閾値下膜電位振動

閾値下膜電位振動とは、発火に必要な閾値に達しないため、直接的に活動電位を誘発しない膜電位振動のことである。しかし、感覚信号処理を促進する可能性がある。

ニューロンは、膜電位が臨界閾値を超えると活動電位を発生させます。ニューロンが活動電位を発火させる閾値に達するには、十分なナトリウム（Na+）イオンが膜を貫通する電位依存性ナトリウムチャネルを通って細胞内に入り、細胞を脱分極させる必要があります。 ^{[ 1 ]}閾値に達すると、ニューロン内の電気化学的平衡が崩れます。この平衡では、カリウムイオン（K+）が濃度勾配（細胞内から細胞外へ）に従って移動することと、K+が濃度勾配に従って移動するのを妨げる電気勾配との間にバランスが保たれています。^{[ 2 ]}閾値に達すると、活動電位が発生し、膜に沿ってより多くのNa+チャネルが開くことでNa+が急速に細胞内に入り、細胞が急速に脱分極します。 ^{[ 1 ]}細胞が脱分極すると、電位依存性ナトリウムチャネルが閉じ、カリウムチャネルが開きます。すると、K+イオンは濃度勾配に逆らって細胞外へ移動します。^{[ 3 ]}

しかし、電圧が閾値を下回ると、ニューロンは発火しませんが、膜電位はシナプス後電位とニューロン固有の電気的特性により変動し続けます。したがって、これらの閾値下膜電位振動は活動電位を誘発しません。活動電位の発火は「全か無か」の反応であり、これらの振動ではニューロンの脱分極が通常約 -55 mV の閾値に達することができないためです。[4] 「全か無か」の反応^とは、ニューロンが正確な閾値に達した後にのみ活動電位を発火できる能力を指します。^{[ 3 ]}例えば、図 1は、これらの閾値下膜電位振動の局所的な性質と段階的な電位の性質を示し、閾値下振動と閾値を超える発火を比較して、活動電位グラフ上での位置を視覚的に表現しています。一部のタイプのニューロンでは、膜電位が特定の周波数で振動することがあります。これらの振動は、脱分極と結合することで発火を引き起こすことがあります。^{[ 5 ]}閾値下振動は直接ニューロンの発火を引き起こすわけではありませんが、隣接するニューロンの同期活動を促進する可能性があります。また、特に感覚信号の処理などの計算を促進する可能性もあります。^{[ 5 ]}要するに、閾値下膜電位振動はそれ自体では活動電位を生成しませんが、加算によって活動電位の結果に影響を与えることができます。

ニューロンは、シナプス電位や活動電位に加えて、律動的な閾値下膜電位振動（特定の種類の神経振動）を示します。正弦波に似たこれらの振動は、もともと哺乳類のオリーブ下核細胞で発見されました。^{[ 6 ]}閾値下振動の機能的意義は、ニューロンの固有の電気的特性の性質に関係しています。つまり、電気的応答性は他の細胞との相互作用から生じるものではありません。これらの特性は、形態や接続性とは独立して動的な表現型を定義します。閾値下振動周波数は数Hzから40Hz以上まで変化する可能性があり、その動的特性は、中枢神経系における神経活動のコヒーレンスとタイミングに関連して詳細に研究されてきました。特に、運動実行を制御する10Hzの生理的振戦、内嗅皮質のシータリズム^{[ 7 ]}、皮質抑制性介在ニューロン^{[ 8 ]}および視床ニューロン^{[ 9 ]}のガンマ帯域活動に関して研究されています。また、内嗅皮質の第V層^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} 、生体内の下オリーブ核^{[ 13 ]}、嗅球^{[ 14 ]}、背側蝸牛核^{[ 15 ]}でも記述され研究されています。これらのニューロンは小脳への主要な入力でもあり、運動パターンの全体的な生成に寄与することがわかっています。^{[ 5 ]}このような振動の動的な側面は、数学的モデルを使用して定義されています。^{[ 16 ] [ 17 ]}  

Bohemer らによる分析に基づくと、視床下部視索上核(SON)には、それぞれバソプレシンとオキシトシンを産生および分泌する2 つの主要な大細胞神経分泌ニューロン集団が存在する。 ^{[ 18 ]}この研究では、細胞内記録技術を用いて、ラットの 104 個の大細胞ニューロンにおける膜電位の閾値下振動の電気生理学的特性とイオン的基盤を調べた。この研究では、調べたすべてのニューロンで発生した SMOP は電圧依存性であり、振動は興奮性または抑制性活動の結果ではなく、電気的結合によるものでもなかったことがわかった。^{[ 18 ]}これは、膜電位の閾値下振動が、ニューロン間の放電の同期とシナプス事象の増幅に重要である可能性を示唆している。^{[ 18 ]}

視索上核神経分泌細胞のサブポピュレーションのニューロンは、位相性バーストの活動電位を生成することができる。この実験で調べたニューロンでは、活動電位の後に脱分極後電位が続く。^{[ 18 ]}別の論文では、抑制剤の一例であるGABA作動性入力が、高速発火ニューロンのモデルに及ぼす影響を調査した。抑制性入力は、これらの細胞で吃音エピソードを誘発できると示唆した。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

GABAは重要な神経伝達物質であり、脳内のシナプス発火の調節に関与している。GABAを含む抑制性ニューロンは、興奮性ニューロンと同期して脱分極することがわかっている。しかし、脳の状態によって活動は異なる。^{[ 22 ]}この抑制物質は、閾値下膜電位振動と興奮性シナプスインパルスの維持に不可欠である。これらの律動的な閾値下膜電位振動が発生するためには、シナプスにおけるGABAの存在（GABAの放出と再取り込み）の平衡を維持することが必要である。^{[ 23 ] [ 24 ]}

ニューロンは活動電位を発火するだけでなく、同期したスパイク発火やバースト発火も行う。閾値下の膜電位振動は活動電位を生成しないが、ニューロンが集まって一斉に発火することで同期した電位を生成するとバースト発火が起こる。これは通常、これらの閾値下の電位の結果である。^{[ 25 ]}

いくつかの研究では、異なる膜電位での閾値下振動の周波数を調べるためにさまざまな手法が用いられてきました。たとえば、ある研究では、ラットの内側嗅内皮質の背腹軸上の異なる解剖学的位置でのSMPOの周波数を調べました。^{[ 19 ]}彼らは、嗅内皮質第II層星状細胞の異なる膜電位での特性（SMPO）を調べるために、生体内での全細胞パッチ記録と嗅内星状細胞の区画シミュレーションでの生物物理学的モデリングを使用しました。^{[ 19 ] [ 7 ] [ 8 ]}この手法は、細胞膜内の極性分子の電気刺激を取り入れています。^{[ 26 ]}この研究では、背側細胞は脱分極とともにピーク周波数の正の傾きを示す可能性が高いのに対し、腹側細胞は脱分極とともにピーク周波数の負の傾きを示す傾向があることがわかりました。これらの知見は、背側細胞ではSMPOの周波数が高く、腹側細胞では周波数が低いことを示しています。^{[ 13 ] [ 19 ]}生体内のオリーブ核ニューロンの全細胞記録を行い、無傷の脳における閾値下活動とスパイク行動の関係を調査した同様の研究では、ニューロンの大部分が閾値下振動活動を示したことが明らかになった。^{[ 6 ]}これは、哺乳類の脳の下オリーブ核が比較的安定した振動周波数設定を示すことを意味する。^{[ 18 ] [ 6 ]}その結果、これは電気的に結合したアンサンブルで時間的な発火パターンを生成および休止するために使用できる可能性がある。^{[ 6 ] [ 19 ]}

閾値下膜電位振動は、視覚系や嗅覚系を含むが、それらに限定されない感覚系の発達において重要な役割を果たしている。

視覚系では、脳波計（EEG）の測定により、閾値下の膜電位振動が、視覚刺激の処理だけでなく神経可塑性にも大脳皮質を適応させるのに役立つことがわかっています。^{[ 2 ]}これらの振動は、出生前や新生児が目を開ける前から存在しており、感覚情報の処理と符号化を担う大脳皮質の一部である人間の感覚皮質の成熟と準備の一形態です。 ^{[ 2 ]}この閾値下の活動は、成熟のための回路形成に関与しており、特に網膜では網膜波の形で顕著に現れます。^{[ 2 ]}

嗅覚を司る嗅覚系では、研究によると、嗅覚系のニューロンである僧帽細胞に存在する閾値下膜電位振動が活動電位のスパイクのタイミングに影響を与え、それが複数の僧帽細胞の同期を可能にするとされています。^{[ 27 ]}また、この研究では、この振動活動が興奮性シナプス後電位にも影響を与え、この神経活動の精緻化ツールとして機能すると考えられていることも言及されています。^{[ 27 ]}

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