した。この論文の中で、彼は軸索と樹状突起の吻合の証拠を見つけることができなかったと述べ、各神経要素を「自律的な領域」と呼んだ。[ 57 ] [ 52 ]これはニューロン説として知られるようになり、現代神経科学の中心的な教義の1つとなった。[ 57 ]
1891年、ドイツの解剖学者ハインリヒ・ヴィルヘルム・ヴァルダイヤーは、神経系の解剖学的および生理学的単位を説明するためにニューロンという用語を導入した、ニューロン説に関する非常に影響力のあるレビューを執筆した。[ 58 ] [ 59 ]
銀染色法は、理由は不明だが、組織内の細胞のごく一部しか染色しないため、他の細胞との重なりが少なく、個々のニューロンの完全な微細構造を露出させることができ、神経解剖学的調査に有用な方法である。[ 60 ]
ニューロン説とは、ニューロンが神経系の基本的な構造的・機能的単位であるという、現在では基本的な考え方である。この理論は19世紀後半にサンティアゴ・ラモン・イ・カハルによって提唱された。ニューロンは（網状構造でつながっていない）独立した細胞であり、代謝的に異なる単位として機能するという考え方である。
その後の発見により、この学説は改良されました。例えば、神経細胞ではないグリア細胞は、情報処理において重要な役割を果たしています。[ 61 ]また、電気シナプスは以前考えられていたよりも一般的であり、[ 62 ]神経細胞間の直接的な細胞質接続から成り立っています。実際、神経細胞はさらに緊密な結合を形成することができ、イカの巨大軸索は複数の軸索の融合によって生じます。[ 63 ]
ラモン・イ・カハルは、ニューロンが樹状突起と細胞体で信号を受け取り、それを活動電位として軸索に沿って一方向に、つまり細胞体から離れる方向に伝達するという動的分極の法則も提唱した。[ 64 ]動的分極の法則には重要な例外があり、樹状突起はニューロンのシナプス出力部位として機能することができ[ 65 ]、軸索はシナプス入力を受け取ることができる[ 66 ] 。
ニューロンは脳の「基本単位」とよく表現されますが、内部計算も行います。ニューロンは樹状突起内で入力を統合しますが、ニューロンを基本単位と仮定するモデルではこの複雑さが失われます。樹状突起の枝は空間コンパートメントとしてモデル化でき、その活動は受動的な膜特性に関連していますが、シナプスからの入力によっても異なる場合があります。樹状突起のコンパートメントモデル化は、ショウジョウバエの場合のように電極で記録するには小さすぎるニューロンの挙動を理解するのに特に役立ちます。[ 67 ]
脳内のニューロンの数は種によって大きく異なります。[ 68 ]人間の場合、大脳皮質には推定100億～200億個のニューロンがあり、小脳には550億～700億個のニューロンがあります。[ 69 ]対照的に、線虫Caenorhabditis elegansにはわずか302個のニューロンしかなく、科学者がそのすべてのニューロンをマッピングできたため、理想的なモデル生物となっています。生物学的実験でよく用いられるショウジョウバエDrosophila melanogasterには約10万個のニューロンがあり、多くの複雑な行動を示します。ニューロンの多くの特性、使用される神経伝達物質の種類からイオンチャネルの構成まで、種を超えて維持されているため、科学者はより複雑な生物で起こるプロセスをはるかに単純な実験システムで研究することができます。
シャルコー・マリー・トゥース病（CMT）は、神経の遺伝性疾患（神経障害）であり、主に足と脚の筋肉組織と触覚の喪失を特徴とし、進行すると手と腕にも影響が及ぶ。現在治療法はないが、この疾患は最も一般的な遺伝性神経疾患の1つであり、10万人に36人が罹患している。[ 70 ]
アルツハイマー病（AD）は、単にアルツハイマー病とも呼ばれ、進行性の認知機能障害、日常生活動作の低下、神経精神症状または行動の変化を特徴とする神経変性疾患です。 [ 71 ]最も顕著な初期症状は短期記憶の喪失（健忘）であり、通常は軽度の物忘れとして現れ、病気の進行とともに徐々に顕著になり、古い記憶は比較的保持されます。疾患が進行すると、認知（知的）障害は言語（失語症）、熟練した運動（失行症）、認識（失認症）の領域にまで広がり、意思決定や計画などの機能が損なわれます。[ 72 ] [ 73 ]
パーキンソン病（PD）は、中枢神経系の変性疾患であり、運動機能や言語能力が損なわれることが多い。[ 74 ]パーキンソン病は、運動障害と呼ばれる疾患群に属する。[ 75 ]特徴としては、筋硬直、振戦、身体動作の緩慢化（徐動症）、そして極端な場合には身体動作の喪失（無動症）などがある。主な症状は、大脳基底核による運動皮質の刺激の低下によるもので、通常は脳のドーパミン作動性ニューロンで産生されるドーパミンの生成と作用が不十分なために起こる。二次的な症状としては、高度な認知機能障害や軽微な言語障害などが挙げられる。PDは慢性かつ進行性の疾患である。
重症筋無力症は、簡単な動作でも筋力低下や疲労感が変動する神経筋疾患です。筋力低下は通常、シナプス後神経筋接合部のアセチルコリン受容体を遮断する循環抗体によって引き起こされ、神経伝達物質であるアセチルコリンの刺激作用が阻害されます。重症筋無力症の治療には、免疫抑制剤、コリンエステラーゼ阻害薬、そして症例によっては胸腺摘出術が用いられます。
脱髄とは、神経線維を覆うミエリン鞘が徐々に失われていく過程です。ミエリンが劣化すると、神経に沿った信号伝達が著しく阻害または失われ、最終的には神経が萎縮します。脱髄は中枢神経系と末梢神経系の両方に影響を及ぼし、多発性硬化症、ギラン・バレー症候群、慢性炎症性脱髄性多発神経障害など、さまざまな神経疾患の原因となります。脱髄は自己免疫反応によって引き起こされることが多いですが、ウイルス感染、代謝障害、外傷、一部の薬剤によっても引き起こされることがあります。
ほとんどの損傷反応には切断された部分の再封鎖を促進するカルシウム流入シグナルが含まれるが、軸索損傷は最初に急性軸索変性を引き起こし、これは損傷後30分以内に近位端と遠位端が急速に分離する。[ 76 ]変性は軸索膜の腫脹を伴い、最終的にはビーズ状の形成につながる。軸索細胞骨格と内部オルガネラの顆粒状崩壊は軸索膜の分解後に起こる。初期の変化には、損傷部位の傍節領域へのミトコンドリアの蓄積が含まれる。小胞体は分解し、ミトコンドリアは腫脹して最終的に崩壊する。崩壊はユビキチンおよびカルパインプロテアーゼ（カルシウムイオンの流入によって引き起こされる）に依存しており、軸索変性は完全な断片化を引き起こす能動的なプロセスであることを示唆している。この過程は末梢神経系では約24時間、中枢神経系ではそれ以上の時間を要する。軸索膜変性を引き起こすシグナル伝達経路は不明である。
神経細胞は神経発生という過程を経て発達する。この過程では、神経幹細胞が分裂して分化した神経細胞を生成する。完全に分化した神経細胞は、もはや有糸分裂を行うことができない。神経発生は主に胚発生の過程で起こる。
ニューロンは、胚の神経管から最初に発達します。神経管は、脳室帯、中間帯、辺縁帯の3つの層から構成されています。脳室帯は神経管の中心管を取り囲み、上衣になります。脳室帯の分裂細胞は中間帯を形成し、中間帯は神経管の最外層である軟膜層まで伸びています。脳の灰白質は中間帯から生じます。中間帯のニューロンの突起は辺縁帯を構成し、髄鞘化されると脳の白質になります。[ 77 ]
ニューロンの分化はサイズによって順序付けられる。大きな運動ニューロンが最初に分化する。小さな感覚ニューロンはグリア細胞とともに出生時に分化する。[ 77 ]
成人神経新生は起こり得るが、ヒト神経細胞の年齢に関する研究では、このプロセスはごく一部の細胞でのみ起こり、大部分の新皮質の神経細胞は出生前に形成され、置換されることなく存続することが示唆されている。ヒトにおける成人神経新生の程度と、それが認知に果たす役割については議論があり、2018年に相反する報告が発表されている。[ 78 ]
人体には、神経細胞に分化できるさまざまな幹細胞が存在する。研究者たちは、細胞が新しいアイデンティティを強制的に獲得する「分化転換」を利用して、ヒトの皮膚細胞を神経細胞に変換する方法を発見した。[ 79 ]
哺乳類の脳における神経発生の過程で、前駆細胞と幹細胞は増殖分裂から分化分裂へと進行する。この進行により、皮質層を構成するニューロンとグリア細胞が形成される。エピジェネティック修飾は、分化中の神経幹細胞における遺伝子発現の調節に重要な役割を果たし、発達期および成体の哺乳類の脳における細胞運命決定に不可欠である。エピジェネティック修飾には、5-メチルシトシンを形成するためのDNAシトシンメチル化と5-メチルシトシン脱メチル化が含まれる。[ 80 ] DNAシトシンメチル化は、DNAメチルトランスフェラーゼ（DNMT）によって触媒される。メチルシトシン脱メチル化は、酸化反応（例えば、5-メチルシトシンから5-ヒドロキシメチルシトシン）を実行するTET酵素とDNA塩基除去修復（BER）経路の酵素によって、いくつかの段階で触媒される。[ 80 ]
哺乳類の神経系発達のさまざまな段階で、DNA二本鎖切断の修復には2つのDNA修復プロセスが用いられます。これらの経路は、増殖中の神経前駆細胞で使用される相同組換え修復と、主に発達後期段階で使用される非相同末端結合です[ 81 ]。
発達中のニューロンとミクログリア間の細胞間コミュニケーションも、適切な神経発生と脳の発達に不可欠である。[ 82 ]
末梢軸索は切断されても再生するが[ 83 ]、1つのニューロンは別の種類のニューロンで機能的に置き換えることはできない（リナスの法則） [ 23 ]。
978-1-947172-04-3。中枢神経系の隣接する、あるいは離れた核をつなぐ神経線維（軸索）の束を神経路という。
{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)・カハルのゴルジ染色に関する最初の論文は鳥の小脳に関するもので、 1888年に
『Revista』誌に掲載された。
彼は神経線維が非常に複雑であることは認めたものの、軸索や樹状突起が吻合して網状構造を形成している証拠は見つからなかったと述べた。彼はそれぞれの神経要素を「自律的な領域」と呼んだ。
... 2年後にニューロン説を支持する証拠に関する非常に影響力のあるレビューを書くことになる人物。ワルダイヤー（1891）は論文の中で、神経細胞は自由に末端に樹状突起を形成させ、「ニューロン」は神経系の解剖学的および生理学的単位であると書いた。「ニューロン」という言葉はこうして生まれた。
、神経系の細胞機能単位を説明するために「ニューロン」という用語を作り出し、1891年にその概念を明文化し明確化したニューロン理論の創始者として記憶されています。
研究者らは、ヒトの皮膚の細胞を機能する神経細胞に変換することで、神経系の疾患のモデル、ひいては細胞移植に基づく再生療法のモデルを考案した可能性がある。本日オンライン版の
Nature
で報告されたこの成果は、細胞が新しいアイデンティティを獲得することを強いられるトランスディフィケーションと呼ばれる急速に進展している分野の最新のものである。過去 1 年間で、研究者らは皮膚に見られる結合組織細胞を心臓細胞、血液細胞、肝臓細胞に変換した。