神経細胞とグリア細胞の生理学。

🧠 ニューロンは「入力（樹状突起dendrite樹状突起（dendrite）dendrite（樹状突起）、dendrite）→ 演算（軸索小丘axon hillock軸索小丘（axon hillock）axon hillock（軸索小丘）、axon hillockでの総和 sum総和（sum） sum（総和））→ 出力（軸索終末axon terminal軸索終末（axon terminal）axon terminal（軸索終末）、axon terminal）」という3段階の情報処理装置であり、シナプス後電位postsynaptic potential, PSP シナプス後電位（postsynaptic potential, PSP）postsynaptic potential, PSP（シナプス後電位） （EPSP/IPSP、excitatory/inhibitory postsynaptic potential）が閾値を超えるとAP（活動電位、action potential）頻度としてコードされる。この単純な原理の上に、シナプス可塑性synaptic plasticity シナプス可塑性（synaptic plasticity）synaptic plasticity（シナプス可塑性） （学習・記憶の細胞基盤）と、グリア細胞neuroglia グリア細胞（neuroglia）neuroglia（グリア細胞） による代謝・イオン・伝達物質の恒常性維持 homeostasis 恒常性維持（homeostasis） homeostasis（恒常性維持） というインフラが積み重なっている。

ニューロンの基本構造

• 細胞体：housekeeping機能を担う
• 樹状突起dendrite樹状突起（dendrite）dendrite（樹状突起）：シナプス前終末 presynaptic terminal シナプス前終末（presynaptic terminal） presynaptic terminal（シナプス前終末） から放出されたNT（神経伝達物質、neurotransmitter）に対する受容体を持ち、入力を受け取る
• 軸索：軸索小丘 axon hillock 軸索小丘（axon hillock） axon hillock（軸索小丘） から起始し、多くはミエリン化 myelination ミエリン化（myelination） myelination（ミエリン化） されており、軸索終末axon terminal 軸索終末（axon terminal）axon terminal（軸索終末） へ信号を送る

樹状突起dendrite 樹状突起（dendrite）dendrite（樹状突起） で受け取ったシナプス入力は軸索を通って電気的信号として伝導され、軸索終末axon terminal 軸索終末（axon terminal）axon terminal（軸索終末） で別の細胞とシナプスを形成する。シナプスはNTを信号分子として利用し、興奮性・抑制性のいずれかに働く。

情報のコーディング

神経系は3つの方法で情報をコードする。

💡 隣接する受容器からの情報を運ぶ線維は、脳内でも隣接する領域に投射する——これが空間マップ spatial map 空間マップ（spatial map） spatial map（空間マップ） の成り立ちである。

ニューラルネットワークの機能

flowchart TD
  A["入力：興奮性・抑制性シナプス終末からNT受容"] --> B["EPSP・IPSPの生成"]
  B --> C["演算：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='axon hillock'>軸索小丘</span>でEPSP・IPSPを<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sum'>総和</span>"]
  C --> D{"閾値到達？<br>（VG-Na⁺チャネル高密度部位）"}
  D -->|"Yes"| E["出力：AP発生→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='axon terminal'>軸索終末</span>へ伝導"]
  D -->|"No"| F["AP発生せず"]
  E --> G["後続ニューロンのシナプス入力に影響"]

シナプス後電位

興奮性シナプス後電位

• 振幅：0.1〜5 mVの脱分極（数ミリ秒）。後シナプスニューロンをAP発火しやすくする
• 主にリガンド作動性 ligand-gated リガンド作動性（ligand-gated） ligand-gated（リガンド作動性） の非選択的陽イオンチャネル non-selective cation channel 非選択的陽イオンチャネル（non-selective cation channel） non-selective cation channel（非選択的陽イオンチャネル） の開口による
• 最も頻度の高いNT：グルタミン酸

抑制性シナプス後電位

• 振幅：0.1〜5 mVの過分極、または膜電位を負の値に安定化
• 主にリガンド作動性 ligand-gated リガンド作動性（ligand-gated） ligand-gated（リガンド作動性） Cl⁻チャネル/K⁺チャネルの開口による
• 最も頻度の高いNT：GABA（γ-アミノ酪酸gamma-aminobutyric acid (GABA)γ-アミノ酪酸（gamma-aminobutyric acid (GABA)）gamma-aminobutyric acid (GABA)（γ-アミノ酪酸）、gamma-aminobutyric acid）

シナプス後電位の総和

総和sum 総和（sum）sum（総和） は軸索小丘 axon hillock 軸索小丘（axon hillock） axon hillock（軸索小丘） で起こり、1個のニューロンは複数の入出力を持つ。3つの様式がある。

1. 時間的総和temporal summation時間的総和（temporal summation）temporal summation（時間的総和）：単一のシナプス前 presynaptic シナプス前（presynaptic） presynaptic（シナプス前） ニューロンが短時間に繰り返しNTを放出し、PSPが重なり合う

2. 空間的総和spatial summation空間的総和（spatial summation）spatial summation（空間的総和）：複数の入力からのPSPが同時に加算される（時間的総和temporal summation 時間的総和（temporal summation）temporal summation（時間的総和） より強力）→ 十分に強ければVG-Na⁺チャネルの閾値に達しAPが生じる

3. キャンセレーションcancellationキャンセレーション（cancellation）cancellation（キャンセレーション）：同じ大きさのEPSPとIPSPが打ち消し合う

⭐ AP頻度はPSP振幅に正比例する。 単一の興奮性シナプス刺激だけでは通常閾値に届かずAPは生じない。小さな総和 sum 総和（sum） sum（総和） EPSPは低頻度AP、大きな総和 sum 総和（sum） sum（総和） EPSPは高頻度APを生む——これがPSP振幅のAP頻度への変換則である。

単一ニューロンの発火パターン

同じ持続的な興奮性刺激に対しても、発現するイオンチャネルの構成によって応答パターンが異なる。

視床ニューロンのバースト発火 burst firing バースト発火（burst firing） burst firing（バースト発火） は特殊な機構による：EPSPは小さく通常のNa⁺チャネル閾値には届かないが、T型Ca²⁺チャネル calcium channelCa²⁺チャネル（calcium channel） calcium channel（Ca²⁺チャネル）（T-type Ca²⁺ channel）（約-70 mVで開口する一過性チャネル）がさらなる脱分極を引き起こしVG-Na⁺チャネルを開口させ、APバースト burst バースト（burst） burst（バースト） を生む。T型チャネルは経時的 serial 経時的（serial） serial（経時的） に不活化するため、EPSPが持続してもバースト burst バースト（burst） burst（バースト） は自然に終了する。

シナプス前抑制と逆行性シグナル伝達

シナプス前抑制presynaptic inhibitionシナプス前抑制（presynaptic inhibition）presynaptic inhibition（シナプス前抑制）：抑制性ニューロン inhibitory neuron 抑制性ニューロン（inhibitory neuron） inhibitory neuron（抑制性ニューロン） （多くはGABA作動性）が興奮性軸索終末 axon terminal 軸索終末（axon terminal） axon terminal（軸索終末） に作用し、Cl⁻（またはK⁺）コンダクタンス conductance コンダクタンス（conductance） conductance（コンダクタンス） を増加させる → AP振幅↓、Ca²⁺流入↓、伝達物質放出↓＝EPSP↓。特定の興奮性入力 excitatory input 興奮性入力（excitatory input） excitatory input（興奮性入力） だけを選択的に抑制できる点が重要（1年次で学んだα2受容体（Gi）と同じ発想）。

逆行性シグナルretrograde signaling 逆行性シグナル（retrograde signaling）retrograde signaling（逆行性シグナル） 伝達（2-AG・CB1R）：後シナプス細胞が前シナプス presynaptic 前シナプス（presynaptic） presynaptic（前シナプス） 活動に影響を与える機構。

flowchart TD
  A["後シナプスでGluがmGluR5（Gq）に結合"] --> B["PLC活性化→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='inositol 1,4,5-trisphosphate'>IP3</span>＋<span class='jp-term jp-term-diagram' title='diacylglycerol'>DAG</span>"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='diacylglycerol'>DAG</span>リパーゼ→2-アラキドノイルグリセロール（2-arachidonoylglycerol, 2-AG）"]
  C --> D["2-AGが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='synaptic cleft'>シナプス間隙</span>を逆行性拡散"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='presynaptic'>前シナプス</span>の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cannabinoid receptor type 1'>CB1受容体</span>（cannabinoid receptor 1）（Gi）に結合"]
  E --> F["Glu放出抑制（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='gamma-aminobutyric acid'>GABA</span>作動性終末では<span class='jp-term jp-term-diagram' title='gamma-aminobutyric acid'>GABA</span>放出抑制→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='disinhibition'>脱抑制</span>）"]

シナプス可塑性

シナプスは過去の活動パターンに応じて将来の伝達効率を変化させる——これが神経回路に記憶を組み込む基盤となる。

シナプス促通 facilitation促通（facilitation） facilitation（促通）：AP連続発射 discharge発射（discharge） discharge（発射） → 前シナプスpresynaptic 前シナプス（presynaptic）presynaptic（前シナプス） [Ca²⁺]が高いまま維持 → 単一APあたりのNT放出量が増加する。

長期増強long-term potentiation, LTP 長期増強（long-term potentiation, LTP）long-term potentiation, LTP（長期増強） （LTP）：

flowchart TD
  A["低頻度の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='presynaptic'>前シナプス</span>AP"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='AMPA receptor'>AMPA受容体</span>のみ開口（弱い脱分極）"]
  C["高頻度の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='presynaptic'>前シナプス</span>AP"] --> D["持続的AMPA活性→強い脱分極"]
  D --> E["NMDA受容体開口（Mg²⁺<span class='jp-term jp-term-diagram' title='plug'>プラグ</span>解除）"]
  E --> F["Ca²⁺流入"]
  F --> G["CaMKII（Ca²⁺/<span class='jp-term jp-term-diagram' title='calmodulin'>カルモジュリン</span>依存性<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protein kinase'>プロテインキナーゼ</span>、calmodulin-dependent protein kinase II）活性化"]
  G --> H["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='AMPA receptor'>AMPA受容体</span>のリン酸化"]
  H --> I["後シナプスの伝達物質感受性↑（LTP成立）"]

グリア細胞

「神経膠nerve glue神経膠（nerve glue）nerve glue（神経膠）」——脳容積の半分を占める。マクログリアmacroglia マクログリア（macroglia）macroglia（マクログリア） はアストロサイト（星状膠細胞astrocyte星状膠細胞（astrocyte）astrocyte（星状膠細胞）、astrocyte）、オリゴデンドロサイトoligodendrocyteオリゴデンドロサイト（oligodendrocyte）oligodendrocyte（オリゴデンドロサイト）、ミクログリアmicroglia ミクログリア（microglia）microglia（ミクログリア） に分けられる。

⚠️ 「グリア細胞neuroglia グリア細胞（neuroglia）neuroglia（グリア細胞） の数はニューロンの10倍」という通説は、直接計数 counting 計数（counting） counting（計数） では支持されない。 ヒト成人の脳を等方性 isotropic 等方性（isotropic） isotropic（等方性） 分画法で直接計数 counting 計数（counting） counting（計数） した研究では、ニューロンと非ニューロン細胞（グリア細胞neuroglia グリア細胞（neuroglia）neuroglia（グリア細胞） を含む）はおよそ861億対846億とほぼ1対1の比率であり、しばしば引用される「10倍」という値は過大評価だったことが示されている（ヒトの直接計数 counting 計数（counting） counting（計数） データ）¹。

アストロサイトの5つの機能

① 乳酸供給（基質バッファリング、substrate buffering、第2のエネルギー貯蔵庫 reservoir貯蔵庫（reservoir） reservoir（貯蔵庫））：ニューロンは血漿からGLUT3経由で直接グルコースを取り込むか、アストロサイト経由の乳酸を利用できる。

flowchart TD
  A["血中グルコース"] --> B["アストロサイトへ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucose transporter 1'>GLUT1</span>で取り込み"]
  B --> C["グリコーゲンとして貯蔵、または解糖でLAC産生"]
  C --> D["MCT1でLACを細胞外へ輸送"]
  D --> E["ニューロンがMCT2でLACを取り込み"]
  E --> F["ピルビン酸に変換→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='energy production'>エネルギー産生</span>"]

⭐ 一過性のグルコース欠乏時には、アストロサイトのグリコーゲン貯蔵がニューロンへのエネルギー供給を維持する。

② 脳細胞外液 extracellular fluid, ECF 細胞外液（extracellular fluid, ECF） extracellular fluid, ECF（細胞外液） の[K⁺]・pH調節：頻回のニューロン脱分極は局所的に[K⁺]EC↑・[Na⁺]EC↓を招く。アストロサイトは3種の輸送体（Na⁺/K⁺-ATPaseNa⁺/K⁺-ATPase（sodium-potassium ATPase）、Na⁺/K⁺/2Cl⁻共輸送体 cotransporter共輸送体（cotransporter） cotransporter（共輸送体）、K⁺チャネル）でこれを緩衝する。

⚠️ K⁺チャネルを介したK⁺流入は例外的である——通常K⁺は細胞外へ向かう。アストロサイトの静止膜電位 resting membrane potential 静止膜電位（resting membrane potential） resting membrane potential（静止膜電位） が非常に負であるため、正電荷のK⁺が細胞内へ駆動される。アストロサイトはギャップ結合 gap junction ギャップ結合（gap junction） gap junction（ギャップ結合） で隣接アストロサイトとつながっており、[K⁺]が低い領域の細胞へK⁺を分散させる（空間的バッファリング、spatial buffering）。

③ グルタミン酸-グルタミン回路 glutamate-glutamine cycleグルタミン回路（glutamate-glutamine cycle） glutamate-glutamine cycle（グルタミン回路）：高濃度のグルタミン酸は興奮毒性 excitotoxicity 興奮毒性（excitotoxicity） excitotoxicity（興奮毒性） を引き起こすため、放出後速やかに除去される必要がある。

flowchart TD
  A["シナプスに放出されたグルタミン酸"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='presynaptic terminal'>前シナプス終末</span>がEAAT（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='excitatory amino acid transporter (EAAT)'>興奮性アミノ酸トランスポーター</span>、excitatory amino acid transporter）で再取り込み"]
  A --> C["アストロサイトがEAATで取り込み"]
  C --> D["グルタミン酸→グルタミンに変換（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutamine synthetase'>グルタミン合成酵素</span>、glutamine synthetase）"]
  D --> E["SNAT（Na⁺共役中性アミノ酸トランスポーター）で脳<span class='jp-term jp-term-diagram' title='extracellular fluid, ECF'>細胞外液</span>へ放出"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='presynaptic terminal'>前シナプス終末</span>がグルタミンを取り込み"]
  F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutaminase'>グルタミナーゼ</span>でグルタミン酸に再変換→小胞に充填"]

グルタミンは受容体に結合できず毒性がない——これがアストロサイトによる興奮毒性 excitotoxicity 興奮毒性（excitotoxicity） excitotoxicity（興奮毒性） 防止機構の本質である。

④ 脳血流cerebral blood flow, CBF 脳血流（cerebral blood flow, CBF）cerebral blood flow, CBF（脳血流） の調節：シナプスから漏れ出たグルタミン酸がアストロサイトのmGluR1/5（Gq）を活性化 → IP3IP3（inositol 1,4,5-trisphosphate） → [Ca²⁺]↑ → PLA2（ホスホリパーゼA2phospholipase A2 (PLA2)ホスホリパーゼA2（phospholipase A2 (PLA2)）phospholipase A2 (PLA2)（ホスホリパーゼA2）、phospholipase A2） → COX1（シクロオキシゲナーゼcyclooxygenase, COX シクロオキシゲナーゼ（cyclooxygenase, COX）cyclooxygenase, COX（シクロオキシゲナーゼ） 1、cyclooxygenase 1）・NOS（一酸化窒素合成酵素nitric oxide synthase一酸化窒素合成酵素（nitric oxide synthase）nitric oxide synthase（一酸化窒素合成酵素）、nitric oxide synthase）活性化 → PGE2（プロスタグランジンE2prostaglandin E2プロスタグランジンE2（prostaglandin E2）prostaglandin E2（プロスタグランジンE2））・NO（一酸化窒素nitric oxide, NO一酸化窒素（nitric oxide, NO）nitric oxide, NO（一酸化窒素）、nitric oxide）産生（血管拡張物質、vasodilator）→ 局所脳血流 cerebral blood flow, CBF 脳血流（cerebral blood flow, CBF） cerebral blood flow, CBF（脳血流） 増加、神経活動亢進時の酸素供給 myocardial oxygen supply 酸素供給（myocardial oxygen supply） myocardial oxygen supply（酸素供給） を維持する。

⭐ アストロサイトはCSFCSF（cerebrospinal fluid）の循環（グリンパティック系）にも関与する。 マウスの研究では、脳脊髄液は貫通動脈 perforating arteries 貫通動脈（perforating arteries） perforating arteries（貫通動脈） 周囲の血管周囲腔 perivascular space 血管周囲腔（perivascular space） perivascular space（血管周囲腔） から脳実質 brain parenchyma 脳実質（brain parenchyma） brain parenchyma（脳実質） へ流入し間質液 interstitial fluid 間質液（interstitial fluid） interstitial fluid（間質液） は静脈周囲の経路へ排出されるという血管周囲経路が確認されており、アストロサイトの水チャネル ion/water channel 水チャネル（ion/water channel） ion/water channel（水チャネル） AQP4を欠くマウスではこの流入が遅くなり、アミロイドβamyloid beta アミロイドβ（amyloid beta）amyloid beta（アミロイドβ） を含む間質溶質のクリアランスが約70%低下する。老廃物waste product 老廃物（waste product）waste product（老廃物） 除去のための「脳のリンパ系」として、上記5機能に加わる第6の役割と位置づけられている（マウスのデータ）²。

⑤ 栄養因子の分泌：BDNF（脳由来神経栄養因子 neurotrophic factor神経栄養因子（neurotrophic factor） neurotrophic factor（神経栄養因子）、brain-derived neurotrophic factor）、GDNF（グリア由来神経栄養因子 neurotrophic factor神経栄養因子（neurotrophic factor） neurotrophic factor（神経栄養因子）、glial cell line-derived neurotrophic factor）——ニューロンの生存とシナプス形成を促進する。

オリゴデンドロサイトとシュワン細胞

💡 CNSの「1対多」という担当数は実測されている。 成熟マウス視神経の三次 tertiary 三次（tertiary） tertiary（三次） 元再構築 remodel 再構築（remodel） remodel（再構築） では、1個のオリゴデンドロサイト oligodendrocyte オリゴデンドロサイト（oligodendrocyte） oligodendrocyte（オリゴデンドロサイト） が近傍の平均19本（幅12〜35本）の軸索へそれぞれ1つずつ髄鞘分節を供給していた（マウス視神経の実測データ）³。

ミクログリア——CNSのマクロファージ

• 単球-マクロファージ系列 monocyte-macrophage lineage マクロファージ系列（monocyte-macrophage lineage） monocyte-macrophage lineage（マクロファージ系列） 由来、全グリア細胞 neuroglia グリア細胞（neuroglia） neuroglia（グリア細胞） の約20%
• 活性化すると：増殖、形態変化、貪食能phagocytic capacity 貪食能（phagocytic capacity）phagocytic capacity（貪食能） 獲得、サイトカイン・フリーラジカルfree radicalsフリーラジカル（free radicals）free radicals（フリーラジカル）・NO放出
• 脳内で最も有効な抗原提示細胞 antigen-presenting cell (APC) 抗原提示細胞（antigen-presenting cell (APC)） antigen-presenting cell (APC)（抗原提示細胞） （活性化Tリンパ球 T lymphocyte Tリンパ球（T lymphocyte） T lymphocyte（Tリンパ球） は血液脳関門を通過できる）

まとめ

• ニューロンは樹状突起 dendrite 樹状突起（dendrite） dendrite（樹状突起） （入力）→軸索小丘 axon hillock 軸索小丘（axon hillock） axon hillock（軸索小丘） （総和sum総和（sum）sum（総和）・演算）→軸索（出力）という3段階の情報処理装置であり、AP頻度が総和 sum 総和（sum） sum（総和） されたPSP振幅をコードする。
• EPSPは主にグルタミン酸受容体（AMPA・NMDA・mGluR）、IPSPは主にGABA受容体（GABA_A・GABA_B）を介して生成される。
• シナプス前抑制presynaptic inhibition シナプス前抑制（presynaptic inhibition）presynaptic inhibition（シナプス前抑制） と2-AG/CB1Rを介した逆行性シグナル retrograde signaling 逆行性シグナル（retrograde signaling） retrograde signaling（逆行性シグナル） 伝達は、特定の入力を選択的に調節する機構である。
• LTP（NMDA受容体依存性のCa²⁺流入→CaMKII→AMPA受容体 AMPA receptor AMPA受容体（AMPA receptor） AMPA receptor（AMPA受容体） リン酸化）は海馬における学習・記憶の細胞基盤と考えられている。
• グリア細胞neuroglia グリア細胞（neuroglia）neuroglia（グリア細胞） （アストロサイト・オリゴデンドロサイトoligodendrocyteオリゴデンドロサイト（oligodendrocyte）oligodendrocyte（オリゴデンドロサイト）/シュワン細胞Schwann cellシュワン細胞（Schwann cell）Schwann cell（シュワン細胞）・ミクログリアmicrogliaミクログリア（microglia）microglia（ミクログリア））はニューロンの代謝・イオン恒常性・ミエリン形成myelinationミエリン形成（myelination）myelination（ミエリン形成）・免疫防御frontline immune defense 免疫防御（frontline immune defense）frontline immune defense（免疫防御） を支える不可欠なパートナーである。