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嗅球（ラテン語：bulbus olfactorius）は、脊椎動物の前脳にある神経構造で、嗅覚、つまり匂いを感じる感覚に関与しています。嗅球は、扁桃体、眼窩前頭皮質（OFC）、海馬などの他の脳領域に嗅覚情報を伝達し、感情、記憶、学習に貢献しています。
嗅球は、主嗅球と副嗅球という2つの明確な構造に分かれている。主嗅球は、一次嗅覚皮質の梨状皮質を介して扁桃体と接続し、主嗅球から扁桃体の特定の領域へ直接投射する。副嗅球は主嗅球の背側後部に位置し、主嗅球と平行な経路を形成する。
嗅球の破壊は同側の嗅覚脱失を引き起こす一方、鉤状回への刺激性病変は嗅覚および味覚の幻覚を引き起こす可能性がある。
ほとんどの脊椎動物では、ラットに見られるように、嗅球は脳の最も吻側（前方）に位置しています。しかし、ヒトでは、嗅球は脳の下側（下方）にあります。嗅球は、篩骨の篩板によって支えられ、保護されています。哺乳類では、篩板は嗅上皮から嗅球を隔てており、嗅神経軸索が貫通しています。嗅球は、主嗅球と副嗅球という2つの異なる構造に分かれています。
主嗅球は多層構造の細胞組織を持つ。表面から中心に向かって、各層は以下の通りである。
嗅球は鼻から脳へ匂い情報を伝達するため、適切な嗅覚には不可欠です。神経回路として、糸球体層は、鼻腔の領域である嗅粘膜にある約1000万個の嗅覚受容体ニューロンの軸索からなる求心性神経から直接入力を受け取ります。軸索の末端は糸球体と呼ばれる球状構造に集まり、各糸球体は主に同じ嗅覚受容体を発現する嗅覚受容体ニューロンから入力を受け取ります。嗅球の糸球体層は、シナプス処理の最初のレベルです。[ 1 ]
糸球体層は、官能基や炭素鎖長などの匂い物質の化学構造によって組織化された空間的な匂いマップを表しています。この空間マップは、類似した糸球体、したがって類似した匂いを表すゾーンとクラスターに分割されています。特に1つのクラスターは、特定の化学的特性によって表される、腐敗臭や悪臭と関連付けられています。この分類は、もはや食べられない食品を識別するのに役立つように進化的に獲得された可能性があります。糸球体層の空間マップは、嗅覚皮質での匂いの知覚に使用されている可能性があります。[ 2 ]
嗅球における次のレベルのシナプス処理は、糸球体層と僧帽細胞層の間の外網状層で行われます。外網状層には、アストロサイト、介在ニューロン、および一部の僧帽細胞が含まれています。細胞体は多くなく、主に僧帽細胞とGABA作動性顆粒細胞の樹状突起が含まれています[ 3 ] 。また、僧帽細胞と呼ばれるニューロンの樹状突起も外網状層に浸透しており、そこから嗅覚皮質に出力されます。嗅球には、糸球体内および糸球体間でシナプスを形成する傍糸球体細胞や、僧帽細胞とシナプスを形成する顆粒細胞など、多数の介在ニューロンが存在します。顆粒細胞層は嗅球の最も深い層です。この層は、僧帽細胞層とシナプスを形成する樹状突起顆粒細胞で構成されています[ 4 ] 。
嗅球は嗅覚を感知する脳の部位です。神経回路として、嗅球は感覚入力源が1つ（嗅上皮の嗅覚受容体ニューロンからの軸索）、出力源が1つ（僧帽細胞の軸索）しかありません。そのため、多くの入力と多くの出力を持つ連想回路とは対照的に、一般的にはフィルターとして機能すると考えられています。しかし、嗅球は嗅覚皮質、 扁桃体、新皮質、海馬、青斑核、黒質などの脳領域から「トップダウン」の情報も受け取ります。[ 5 ] その潜在的な機能は、互いに排他的ではない4つのカテゴリーに分類できます。
これらの機能はすべて理論的には嗅球の回路配置から生じる可能性があるが、これらの機能のうちどれが嗅球のみによって実行されるのかは不明である。網膜などの脳の類似部位との類推から、多くの研究者は、嗅球が空間的に受容体ニューロンからの入力情報をどのようにフィルタリングするか、あるいは時間的に入力情報をどのようにフィルタリングするかに注目してきた。これらの提案されているフィルタの中核をなすのは、2種類の介在ニューロン、すなわち傍糸球体細胞と顆粒細胞である。処理は、糸球体層で匂いを分類する空間マップから始まり、主嗅球の各レベルで行われる。[ 2 ]
外網状層の介在ニューロンはシナプス前活動電位に反応し、興奮性シナプス後電位と抑制性シナプス後電位の両方を示します。神経発火は時間的に変化し、速く自発的な発火の期間と、発火の緩やかな変調の期間があります。これらのパターンは、嗅ぎ分けや匂い物質の強度と濃度の変化に関連している可能性があります。[ 3 ]時間的パターンは、匂い物質の空間認識の後続処理に影響を与える可能性があります。たとえば、同期した僧帽細胞のスパイク列は、スパイク列が同期していない場合よりも、類似の匂いをよりよく識別するのに役立つようです。[ 6 ]よく知られているモデル[ 7 ]では、球神経回路が受容体の匂い情報を僧帽細胞集団の神経振動活動の集団パターンに変換し[ 8 ] 、このパターンが嗅覚皮質の嗅覚対象の連合記憶によって認識されます。[ 9 ] [ 10 ]嗅覚皮質から嗅球へのトップダウンフィードバックは嗅球の反応を調節し、例えば、嗅球は既存の嗅覚背景に適応して、匂いの混合物から前景の匂いを識別したり、[ 10 ] [ 11 ]匂いの探索中にターゲットの匂いに対する感度を高めたりすることができる。[ 12 ] [ 10 ]
外網状層の介在ニューロンは、僧帽細胞にフィードバック抑制を行い、逆伝播を制御します。また、僧帽細胞の側方抑制にも関与しています。この抑制は、背景臭に対する発火を減少させ、僧帽細胞層における嗅神経入力の応答を区別することで、匂いの識別を助けるため、嗅覚の重要な部分です。[ 1 ] 他の層による僧帽細胞層の抑制は、嗅球からの出力を調節することで、匂いの識別と高次処理に貢献します。匂い刺激中のこれらの過分極は、僧帽細胞の応答を形成し、匂いに対する特異性を高めます。[ 4 ]
僧帽細胞層と顆粒細胞層の間に位置する内網状層の機能については、ほとんど情報がない。
僧帽細胞の基底樹状突起は顆粒細胞と呼ばれる介在ニューロンに接続されており、この介在ニューロンは僧帽細胞間の側方抑制を引き起こす可能性がある。僧帽細胞と顆粒細胞間のシナプスは、シナプスの両側が神経伝達物質を放出する樹状突起である、まれな「樹状突起間シナプス」である。この場合、僧帽細胞は興奮性神経伝達物質であるグルタミン酸を放出し、顆粒細胞は抑制性神経伝達物質であるγ-アミノ酪酸（GABA）を放出する。双方向性のため、樹状突起間シナプスは僧帽細胞自身（自己抑制）だけでなく、隣接する僧帽細胞（側方抑制）も抑制することができる。より具体的には、顆粒細胞層は僧帽細胞と房状細胞の基底樹状突起から興奮性グルタミン酸シグナルを受け取る。顆粒細胞は、GABAを放出して僧帽細胞に抑制効果をもたらします。活性化された僧帽細胞から顆粒細胞の接続された樹状突起に放出される神経伝達物質が増えるため、顆粒細胞から活性化された僧帽細胞への抑制効果は周囲の僧帽細胞よりも強くなります。[ 4 ] 側方抑制の機能的役割は明らかではありませんが、周囲の非活性化ニューロンの基礎発火率を抑制することで、匂い信号の信号対雑音比を高めることに関与している可能性があります。これは匂いの識別に役立ちます。[ 1 ] 他の研究では、側方抑制が匂いの分化応答に寄与し、異なる匂いの処理と知覚に役立つことが示唆されています。[ 4 ]また、顆粒細胞の脱分極を増強し、顆粒細胞をより興奮しやすくして僧帽細胞の抑制を増加させるコリン作動性効果が顆粒細胞に及ぼす証拠もあります。これは、嗅球からの出力が糸球体の匂いマップにより近いものになることに寄与する可能性がある。[ 13 ] [ 14 ]嗅覚は、末梢感覚受容体が間脳で中継される 他の感覚システムとは異なります。したがって、嗅球は嗅覚システムにおいてこの役割を果たします。
脊椎動物では、主嗅球の背側後部に位置する副嗅球（AOB）は、主嗅球とは独立した並行経路を形成します。鋤鼻器は副嗅球に投射を送ります[ 15 ] [ 16 ]。これにより、副嗅球は副嗅覚系の第2の処理段階となります。主嗅球と同様に、副嗅球への軸索入力は糸球体内の僧帽細胞とシナプスを形成します。副嗅球は、鋤鼻器から軸索入力を受けます。鋤鼻器は、主嗅上皮とは異なる感覚上皮であり、社会的行動や生殖行動に関連する化学刺激を検出しますが、おそらく一般的な匂い物質も検出します。[ 17 ]鋤鼻器ポンプが作動するためには、まず主嗅上皮が適切な匂いを感知する必要があると仮説が立てられている。[ 18 ]しかし、鋤鼻器系が一般的な嗅覚入力と並行して、あるいは独立して機能する可能性はまだ排除されていない。
鋤鼻感覚ニューロンは、僧帽細胞と呼ばれる副嗅球主ニューロンに直接興奮性入力を供給します。[ 19 ]これらは扁桃体と視床下部に伝達されるため、性ホルモン活性に直接関与し、攻撃性や交尾行動に影響を与える可能性があります。[ 20 ]鋤鼻感覚ニューロンの軸索は特定の受容体タイプを発現し、主嗅球で起こることとは異なり、6～30個の副嗅球糸球体の間で分岐します。僧帽細胞の樹状突起終末は、感覚ニューロン軸索のシナプス前統合直後に、標的化とクラスター化の劇的な期間を経ます。鋤鼻感覚ニューロンと僧帽細胞の接続は正確で、僧帽細胞の樹状突起は糸球体を標的としています。[ 19 ]ヒトや他の高等霊長類に機能的な副嗅球が存在するという証拠はありません。[ 21 ]
AOBは前部と後部の2つの主要なサブ領域に分かれており、それぞれ鋤鼻感覚ニューロンの2つの主要なカテゴリー、V1RとV2Rから分離されたシナプス入力を受けます。これは、異なる種類と分子量の化学刺激を検出する2つの感覚ニューロン集団の異なる役割を考えると、明確な機能的特化であるように見えます。しかし、AOBの両側からの僧帽細胞の投射が収束する中枢では、この特化は維持されていないようです。AOB回路の、嗅球の他の部分との明確な違いは、神経網糸球体内の僧帽細胞と鋤鼻感覚求心性線維間の異質な接続です。AOB僧帽細胞は、異なる受容体ニューロンの求心性線維によって形成される糸球体の頂端樹状突起を介して接続しており、一般的に主要な嗅覚系に当てはまる1つの受容体1つのニューロンの規則を破っています。これは、VNO を介して感知され AOB で処理される刺激が、異なる、おそらくより複雑なレベルの処理を受けることを示唆しています。したがって、AOB の僧帽細胞は、他の嗅球投射ニューロンと比較して異なる発火パターンを示します。[ 22 ]さらに、嗅球へのトップダウン入力は、嗅覚出力に異なる影響を与えます。[ 23 ]
嗅球は嗅覚情報を扁桃体、眼窩前頭皮質（OFC）、海馬に送り、そこで感情、記憶、学習に関与する。主嗅球は一次嗅覚皮質の梨状皮質を介して扁桃体と接続し、主嗅球から扁桃体の特定の領域に直接投射する。[ 24 ]扁桃体は嗅覚情報を海馬に渡す。眼窩前頭皮質、扁桃体、海馬、視床、嗅球は、一次嗅覚皮質の皮質を介して直接的および間接的に多くの相互接続を持つ。これらの接続は、嗅球と高次処理領域、特に感情と記憶に関連する領域との関連性を示している。[ 24 ]
匂いと行動反応の連合学習は扁桃体で行われます。匂いは連合学習過程において強化因子または罰因子として機能します。肯定的な状態に伴う匂いは肯定的な状態をもたらした行動を強化し、否定的な状態に伴う匂いはその逆の効果をもたらします。匂いの手がかりは、扁桃体のニューロンによって、それが引き起こす行動効果または感情とともに符号化されます。このようにして、匂いは特定の感情または生理的状態を反映します。[ 25 ]匂いは快い反応と不快な反応に関連付けられ、最終的には匂いが手がかりとなり、感情的な反応を引き起こす可能性があります。これらの匂いの関連付けは、恐怖などの感情状態に寄与します。脳画像では、扁桃体の活性化が快い匂いと不快な匂いと相関していることが示されており、匂いと感情の関連付けを反映しています。[ 25 ]
海馬は嗅覚記憶と学習にも関与している。海馬ではいくつかの嗅覚記憶プロセスが行われている。扁桃体でのプロセスと同様に、匂いは特定の報酬と結び付けられており、例えば食べ物の匂いと栄養摂取などが挙げられる。[ 26 ]海馬の匂いは、特定の場所や時間での出来事の記憶であるエピソード記憶 の形成にも寄与している。海馬の特定のニューロンが発火するタイミングは、匂いなどの刺激と結び付けられている。匂いを別の時間に提示すると記憶が想起される可能性があるため、匂いはエピソード記憶の想起を助ける。[ 26 ]
下等脊椎動物（ヤツメウナギ類と硬骨魚類）では、僧帽細胞（主嗅覚ニューロン）の軸索は手綱核の右半球にのみ投射する。背側手綱核（Hb）は機能的に非対称であり、右半球で主に匂いに対する反応が見られる。Hbニューロンは、嗅覚刺激がない場合でも自発的に活動する。これらの自発的に活動するHbニューロンは機能的なクラスターに組織化されており、これが嗅覚反応を制御している可能性がある。[ 27 ]
嗅球と感情や記憶との関連性のさらなる証拠は、動物のうつ病モデルによって示されています。ラットの嗅球を除去すると、扁桃体と海馬の構造的変化と、うつ病の人と同様の行動変化が効果的に引き起こされます。研究者は、抗うつ薬の研究に嗅球切除術を受けたラットを使用しています。[ 28 ]ラットの嗅球を除去すると、樹状突起の再編成、海馬の細胞成長の阻害、海馬の神経可塑性の低下が起こります。嗅球除去によるこれらの海馬の変化は、うつ病の特徴的な行動変化と関連しており、嗅球と感情の相関関係を示しています。[ 29 ]海馬と扁桃体は、匂いの知覚に影響を与えます。空腹などの特定の生理的状態では、扁桃体と海馬で刺激と食べる報酬が関連付けられるため、食べ物の匂いがより心地よく、報酬のように感じられます。[ 25 ]
嗅覚情報は一次嗅覚皮質に送られ、そこから眼窩前頭皮質に投射される。OFCは、食物の栄養価を評価するだけでなく、この匂いと報酬の関連付けにも寄与している。OFCは、梨状皮質、扁桃体、傍海馬皮質から投射を受けている。[ 25 ]食物報酬情報を符号化するOFCのニューロンは、刺激されると報酬系を活性化し、食べる行為と報酬を関連付ける。OFCはさらに前帯状皮質に投射し、そこで食欲に関与している。[ 30 ] OFCはまた、匂いを味覚などの他の刺激と関連付ける。[ 25 ]匂いの知覚と識別にもOFCが関与している。嗅球の糸球体層にある空間的な匂いマップがこれらの機能に寄与している可能性がある。匂いマップは、糸球体を空間的に組織化することによって嗅覚情報の処理を開始する。この組織は、嗅覚皮質が匂いを知覚し、識別するのを助けます。[ 2 ]
嗅球は、脳室下帯および海馬歯状回顆粒下帯とともに、成体哺乳類において継続的な神経新生が観察される脳内のわずか3つの構造の1つである。ほとんどの哺乳類では、新しいニューロンは脳室下帯の神経幹細胞から生まれ、吻側に向かって主嗅球[ 31 ]および副嗅球[ 32 ]へと移動する。嗅球内では、これらの未成熟な神経芽細胞は、それぞれ顆粒細胞層および糸球体層に存在する、完全に機能する顆粒細胞介在ニューロンおよび糸球体周囲細胞介在ニューロンへと発達する。嗅球糸球体内でシナプスを形成する嗅覚感覚ニューロンの軸索は、嗅上皮に存在する嗅覚感覚ニューロンの再生に伴って再生する能力も有する。感覚軸索と介在ニューロンは動的に入れ替わるにもかかわらず、これらの軸索とシナプスを形成する投射ニューロン（僧帽ニューロンと房状ニューロン）は構造的に可塑性を持たない。
2013年現在この領域における成体神経新生の機能は、依然として研究対象である。回路に入る未成熟ニューロンの生存は、嗅覚活動、特に連合学習課題に非常に敏感である。このことから、新しいニューロンが学習プロセスに関与するという仮説が立てられている。[ 33 ] 機能喪失実験では明確な行動効果は観察されておらず、このプロセスの機能が嗅覚処理と関連しているとしても、微妙なものである可能性が示唆されている。
ヒョウガエルや実験用マウスなどの脊椎動物種間で嗅球の構造を比較すると、形状や大きさは異なっていても、基本的な構造（3つの主要な細胞型の核を含む5つの層。詳細は「解剖学」を参照）はすべて同じであることがわかる。ショウジョウバエ Drosophila melanogaster の類似の嗅覚中枢である触角葉も同様の構造をしている。脊椎動物の嗅球と昆虫の触角葉の構造が似ているのは、すべての嗅覚系が経験する計算上の問題に対する最適な解決策を含んでいるためであり、したがって異なる門で独立して進化してきた可能性がある。これは一般に収斂進化として知られる現象である。[ 34 ] [ 35 ]
体格に対する脳の大きさの増加、すなわち脳化は、人類の進化と密接に関連している。しかし、遺伝的に異なる2つの進化系統、ネアンデルタール人と現代人は、同様に大きな脳を持つ人類種を生み出してきた。したがって、人類の脳の進化を理解するには、脳の形状変化に反映される可能性のある、特定の脳の再編成に関する研究を含めるべきである。本研究では、脳とその基盤となる骨格との間の発達的統合を利用して、ホモ属における脳の進化に関する仮説を検証する。頭蓋底の形状に関する3次元幾何学的形態計測分析により、ホモ・サピエンスの進化変化に関するこれまで記録されていなかった詳細が明らかになった。より大きな嗅球、比較的広い眼窩前頭皮質、比較的大きく前方に突出した側頭葉極は、現代人に特有のものであると思われる。このような脳の再編成は、頭蓋全体の形状に対する物理的な影響に加えて、ホモ・サピエンスの学習能力と社会的能力の進化に貢献した可能性があり、その進化には、より高度な嗅覚機能とその認知的、神経学的機能が含まれる。行動への影響は、これまで過小評価されてきた要因であった可能性がある。」[ 36 ]