Physiology · 1.7

神経細胞の生理学。シナプス伝達とその調節。神経伝達物質。

Physiology of nerve cells. Synaptic transmission and its regulation. Neurotransmitters.

応用トピック: 麻酔科学III：静脈麻酔薬
検査値: GAD65抗体

🧠 シナプス伝達synaptic transmissionシナプス伝達（synaptic transmission）synaptic transmission（シナプス伝達）は「電気信号PSP, postsynaptic potential電気信号（PSP, postsynaptic potential）PSP, postsynaptic potential（電気信号）（AP）→化学信号（NT放出）→電気信号PSP, postsynaptic potential電気信号（PSP, postsynaptic potential）PSP, postsynaptic potential（電気信号）」という2度の変換過程だと捉える。Ca²⁺流入が変換のトリガーになる点、EPSP/IPSPの加重weighting / summation加重（weighting / summation）weighting / summation（加重）が軸索小丘axon hillock軸索小丘（axon hillock）axon hillock（軸索小丘）で最終判定される点、の2つが軸。

ニューロンの構造と電気的信号

構造	機能
細胞体	神経蛋白の合成・分解
樹状突起dendrite樹状突起（dendrite）dendrite（樹状突起）	他ニューロンからのシナプスを受け取る
軸索	出力信号を軸索終末axon terminal軸索終末（axon terminal）axon terminal（軸索終末）へ伝える
軸索終末axon terminal軸索終末（axon terminal）axon terminal（軸索終末）	他ニューロン/効果器effector効果器（effector）effector（効果器）とシナプスを形成、NT（neurotransmitter, 神経伝達物質）を放出
軸索小丘axon hillock軸索小丘（axon hillock）axon hillock（軸索小丘）	入力信号の統合＋インパルス発生部位impulse initiation siteインパルス発生部位（impulse initiation site）impulse initiation site（インパルス発生部位）。電位依存性Na⁺チャネルvoltage-gated Na+ channel電位依存性Na⁺チャネル（voltage-gated Na+ channel）voltage-gated Na+ channel（電位依存性Na⁺チャネル）密度が高い
シナプス	情報伝達signal transduction情報伝達（signal transduction）signal transduction（情報伝達）の場（化学的または電気的）

電気緊張電位（グレイド電位）の例

受容器電位receptor potential受容器電位（receptor potential）receptor potential（受容器電位）
興奮性シナプス後電位excitatory postsynaptic potential, EPSP興奮性シナプス後電位（excitatory postsynaptic potential, EPSP）excitatory postsynaptic potential, EPSP（興奮性シナプス後電位）
抑制性シナプス後電位inhibitory postsynaptic potential, IPSP抑制性シナプス後電位（inhibitory postsynaptic potential, IPSP）inhibitory postsynaptic potential, IPSP（抑制性シナプス後電位）

いずれも局所的なイオンコンダクタンスconductanceコンダクタンス（conductance）conductance（コンダクタンス）変化によるアナログ信号analog signalアナログ信号（analog signal）analog signal（アナログ信号）で、脱分極・過分極どちらも取りうる（1-06-the-development-of-the-action-potential-in-excitable-cells-similarities-andの比較表Comparison Table比較表（Comparison Table）Comparison Table（比較表）参照）。

受容器電位

刺激強度に比例した膜電位変化で、内向き電流によって生じる。その振幅がAPの発火頻度firing rate発火頻度（firing rate）firing rate（発火頻度）を決定する。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sensory reception'>感覚受容</span>器への刺激"] --> B["電気緊張性脱分極（減衰しつつ伝播）"]
  B --> C["閾値到達→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='voltage-gated'>電位依存性</span>Na+チャネル開口→AP発生"]
  C --> D["APが線維上を伝播"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='voltage-gated'>電位依存性</span>K+チャネル開口＋Na+チャネル不活性化→過分極"]
  E --> F["閾値下に再分極→静止状態へ復帰"]

シナプスの2形式

	電気シナプスelectrical synapse電気シナプス（electrical synapse）electrical synapse（電気シナプス）	化学シナプスchemical synapse化学シナプス（chemical synapse）chemical synapse（化学シナプス）
機構	イオン移動による電気伝導	神経伝達物質の拡散
伝達方向	双方向（A⇌B、bidirectional）	一方向（前→後シナプス、unidirectional）
遅延	なし	1〜5ms（NT放出にかかる時間）
局在	CNS、PNS、平滑筋、心筋	CNS、PNS
構造	ギャップ結合gap junctionギャップ結合（gap junction）gap junction（ギャップ結合）	前後シナプス膜＋シナプス小胞synaptic vesicleシナプス小胞（synaptic vesicle）synaptic vesicle（シナプス小胞）＋軸索終末axon terminal軸索終末（axon terminal）axon terminal（軸索終末）
間隙距離cleft distance間隙距離（cleft distance）cleft distance（間隙距離）	2 nm	20 nm

シナプス伝達の過程

flowchart TD
  A["APが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='axon terminal'>軸索終末</span>に到達→前シナプス<span class='jp-term jp-term-diagram' title='membrane depolarization'>膜脱分極</span>"]
  A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='voltage-gated calcium channel'>電位依存性Ca2+チャネル</span>開口→Ca2+流入"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='synaptic vesicle'>シナプス小胞</span>が前シナプス膜と融合"]
  C --> D["神経伝達物質が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='synaptic cleft'>シナプス間隙</span>へ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exocytosis'>エキソサイトーシス</span>"]
  D --> E["後シナプス膜の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ligand-gated'>リガンド依存性</span>チャネルに結合"]
  E --> F["後<span class='jp-term jp-term-diagram' title='synaptic potential'>シナプス電位</span>の変化（EPSPまたはIPSP）"]
  F --> G["NTの除去：拡散／再取り込み／<span class='jp-term jp-term-diagram' title='enzymatic degradation'>酵素分解</span>"]

EPSP（興奮性シナプス後電位）

0.1〜5 mVの脱分極が数msec持続。リガンド依存性ligand-gatedリガンド依存性（ligand-gated）ligand-gated（リガンド依存性）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）開口による。
最も代表的な興奮性NTはグルタミン酸。

受容体型	分類	特徴
AMPA受容体AMPA receptorAMPA受容体（AMPA receptor）AMPA receptor（AMPA受容体）	イオンチャネル型ionotropicイオンチャネル型（ionotropic）ionotropic（イオンチャネル型）	Na⁺/K⁺透過性
NMDA受容体	イオンチャネル型ionotropicイオンチャネル型（ionotropic）ionotropic（イオンチャネル型）	Na⁺/K⁺とCa²⁺透過性。開口には脱分極が必要（Mg²⁺ブロック解除unlockingロック解除（unlocking）unlocking（ロック解除））
mGlu受容体（metabotropic glutamate receptor、1〜8）	代謝型GPCR代謝型（GPCR）GPCR（代謝型）	mGlu1・5はGq、他はGi

IPSP（抑制性シナプス後電位）

0.1〜5 mVの過分極、またはEmを負側に安定化させる。リガンド依存性ligand-gatedリガンド依存性（ligand-gated）ligand-gated（リガンド依存性）Cl⁻チャネル（またはK⁺チャネル）開口による。
最も代表的な抑制性NTはGABA（gamma-aminobutyric acid, 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））。

受容体型	機構
GABA_A受容体	リガンド依存性ligand-gatedリガンド依存性（ligand-gated）ligand-gated（リガンド依存性）Cl⁻チャネル（ベンゾジアゼピンで活性化）
GABA_B受容体	Gi共役GPCR→K⁺チャネル開口

シナプス後電位の加重

1つのニューロンは多数の入出力シナプスを持ち、総EPSPと総IPSPが加重weighting / summation加重（weighting / summation）weighting / summation（加重）されて軸索小丘axon hillock軸索小丘（axon hillock）axon hillock（軸索小丘）での発火可否が決まる。

種類	内容
空間的加重spatial summation空間的加重（spatial summation）spatial summation（空間的加重）	同起源の複数の電位が時間的に近接して起こり足し合わされる（例：2つのEPSPが合算）
時間的加重temporal summation時間的加重（temporal summation）temporal summation（時間的加重）	異なる起源の複数のシナプスが近接して後シナプス電位synaptic potentialシナプス電位（synaptic potential）synaptic potential（シナプス電位）に影響する
相殺cancellation相殺（cancellation）cancellation（相殺）	同じ大きさのEPSPとIPSPが打ち消し合う

⭐ 軸索小丘axon hillock軸索小丘（axon hillock）axon hillock（軸索小丘）は電位依存性Na⁺チャネルvoltage-gated Na+ channel電位依存性Na⁺チャネル（voltage-gated Na+ channel）voltage-gated Na+ channel（電位依存性Na⁺チャネル）の密度が最も高い場所。加重weighting / summation加重（weighting / summation）weighting / summation（加重）された電位がこの閾値を超えればAPが発生し、加重電位summating potential加重電位（summating potential）summating potential（加重電位）の振幅がAP発火頻度firing rate発火頻度（firing rate）firing rate（発火頻度）を決める（頻度コーディングfrequency coding頻度コーディング（frequency coding）frequency coding（頻度コーディング）、後述）。

シナプス小胞

細胞体で合成され、軸索を通って軸索終末axon terminal軸索終末（axon terminal）axon terminal（軸索終末）へ輸送される。
軸索輸送axonal transport軸索輸送（axonal transport）axonal transport（軸索輸送）は微小管上を運動蛋白（motor protein：前進＝キネシンkinesinキネシン（kinesin）kinesin（キネシン）、後退retraction後退（retraction）retraction（後退）＝ダイニンdyneinダイニン（dynein）dynein（ダイニン））が担う。
小胞内には①神経伝達物質、②エキソサイトーシスexocytosisエキソサイトーシス（exocytosis）exocytosis（エキソサイトーシス）に関わる蛋白、③伝達物質取り込み用の蛋白が含まれる。

カテコールアミン（catecholamine：NE、E）、ACh、アミノ酸系伝達物質amino acid transmitterアミノ酸系伝達物質（amino acid transmitter）amino acid transmitter（アミノ酸系伝達物質）は、エネルギー依存的energy-dependentエネルギー依存的（energy-dependent）energy-dependent（エネルギー依存的）に小胞へ取り込まれる：V型プロトンポンプがATPを消費してH⁺を小胞内へ汲み上げ、その勾配を使ってNT-H⁺交換輸送体exchanger交換輸送体（exchanger）exchanger（交換輸送体）がH⁺を排出しつつNTを取り込む（二次能動輸送secondary active transport二次能動輸送（secondary active transport）secondary active transport（二次能動輸送））。

神経伝達物質の分類

分類	例
低分子NT（small-molecule neurotransmitter）	アミノ酸、ACh、カテコールアミン（ドパミン、NE、E）、セロトニン、ヒスタミン、ATP・アデノシン
ペプチド性peptideペプチド性（peptide）peptide（ペプチド性）NT（neuropeptide）	消化管ホルモンgastrointestinal hormone消化管ホルモン（gastrointestinal hormone）gastrointestinal hormone（消化管ホルモン）、下垂体ホルモンpituitary hormone下垂体ホルモン（pituitary hormone）pituitary hormone（下垂体ホルモン）、視床下部ホルモンhypothalamic hormone視床下部ホルモン（hypothalamic hormone）hypothalamic hormone（視床下部ホルモン）、オピオイドペプチドopioid peptideオピオイドペプチド（opioid peptide）opioid peptide（オピオイドペプチド）、サブスタンスPsubstance PサブスタンスP（substance P）substance P（サブスタンスP）（substance P）
ガス性NT（gasotransmitter）	NO、CO、H₂S

伝達物質効果の終結機構termination mechanism終結機構（termination mechanism）termination mechanism（終結機構）： ①拡散、②前シナプス終末presynaptic terminal前シナプス終末（presynaptic terminal）presynaptic terminal（前シナプス終末）による再取り込み（reuptake、多くはNa⁺との共輸送——例：コカインcocaineコカイン（cocaine）cocaine（コカイン）はカテコールアミンの再取り込みを阻害する）、③酵素分解enzymatic degradation酵素分解（enzymatic degradation）enzymatic degradation（酵素分解）（例：アセチルコリンエステラーゼacetylcholinesterase (AChE)アセチルコリンエステラーゼ（acetylcholinesterase (AChE)）acetylcholinesterase (AChE)（アセチルコリンエステラーゼ））。

⚠️ コカインcocaineコカイン（cocaine）cocaine（コカイン）の薬理はカテコールアミン再取り込み阻害catecholamine reuptake inhibitionカテコールアミン再取り込み阻害（catecholamine reuptake inhibition）catecholamine reuptake inhibition（カテコールアミン再取り込み阻害）。シナプス間隙synaptic cleftシナプス間隙（synaptic cleft）synaptic cleft（シナプス間隙）のNE濃度が高止まりし交感神経作用が持続・増強される。

頻度コーディング

刺激が持続・増強すると、受容器電位receptor potential受容器電位（receptor potential）receptor potential（受容器電位）の振幅が大きくなり、AP発火頻度firing rate発火頻度（firing rate）firing rate（発火頻度）が上がる。K⁺チャネルによる再分極が閾値下に達するとすぐにNa⁺チャネルが再び発火するため、スパイク間隔interspike intervalスパイク間隔（interspike interval）interspike interval（スパイク間隔）が短縮される。

\text{刺激強度} \uparrow \rightarrow \text{

まとめ

シナプス伝達synaptic transmissionシナプス伝達（synaptic transmission）synaptic transmission（シナプス伝達）はAP到達→Ca²⁺流入→小胞融合→NT放出→受容体結合receptor binding受容体結合（receptor binding）receptor binding（受容体結合）→PSP発生、という一連の電気-化学-電気変換。
EPSPはグルタミン酸（AMPA/NMDA=イオンチャネル型ionotropicイオンチャネル型（ionotropic）ionotropic（イオンチャネル型）、mGlu=GPCR）、IPSPはGABA（GABA_A=Cl⁻チャネル、GABA_B=Gi共役）が代表。
空間的加重spatial summation空間的加重（spatial summation）spatial summation（空間的加重）・時間的加重temporal summation時間的加重（temporal summation）temporal summation（時間的加重）・相殺cancellation相殺（cancellation）cancellation（相殺）という3様式でシナプス後電位postsynaptic potential, PSPシナプス後電位（postsynaptic potential, PSP）postsynaptic potential, PSP（シナプス後電位）が統合され、軸索小丘axon hillock軸索小丘（axon hillock）axon hillock（軸索小丘）での発火が決まる。
NTはエネルギー依存的energy-dependentエネルギー依存的（energy-dependent）energy-dependent（エネルギー依存的）（H⁺勾配を利用した二次能動輸送secondary active transport二次能動輸送（secondary active transport）secondary active transport（二次能動輸送））に小胞へ取り込まれ、拡散・再取り込み・酵素分解enzymatic degradation酵素分解（enzymatic degradation）enzymatic degradation（酵素分解）で効果が終結する。
頻度コーディングfrequency coding頻度コーディング（frequency coding）frequency coding（頻度コーディング）：刺激が強いほど受容器電位receptor potential受容器電位（receptor potential）receptor potential（受容器電位）の振幅が大きくAP発火頻度firing rate発火頻度（firing rate）firing rate（発火頻度）が上がる。