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シャント抑制は、シナプス抑制の一種で、通常はGABA A（またはグリシン）受容体の活性化によりニューロンの膜コンダクタンスが増加し、入力抵抗と膜時定数が減少するため、同時発生する興奮性電流が「シャント」されるが、必ずしも過分極するとは限らない。[ 1 ]シャントは、GABAが脱分極（静止状態と比較して）の場合でも発生する可能性がある。これは、コンダクタンスの増加により興奮性入力に対する電圧応答が減少するためである。[ 2 ] [ 3 ]大脳皮質では、急速かつ強力なシャントがシナプス統合とスパイクタイミングに影響を与える可能性がある。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
シャント抑制は、ニューロンゲインの変化や樹状突起統合の算術の観点から議論されることが多い。結果は、シナプス前入力のタイミング、反転電位、背景シナプス活動、樹状突起の位置に依存する。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]シャントが常に分割的であるかどうかはまだ明らかではなく、分割効果が失われたり、状態依存的になる可能性があることを示唆する結果もある。[ 11 ] [ 12 ]ネットワークの観点からは、シャント抑制は、リズミカルで安定した活動（例えば、海馬のガンマ帯域振動）を促進する可能性がある。[ 13 ]コンダクタンスベースの解析では、膜電位測定からシナプス電流を推定することが多い。 [ 14 ]
神経系における抑制とは、ニューロンが活動電位を発火する能力を完全に、または発火頻度を制限することによって低下させることである。従来、抑制はニューロンの膜を過分極させ、スパイク閾値まで脱分極しにくくするものとして説明されてきた。シャント抑制は、GABA（またはグリシン）受容体の活性化によって膜コンダクタンスが増加し、それによって入力抵抗が低下して時定数が短縮されるという別のメカニズムを提供する。その結果、同じ電流入力で電圧の変化が小さくなる（「シャント」）。[ 1 ] [ 6 ]
入力抵抗の低下による影響は、オームの法則によって説明できる。電圧変化は電流と抵抗に比例します。GABA受容体が活性化されると、塩化物イオンが膜を透過して全体のコンダクタンスが増加します。そのため、シナプス後電流は膜電位のより小さく速い変化を生み出し、興奮性を低下させます。抑制性シナプスの反転電位がスパイク閾値を下回ると、GABA A電流が静止電位に対して脱分極しても、追加されたコンダクタンスによって電圧ゲインが減少するため、シナプスは有効性を維持できます。[ 2 ] [ 3 ] [ 9 ]
シャントがどこでいつ起こるかは非常に重要になることがあります。樹状突起の位置によって局所的な興奮性の低下が生じ、枝が体細胞の発火に及ぼす影響の強さが変化することがあります。[ 9 ]シャントは、ニューロンの入力/出力ゲインを調整することもあり、状況によっては分割的、減算的、または混合的になることがあります。[ 11 ] [ 7 ] [ 8 ]
1953年、ポール・ファットとバーナード・カッツは、抑制性インパルスが甲殻類の筋線維の膜抵抗を低下させ、興奮性反応を減少させることを記述し、抑制が過分極ではなく漏出の増加を介して作用する可能性があるという初期の証拠を提供した。[ 1 ]
1992年、歯状回顆粒細胞からの記録により、GABA A電流は静止電位に対して脱分極しながらもシャントを介して抑制できることが示され、スパイク閾値に対する反転電位の役割とコンダクタンスの増加自体が強調された。[ 2 ]
1997年のモデリング研究では、抑制性コンダクタンスを追加しても必ずしも純粋な除算効果が生じるわけではなく、結果は細胞特性、スパイク生成ダイナミクス、入力統計に依存すると主張された。[ 11 ]その後の現実的なシナプス背景での研究では、除算効果と減算効果の両方が報告された。[ 7 ] [ 8 ]
1998年、ネコの視覚皮質における細胞内記録により、抑制性コンダクタンスの一時的な増加が感覚処理および興奮性加算のシャントと関連付けられた。[ 4 ]聴覚皮質における関連研究は、大きな過分極を必要とせずに抑制がタイミングを鋭敏にする方法を示唆するのに役立った。[ 5 ]
シャント抑制は、抑制性シナプスがイオンチャネル（一般的にはGABA A受容体またはグリシン受容体）を開くことで膜伝導率が増加するときに起こります。伝導率の高い膜では、入力抵抗の減少と膜時定数の短縮により、同じ興奮性電流でも電圧変化は小さく、時間も短くなります。抑制性伝導率の増加により、興奮性電流の一部が効果的に失われます。[ 1 ] [ 7 ] [ 6 ]
次のように説明されているシナプス電流によって生じる電圧変化は、入力抵抗を低下させるメカニズムによって減少する。GABA Aチャネルまたはグリシンチャネルを開くと、リークコンダクタンスと並列にコンダクタンスが加わり、入力抵抗が低下して膜時定数が短縮される。より短い興奮性シナプス後電位（EPSP）の時間加算の時間窓を狭め、EPSP振幅を減少させる。[ 7 ] [ 6 ]
脊椎動物における高速シャント抑制は、主にイオンチャネル型GABA A受容体とグリシン受容体によって媒介される。これらのリガンド依存性アニオンチャネルは膜コンダクタンス（多くの場合、塩化物イオンが支配的）を増加させ、入力抵抗を低下させ、膜時定数を短縮する。[ 7 ] [ 6 ] [ 2 ] [ 12 ]抑制効果は、スパイク閾値に対する塩化物イオン反転電位に依存する。例えば、歯状回顆粒細胞におけるGABA Aコンダクタンスの脱分極は、共活性興奮をシャントすることによってスパイク発生確率を低下させることができる。 [ 2 ]同様の論理は、GABA Aが細胞体で興奮性を示すにもかかわらず、コンダクタンスの増加によって応答性をクランプすることでスパイクを抑制する場合を説明するためにも用いられてきた。[ 3 ]これらの原理は、グリシン作動性抑制が顕著な領域におけるグリシン受容体媒介シャントにも適用される。[ 6 ]
この文脈でよく議論される高速フィードフォワード抑制と感覚統合メカニズムの追加例としては、錐体細胞における体性フィードフォワード抑制と視床皮質フィードフォワード抑制が挙げられる。[ 16 ] [ 17 ]
抑制性シナプスの位置によってその効果は変化する。樹状突起枝のコンダクタンスが増加すると、近傍の興奮の駆動力が局所的に抑制され、その枝が体細胞の発火に及ぼす影響の強さが変化する。したがって、枝の形状と距離によって、抑制が主に体細胞の発火を制御するのか、個々の枝への入力を選択的にゲートするのかが変化する可能性がある。[ 9 ]
タイミングが重要です。シャントの影響は、抑制性コンダクタンスが興奮に対していつ上昇するかによって決まります。抑制がEPSPの前または最中に発生すると、EPSPを縮小して短縮し、スパイクの発生を防ぐことができます。抑制がEPSPの後に到達すると、統合ウィンドウを狭めることで、その後の加算を制限することができます。[ 6 ]視覚および聴覚皮質での実験的研究では、抑制のタイミングが不要な興奮の抑制および時間精度の向上に関連していることが示されています。[ 18 ] [ 19 ] [ 5 ] [ 4 ] [ 6 ]
シャントは歴史的に純粋に除算的（つまり、発火率を1未満の係数でスケーリングする）であると考えられてきたが、理論と実験は、細胞の特性、スパイク閾値の動態、および入力の変動に応じて、結果は除算的、減算的、または混合的になる可能性があることを示唆している。[ 11 ]
シナプス背景活動が継続している状況では、抑制性コンダクタンスの見かけ上の効果は状態依存的であり、背景の「ノイズ」レベルと樹状突起の飽和度に応じて除算や減算のような挙動を示す。[ 7 ] [ 8 ]興奮と抑制の空間的および時間的なペアリングは、ニューロンによって実行される実効的な算術に規則を課すことができる。[ 10 ]
シャントは基本的にコンダクタンスの変化であるため、アプローチは電圧変化だけに頼るのではなく、シナプスコンダクタンスを推定することを目的とすることが多い。[ 6 ]
電流クランプの変動解析では、膜電位の平均値と分散からシナプス伝導度を推定し、確率的膜モデルを適合させて時間変動する興奮性および抑制性伝導度を再構築します。[ 14 ] [ 4 ]
ダイナミッククランプは、人工コンダクタンスを注入することで、特定の抑制性コンダクタンス波形がスパイクと統合にどのように影響するかをテストします。コンダクタンスクランプおよび電圧クランプのアプローチと組み合わせることで、抑制の動態、振幅、およびタイミングがシャント効率をどのように形成するかを評価するために使用できます。[ 7 ] [ 9 ]
細胞内記録を用いてネコの視覚皮質における自然処理中のシャント抑制が実証されている。[ 4 ] [ 6 ]
聴覚皮質では、興奮と抑制が時間的に密接に一致することがあり、選択性を高め、スパイクのタイミングを厳密にするのに役立ちます。[ 5 ] [ 6 ]
シャントは、刺激のタイミングに依存し、興奮と抑制が共変動する領域での安定性と精度に貢献する迅速な操作としてよく議論される。[ 4 ] [ 20 ] [ 6 ]
歯状回顆粒細胞では、GABA A伝導は膜を脱分極させつつ、同時興奮のシャントによって発火確率を低下させることができる。[ 2 ]海馬では、シャント抑制は、発火を均一化し、ガンマ帯域のリズムをサポートするために、介在ニューロンネットワークモデル/解析で使用されてきた。[ 13 ]小脳介在ニューロンネットワークでは、過分極作用と脱分極作用が共存していることも報告されている。[ 21 ]
シャントは、興奮が増加するにつれてゲインを減少させることで、再帰ネットワークにおける暴走活動を防ぐのに役立つ。感覚皮質では、抑制性コンダクタンスは興奮とともに上昇し、応答が安定して信頼できる「バランスの取れた」状態に貢献する。[ 4 ] [ 20 ] [ 6 ]周辺抑制と正規化現象は、シャントのようなコンダクタンスの増加を含む抑制安定化メカニズムと関連付けられている。[ 22 ]
シャントは入力抵抗と膜時定数を減少させることでニューロンの動作点を変化させ、平均発火率と背景変動がスパイクを引き起こす可能性に影響を与える。[ 7 ] [ 8 ]
短時間のシャントは、感覚回路における統合ウィンドウを狭め、より正確なスパイクタイミングをサポートする可能性がある。[ 5 ]介在ニューロンネットワークでは、シャントは発火を均一化し、ガンマ帯域のコヒーレンスを強化するメカニズムとして議論されてきた。[ 13 ] [ 6 ]
シャントが分割的か減算的かは、シナプス背景ノイズ、膜電位、樹状突起飽和、非線形性（すなわち、ネットワーク状態）に依存する可能性がある。[ 11 ] [ 7 ] [ 8 ]ニューロモジュレーターは動作点を変化させるため、ゲインとタイミングへの影響は状況依存的である可能性がある。[ 7 ] [ 8 ] [ 12 ]
理論的にも実験的にも、シャントは必ずしも除算的ではないことが示されている。スパイク閾値ダイナミクス、樹状突起の非線形性、または入力変動が支配的な場合、単純な除算スケーリングは失敗する可能性がある。細胞の種類や状態を超えて除算的効果と減算的効果の境界を決定することは、依然として活発な研究テーマである。[ 11 ] [ 7 ] [ 8 ]
成体回路における脱分極性GABA：成体回路における脱分極性かつ抑制性のGABA A電流の普及率と行動上の役割は依然として不明であり、最近の活動や細胞の種類によって変化する可能性がある。[ 2 ] [ 3 ]
脳の無傷状態での定量化: 自然な行動中のシャントの推定は困難です。電圧変動からのコンダクタンス推定は有益ですが、モデルに依存しており、アクティブな樹状突起コンダクタンスと急速に変化する状態を扱うための方法を拡張することは、開発の領域です。[ 14 ] [ 6 ]
