神経伝達

神経伝達（ラテン語: transmissio「通過、横断」transmittere「送る、通す」より）は、神経伝達物質と呼ばれるシグナル伝達分子がニューロンの軸索終末（シナプス前ニューロン）から放出され、少し離れた別のニューロン（シナプス後ニューロン）の樹状突起上の受容体に結合して反応するプロセスです。Ca 2 + 、 Na +、K +^などの^イオン濃度^の変化が、このプロセスの化学的および電気的活動の両方の根底にあります。^{[ 1 ] [ 2 ]}カルシウムレベルの上昇は不可欠であり、プロトンによって促進されることがあります。^{[ 3 ]}同様のプロセスは逆行性神経伝達でも起こり、シナプス後ニューロンの樹状突起が逆行性神経伝達物質（例えば、細胞内カルシウム濃度の上昇に応じて合成されるエンドカンナビノイド）を放出し、それが主にGABA作動性およびグルタミン酸作動性シナプスにおいてシナプス前ニューロンの軸索終末に存在する受容体を介してシグナル伝達を行う。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

神経伝達は、神経伝達物質の利用可能性と合成速度、その神経伝達物質の放出、シナプス後細胞の基礎活動、神経伝達物質が結合できるシナプス後受容体の数、および酵素またはシナプス前再取り込みによる神経伝達物質のその後の除去または不活性化など、いくつかの異なる要因によって調節されます。^{[ 8 ] [ 9 ]}

閾値活動電位または段階的電位に応答して、シナプス前終末で神経伝達物質が放出されます。放出された神経伝達物質はシナプス間隙を移動し、シナプス後ニューロンの膜にある受容体に結合します。神経伝達物質の結合は、シナプス後ニューロンに抑制的または興奮的な影響を与える可能性があります。シナプス後ニューロンの受容体への神経伝達物質の結合は、シナプス後電位と呼ばれる膜電位の変化などの短期的な変化、またはシグナル伝達カスケードの活性化による長期的な変化を引き起こす可能性があります。

ニューロンは、神経インパルス（活動電位）が伝わる複雑な生物学的神経ネットワークを形成します。ニューロン同士は直接接触しません（ギャップ結合を介した電気シナプスの場合を除く）。代わりに、ニューロンはシナプスと呼ばれる近接した接触点で相互作用します。ニューロンは活動電位を介して情報を伝達します。神経インパルスがシナプスに到達すると、神経伝達物質が放出され、それが別の（シナプス後）ニューロンに影響を与えます。シナプス後ニューロンは、興奮性および抑制性の両方の多くの追加のニューロンから入力を受け取る可能性があります。興奮性および抑制性の影響は合計され、正味の効果が抑制性であれば、ニューロンは「発火」（すなわち、活動電位の発生）する可能性が低くなり、正味の効果が興奮性であれば、ニューロンは発火する可能性が高くなります。ニューロンが発火する可能性は、その膜電位が閾値電位からどれだけ離れているかによって決まります。閾値電位とは、十分な数の電位依存性ナトリウムチャネルが活性化され、正味の内向きナトリウム電流がすべての外向き電流を上回るため、活動電位が引き起こされる電圧です。^{[ 10 ]}興奮性入力はニューロンを閾値に近づけ、抑制性入力はニューロンを閾値から遠ざけます。活動電位は「全か無か」の事象です。膜電位が閾値に達していないニューロンは発火しませんが、閾値に達したニューロンは必ず発火します。活動電位が開始されると（従来は軸索丘で）、軸索に沿って伝播し、シナプスボタンで神経伝達物質が放出され、情報がさらに別の隣接するニューロンに伝達されます。

1. 神経伝達物質の合成。これは細胞体、軸索、または軸索終末で行われる。例：アセチルコリン
2. 神経伝達物質は軸索終末の小胞に貯蔵される。
3. シナプス伝達の前には、軸索終末の外側に高濃度のカルシウムイオンが存在する。
4. 神経インパルス（脱分極）が軸索終末に到達する。
5. シナプス前膜の脱分極により、軸索終末の電位依存性Ca2++チャネルが開く。
6. カルシウムが軸索終末に拡散すると、軸索終末に隣接する小胞が細胞膜と融合する。
7. 融合によって神経伝達物質がシナプス間隙に放出される。
8. 放出された神経伝達物質は、シナプス間隙を拡散し、シナプス後樹状突起（次の神経）の膜にある神経伝達物質作動性イオンチャネルに結合する。
9. 神経伝達物質が結合すると、シナプス後膜上の隣接するNa電位依存性チャネルが開き、シナプス後膜上の受容体が活性化される。
10. ナトリウムイオンはナトリウムイオン電位依存性チャネルを通ってシナプス後樹状突起に拡散し、下流のニューロンの脱分極を引き起こす。
11. 神経伝達物質の不活性化。神経伝達物質は酵素的に破壊されるか、元の末端に取り戻されて再利用されるか、分解されて除去されるかのいずれかである。^{[ 11 ]}

神経伝達物質は、シナプス前活動電位とは無関係に、小胞に自発的に詰め込まれ、個々の量子パケットとして放出されます。この緩やかな放出は検出可能であり、シナプス後ニューロンに微小抑制効果または微小興奮効果をもたらします。活動電位はこのプロセスを一時的に増幅します。神経伝達物質を含む小胞は活性部位の周囲に集まり、放出された後は、3つの提案されているメカニズムのいずれかによってリサイクルされる可能性があります。最初の提案されているメカニズムは、小胞が部分的に開いてから再び閉じるというものです。残りの2つは、小胞が膜と完全に融合し、その後リサイクルされるか、エンドソームにリサイクルされるというものです。小胞の融合は、カルシウムチャネル付近の微小領域におけるカルシウム濃度によって大きく駆動され、神経伝達物質の放出はわずか数マイクロ秒で済みますが、通常のカルシウム濃度に戻るには数百マイクロ秒かかります。小胞のエキソサイトーシスは、ボツリヌス毒素の標的であるSNAREと呼ばれるタンパク質複合体によって駆動されると考えられています。放出された神経伝達物質はシナプスに入り、受容体と遭遇します。神経伝達物質受容体は、イオンチャネル型またはGタンパク質共役型のいずれかです。イオンチャネル型受容体は、リガンドによって活性化されるとイオンが通過することを可能にします。主なモデルでは、イオン選択性の調整を可能にする複数のサブユニットから構成される受容体が関与しています。Gタンパク質共役型受容体（代謝型受容体とも呼ばれる）は、リガンドが結合すると構造変化を起こし、細胞内応答をもたらします。神経伝達物質の活性の終結は通常、トランスポーターによって行われますが、酵素による不活性化も考えられます。^{[ 12 ]}

各ニューロンは多数の他のニューロンと接続し、それらから多数のインパルスを受け取ります。 加算とは、軸索丘でこれらのインパルスを合計することです。ニューロンが興奮性インパルスのみを受け取ると、活動電位が発生します。逆に、ニューロンが興奮性インパルスと同じ数の抑制性インパルスを受け取ると、抑制が興奮を打ち消し、神経インパルスはそこで停止します。^{[ 13 ]}活動電位の発生は、神経伝達物質放出の確率とパターン、およびシナプス後受容体の感作に比例します。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

空間加算とは、ニューロン上の異なる場所で受けた刺激の効果が加算されることを意味し、個々の刺激だけでは発火を引き起こすのに十分でなくても、そのような刺激が同時に受け取られた場合にニューロンが発火する可能性がある。

時間的加算とは、同じ場所で受けたインパルスが時間的に近接して受け取られた場合、その効果が加算されることを意味します。したがって、個々のインパルスだけでは発火を引き起こすのに十分でなくても、複数のインパルスが受け取られるとニューロンが発火する可能性があります。^{[ 17 ]}

神経伝達は、情報の収束と発散の両方を意味します。まず、1つのニューロンが他の多くのニューロンの影響を受け、入力が収束します。ニューロンが発火すると、信号は他の多くのニューロンに送られ、出力が発散します。他の多くのニューロンもこのニューロンの影響を受けます。

共伝達とは、単一の神経終末から複数の種類の神経伝達物質が放出される現象である。

神経終末では、神経伝達物質はシナプス小胞 と呼ばれる35～50 nmの膜に包まれた小胞内に存在します。神経伝達物質を放出するために、シナプス小胞は、シナプス前膜にあるポロソームと呼ばれる特殊な10～15 nmのカップ状のリポタンパク質構造の基部に一時的にドッキングして融合します。^{[ 18 ]}神経ポロソームのプロテオームは解明されており、分子構造と機構の完全な構成が明らかになっています。^{[ 19 ]} 

最近の様々なシステムにおける研究では、ほとんどすべてのニューロンが複数の異なる化学伝達物質を放出することが示されている。^{[ 20 ]}共伝達によりシナプス後受容体でより複雑な効果が得られ、ニューロン間でより複雑なコミュニケーションが可能になる。

現代の神経科学では、ニューロンはしばしば共伝達物質によって分類される。例えば、線条体の「GABA作動性ニューロン」は、オピオイドペプチドまたはサブスタンスPを主要な共伝達物質として利用する。

一部のニューロンは、抑制性介在ニューロンがない場合でも、意味のある符号化に必要な安定化負のフィードバックを提供するために、少なくとも2つの神経伝達物質を同時に放出することができ、もう1つは共伝達物質である。^{[ 21 ]}例としては、次のものがある。

• GABAとグリシンの同時放出。
• ドーパミンとグルタミン酸の同時放出。
• アセチルコリン（ACh）とグルタミン酸の共放出。
• アセチルコリン（ACh）と血管作動性腸管ペプチド（VIP）の同時放出。
• アセチルコリン（ACh）とカルシトニン遺伝子関連ペプチド（CGRP）の同時放出。
• グルタミン酸とダイノルフィンの共放出（海馬において）。

ノルアドレナリンとATPは交感神経の共伝達物質である。内因性カンナビノイドであるアナダミドとカンナビノイドWIN 55,212-2は交感神経刺激に対する全体的な反応を変化させることができ、シナプス前CB1受容体が交感神経抑制作用を媒介することが示されている。したがって、カンナビノイドは交感神経伝達のノルアドレナリン作動性成分とプリン作動性成分の両方を阻害することができる。^{[ 22 ]}

珍しい共伝達物質のペアの 1 つは、腹側被蓋野(VTA)、内側淡蒼球、および乳頭体上核に由来するニューロンの同じ軸索終末から放出される GABA とグルタミン酸である。^{[ 23 ]}前 2 つのニューロンは手綱核に投射するが、乳頭体上核からの投射は海馬の歯状回を標的とすることが知られている。 ^{[ 23 ]}

神経伝達は、他の特性や特徴と遺伝的に関連している。例えば、さまざまなシグナル伝達経路のエンリッチメント解析により、頭蓋内容積との遺伝的関連性が発見された。^{[ 24 ]}

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• 神経伝達概念の歴史的変遷