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加算は空間加算と時間加算の両方を含み、複数の同時入力（空間加算）と繰り返し入力（時間加算）の両方からの興奮性信号と抑制性信号の複合効果によって活動電位が生成されるかどうかを決定するプロセスです。多くの個々の入力の合計に応じて、加算は活動電位をトリガーするための閾値電圧に達する場合と達しない場合があります。[1]
シナプス前ニューロンの末端から放出される神経伝達物質は、神経伝達物質受容体によって制御または調節されるイオンチャネルに応じて、2つのカテゴリのいずれかに分類されます。興奮性神経伝達物質はシナプス後細胞の脱分極を引き起こしますが、抑制性神経伝達物質によって生じる過分極は興奮性神経伝達物質の効果を緩和します。[2]この脱分極はEPSP、または興奮性シナプス後電位と呼ばれ、過分極はIPSP、または抑制性シナプス後電位と呼ばれます。
ニューロンが互いに及ぼすことのできる影響は、興奮、抑制、および調節伝達物質を介して互いの興奮性を偏らせることだけです。このような小さな一連の基本的な相互作用から、ニューロンの連鎖は限られた応答しか生み出せません。興奮性入力によって経路が促進される可能性があり、そのような入力が除去されると、脱促進が起こります。経路が抑制される可能性もあります。抑制性入力が除去されると脱抑制が起こり、抑制性入力に他の興奮源が存在する場合、これにより興奮が増強される可能性があります。
特定のターゲット ニューロンが複数のソースから入力を受信する場合、それらの入力が十分近い時間に到着し、最も早く到着した入力の影響がまだ減衰していない場合は、それらの入力を空間的に合計できます。ターゲット ニューロンが単一の軸索末端から入力を受信し、その入力が短い間隔で繰り返し発生する場合は、入力を時間的に合計できます。
歴史
神経系が一般生理学研究の範疇に初めて含まれるようになったのは、チャールズ・シェリントンがニューロンの電気的特性を試験し始めた1800年代後半のことである。神経生理学への彼の主な貢献は、膝反射の研究と、興奮と抑制という2つの相互的な力の間に彼が導き出した推論である。彼は、この調節反応が起こる場所は、神経回路の一方向経路の細胞間空間であると仮定した。彼は「脳の高次中枢が低次中枢の興奮性機能を抑制する」という提案で、進化と神経抑制の考えられる役割を初めて紹介した。[1]
今日の化学シナプス伝達に関する知識の多くは、神経筋接合部（終板とも呼ばれる）でのアセチルコリン放出の影響を分析する実験から得られたものである。この分野の先駆者には、イカの巨大軸索を神経系の研究の実験モデルとして使用したバーナード・カッツとアラン・ホジキンがいた。ニューロンのサイズが比較的大きいため、先端の細い電極を使用して、膜を横切って変動する電気生理学的変化を監視できた。1941年、カッツがカエルの脚の腓腹筋坐骨神経に微小電極を実装したことで、この分野に光が当てられた。すぐに、終板電位（EPP）のみが、カエルの脚の収縮を通じて現れる筋活動電位を誘発することが一般化された。[3]
1951 年にポール ファットと共同で行った研究で、カッツが得た画期的な発見の 1 つは、シナプス前運動ニューロンの刺激がなくても筋細胞膜の電位が自発的に変化するというものでした。これらの電位のスパイクは活動電位に似ていますが、はるかに小さく、通常は 1 mV 未満であるため、小型終板電位 (MEPP) と呼ばれていました。1954 年に、シナプス後末端の最初の電子顕微鏡画像が発表され、これらの MEPP は神経伝達物質を運ぶシナプス小胞によって生成されることが明らかになりました。神経伝達物質の量子的量の放出が散発的であることから、カッツとデル カスティーヨは「小胞仮説」を提唱しました。この仮説では、伝達物質放出の量子化はシナプス小胞との関連によるものとされています。[3]このことから、カッツは活動電位の生成は、それぞれが MEPP に相当するこれらの個々のユニットの合計によってトリガーされる可能性があることも知りました。[4]
種類
ニューロンは、いつでも何千もの他のニューロンからシナプス後電位を受け取る可能性があります。閾値に達し、活動電位が生成されるかどうかは、その瞬間のすべての入力の空間的（つまり、複数のニューロンから）および時間的（単一のニューロンから）合計によって決まります。シナプスがニューロンの細胞体に近いほど、最終的な合計への影響が大きくなると伝統的に考えられています。これは、シナプス後電位が、低濃度の電圧依存性イオンチャネルを含む樹状突起を通過するためです。[5] したがって、シナプス後電位は、ニューロン細胞体に到達するまでに減衰します。ニューロン細胞体は、入力電位を積分（加算または合計）することにより、コンピューターとして機能します。次に、正味の電位が軸索丘に伝達され、そこで活動電位が開始されます。考慮すべきもう1つの要素は、興奮性シナプス入力と抑制性シナプス入力の合計です。抑制性入力の空間的加算は興奮性入力を無効化する。この広く観察される効果はEPSPの抑制性「シャント」と呼ばれている。[5]
空間合計
空間的加算は、複数のシナプス前細胞からの入力によってニューロンに活動電位を誘発するメカニズムである。これは、通常は樹状突起上の異なる入力領域からの電位の代数的加算である。興奮性シナプス後電位の加算は、電位が閾値電位に達して活動電位を生成する確率を高めるが、抑制性シナプス後電位の加算は、細胞が活動電位を達成するのを妨げる可能性がある。樹状突起入力が軸索丘陵に近いほど、電位がシナプス後細胞における活動電位の発火確率に与える影響は大きくなる。[6]
時間的合計
時間的加算は、シナプス前ニューロンの活動電位の高頻度がシナプス後電位を引き起こし、シナプス後電位が互いに加算されるときに発生します。[7]シナプス後電位の持続時間は、入力される活動電位の間隔よりも長くなります。細胞体の場合のように、細胞膜の時定数が十分に長い場合は、加算の量が増加します。 [6]次のシナプス後電位が開始する時点での 1 つのシナプス後電位の振幅は、代数的に加算され、個々の電位よりも大きな電位が生成されます。これにより、膜電位が閾値に達し、活動電位が生成されます。[8]
機構
神経伝達物質は受容体に結合し、シナプス後細胞のイオンチャネルを開閉してシナプス後電位（PSP）を生成します。これらの電位はシナプス後ニューロンで活動電位が発生する可能性を変えます。PSPは活動電位が発生する可能性を高める場合は興奮性、発生の可能性を低下させる場合は抑制性と見なされます。[4]
興奮性の例としてのグルタミン酸
例えば、神経伝達物質グルタミン酸は、主に脊椎動物の興奮性シナプス後電位（EPSP）を引き起こすことが知られています。実験的操作により、シナプス前ニューロンの非テタヌス刺激を通じてグルタミン酸の放出を引き起こすことができます。その後、グルタミン酸はシナプス後膜に含まれるAMPA受容体に結合し、正に帯電したナトリウム原子の流入を引き起こします。 [3] このナトリウムの流入により、シナプス後ニューロンの短期的な脱分極とEPSPが発生します。この種の単一の脱分極はシナプス後ニューロンにあまり影響を与えないかもしれませんが、高頻度刺激によって引き起こされる反復的な脱分極は、EPSPの加算と閾値電位の超過につながる可能性があります。[9]
抑制剤としてのGABA
グルタミン酸とは対照的に、神経伝達物質 GABA は主に脊椎動物の抑制性シナプス後電位 (IPSP) を誘発する働きをします。シナプス後受容体への GABA の結合によりイオンチャネルが開き、負に帯電した塩化物イオンが細胞内に流入するか、正に帯電したカリウムイオンが細胞外に流出します。[3]これら 2 つのオプションの効果は、シナプス後細胞の過分極、つまり IPSP です。他の IPSP と対照的な EPSP との合計により、シナプス後電位が閾値に達し、シナプス後ニューロンで活動電位が発火するかどうかが決まります。
EPSPと脱分極
膜電位がインパルスの発火閾値を下回っている限り、膜電位は入力を加算することができる。つまり、あるシナプスの神経伝達物質が小さな脱分極を引き起こす場合、同じ細胞体の他の場所にある別のシナプスでの伝達物質の同時放出が加算されて、より大きな脱分極を引き起こす。これは空間加算と呼ばれ、時間加算によって補完される。時間加算では、シナプス前変化がシナプス後ニューロンの膜電位変化の減衰速度よりも速く発生する限り、1つのシナプスからの伝達物質の連続放出は漸進的な分極変化を引き起こす。[4] 神経伝達物質の効果はシナプス前インパルスよりも数倍長く続くため、効果の加算が可能になる。したがって、EPSPは活動電位とは根本的に異なり、インパルス放電のすべてまたはなしの応答とは対照的に、入力を加算して段階的な応答を表現する。[10]
IPSPと過分極
シナプス後ニューロンが興奮性神経伝達物質を受け取って蓄積すると同時に、発火を止めるよう指示する矛盾したメッセージも受け取っている可能性がある。これらの抑制的影響 (IPSP) は、シナプス後膜の過分極を引き起こす抑制性神経伝達物質システムによって媒介される。[11] このような効果は、一般的に、細胞内カリウムがシナプス後細胞から出たり、細胞外塩化物がシナプス後細胞に入ることを可能にする選択的イオンチャネルの開口に起因する。どちらの場合も、最終的な効果は細胞内陰性電位を増大させ、膜電位をインパルス生成閾値から遠ざけることである。[8] [10]
EPSP、IPSP、代数処理
EPSP と IPSP が同じ細胞内で同時に生成される場合、出力応答は興奮性入力と抑制性入力の相対的な強さによって決まります。したがって、出力指示は情報のこの代数的処理によって決まります。シナプス全体の放電閾値はシナプスに作用するシナプス前ボレーの関数であり、特定のニューロンは多くの軸索から分岐を受け取る可能性があるため、そのようなシナプスのネットワークにおけるインパルスの通過は非常に多様です。[12] シナプスの汎用性は、入力信号を代数的に合計することで情報を修正する能力から生じます。シナプス後膜の刺激閾値のその後の変化は、関与する伝達物質の化学物質とイオン透過性に応じて、強化または抑制できます。したがって、シナプスは情報が収束する決定点として機能し、EPSP と IPSP の代数的処理によって修正されます。 IPSP抑制機構に加えて、抑制された軸索上の過分極または持続的な脱分極のいずれかを伴うシナプス前抑制があり、前者か後者かは関与する特定のニューロンに依存する。[6]
現在の研究
カッツや同時代の人々が使用した微小電極は、今日利用できる技術的に進歩した記録技術と比べると見劣りする。空間加算は、樹状突起上の複数の位置を同時に記録できる技術が開発されてから、多くの研究の注目を集め始めた。多くの実験では、感覚ニューロン、特に光学ニューロンが使用される。なぜなら、感覚ニューロンは、抑制性入力と興奮性入力の両方のさまざまな周波数を常に取り入れているからである。神経加算の現代の研究は、ニューロンの樹状突起と細胞体のシナプス後電位の減衰に焦点を当てている。[1]これらの相互作用は、応答が個々の応答の合計よりも小さいため、非線形であると言われている。これは、抑制によって引き起こされるシャントと呼ばれる現象、つまり興奮性シナプス後電位の伝導性の低下が原因である場合がある。[8]
シャント抑制は、カメの基底視神経核の全細胞記録実験を行ったマイケル・アリエルと小郷直樹の研究で実証されています。彼らの研究では、興奮性および抑制性のシナプス後電位の空間的加算により、ほとんどの場合、抑制性反応中に興奮性反応が減衰することが示されました。また、減衰後に興奮性反応が一時的に増大することも観察されました。対照として、彼らは過分極電流によって電圧感受性チャネルが活性化されたときの減衰をテストしました。彼らは、減衰は過分極ではなく、シナプス受容体チャネルの開口によってコンダクタンスの変化が引き起こされると結論付けました。[13]
潜在的な治療への応用
侵害受容刺激に関して、空間的加重は広い範囲からの痛み入力を統合する能力であり、時間的加重は反復的な侵害受容刺激を統合する能力を指します。広範囲にわたる長期にわたる痛みは、多くの慢性疼痛症候群の特徴です。これは、慢性疼痛疾患では空間的加重と時間的加重の両方が重要であることを示唆しています。実際、圧力刺激実験を通じて、空間的加重が侵害受容入力、特に圧痛の時間的加重を促進することが示されています。[14] したがって、空間的加重メカニズムと時間的加重メカニズムの両方を同時にターゲットにすることは、慢性疼痛疾患の治療に役立ちます。
参照
参考文献
- ^ abc 「temporal summation」（PDF）。アサバスカ大学心理学センター。2011年8月19日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2011年4月29日閲覧。
- ^ Coolen、Kuhn、Sollich (2005)。神経情報処理システムの理論。ロンドン、イギリス：オックスフォード大学出版局。
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- ^ 「EPSPとIPSP」。2010年12月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年4月20日閲覧。
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