大脳皮質の局所神経回路のソースを表示

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<font size="+1">[http://researchmap.jp/yoshiyukikubota 窪田芳之]、[http://researchmap.jp/yasuokawaguchi 川口泰雄]</font><br>
''自然科学研究機構 生理学研究所	大[[脳神経]]回路論研究部門''<br>
DOI [[XXXX]]/XXXX　原稿受付日：2012年6月6日　原稿完成日：2013年XX月XX日<br>
担当編集委員：[http://www.phy.med.kyoto-u.ac.jp/dw.html 渡辺 大]（京都大学大学院 生命科学研究科認知情報学講座・医学研究科生体情報科学講座）<br>
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[[Image:皮質局所神経回路 図１.png|thumb|250px|<b>図1．Minicolumn構造の概略</b>]] [[Image:皮質局所神経回路 図２.png|thumb|250px|<b>図2．大脳皮質視覚野V1の信号の流れ</b>]] [[Image:皮質局所神経回路 図3-1.png|thumb|250px|<b>図3．大脳皮質局所神経回路概略図</b><br>LS: late spiking, FS: fast spiking, RS/BSNP: regular spiking/burst spiking, CCK: コレシストキニン]] [[Image:皮質局所神経回路 図４.png|thumb|250px|<b>図4．5層の錐体細胞の2つのサブタイプ</b>]] [[Image:皮質局所神経回路 図５.png|thumb|250px|<b>図5．視床皮質神経線維の分布</b>]] 

英語名：cortical local microcircuit 

{{box|text=
　[[大脳皮質]]には、80個程度の[[神経細胞]]で構成されるミニ円柱構造と呼ばれる最小単位の局所神経回路があり、その単位神経回路が多数並列的に存在する事で、概算で神経細胞26億個<ref name="ref1"><pubmed>4165856</pubmed></ref>（ヒトの場合）により構成される大脳皮質の神経回路が作られている。 
}}

== 歴史  ==

　大脳皮質の神経細胞の概要が、解剖学的に示されたのは百年余前の事である。[[wikipedia:Santiago Ramón y Cajal|Santiago Ramón y Cajal]]によって、[[ゴルジ染色]]法により神経細胞が染色され、[[wikipedia:ja:光学顕微鏡|光学顕微鏡]]による観察とスケッチで、長く脳表面に向かって伸展する特徴的な尖端[[樹状突起]]（apical dendrite）を持つ[[錐体細胞]]（pyramidal cell）や、比較的小さい非錐体細胞（nonpyramidal cell）等が詳細に描画され、報告された。それらは、現在の大脳皮質局所神経回路研究の礎となっている。 

== 局所神経回路ユニットと機能円柱  ==

　大脳皮質は、解剖学的に、縦方向に神経細胞が柱状に並んでおり<ref name="ref2"><pubmed>10805761</pubmed></ref>、ミニ円柱（minicolumn）構造（80個の神経細胞で構成され、横方向に23μmの幅を持つ）と呼ばれている。横方向にこのミニ円柱構造が繰り返し分布している<ref name="ref3"><pubmed>22171052</pubmed></ref>。[[wikipedia:ja:サル|サル]]の大脳皮質の[[一次視覚野]]では、ひとつのミニ円柱構造の中に、18個の2/3層の錐体細胞、6個の5層の錐体細胞、10個の6層の錐体細胞の尖端樹状突起とその[[軸索]]（axon）が束をなし、上述の錐体細胞を含んだ64個の興奮性の神経細胞（錐体細胞、[[Spiny stellate 細胞]]等）と16個の抑制性の非錐体細胞がその周りを取り囲む様に分布し、それらが互いに[[シナプス]]結合で連絡し合いながら、一種の機能的なユニット構造を構成していると考えられている<ref name="ref4"><pubmed>8822167</pubmed></ref>。数百個のミニ円柱が集まり、良く似た形をした物体に視覚的に反応する幅約400 µmの[[機能円柱]]（column）構造を形成していると考えられている<ref name="ref5"><pubmed>1448150</pubmed></ref>。ただし、まだミニ円柱構造と機能円柱構造との間の関係は明らかにはなっていない。 

== 局所神経回路の構造  ==

　大脳皮質の局所神経回路は、錐体細胞、非錐体細胞、他の大脳皮質や[[視床]]からの興奮性入力線維、[[中脳]]の[[縫線核]]（raphe nucleus）からの[[セロトニン]]線維、[[大脳基底核]]（basal nucleus）からの[[アセチルコリン]]線維、[[腹側被蓋野]]（ventral tegmental area）からの[[ドーパミン]]線維等の求心性線維等から構成される。錐体細胞は、大脳皮質の興奮性出力信号細胞であり、2/3層、5層、6層に分布している。4層にある興奮性細胞は、主に[[有棘星状細胞]]（[[spiny stellate細胞]]）や[[星状錐体細胞]]（[[Star pyramid細胞]]）である。これらの興奮性神経細胞は、層毎に、入力源や出力先が異なる事が知られている（図2）。それらの興奮性出力細胞の活動を抑制性細胞が抑制性の伝達物質[[GABA]]による作用で抑制し制御する。抑制性細胞は、1層から6層まで分布しており、形態や[[発火]]特性、発現する[[神経伝達物質]]の異なるサブタイプが多く存在する<ref name="ref6"><pubmed>21220766</pubmed></ref>（図3）。これらの抑制性細胞のサブタイプは、シナプス結合して抑制作用を及ぼすターゲットの場所が異なる事<ref name="ref7"><pubmed>17267569</pubmed></ref>、活動様式が異なる事が知られており<ref name="ref8"><pubmed>18599766</pubmed></ref>、局所神経回路の中での役割が異なると考えられている<ref name="ref9"><pubmed>9276173</pubmed></ref>。さらに、外部からの興奮性信号と縫線核等それ以外の活動を調整する信号等が複雑に作用し合う。

== 興奮性結合  ==

　大脳皮質の局所神経回路の[[興奮性シナプス]]結合の中では、錐体細胞間のシナプス結合と、視床からの求心性神経線維から錐体細胞へのシナプス結合の性質が比較的良く知られている。 

　皮質の興奮性細胞間のシナプス結合様式は、近年、ペア電気生理記録法により詳細に検討され報告されている<ref name="ref10"><pubmed>12466210</pubmed></ref>。それによると、4層の興奮生細胞から2/3層の細胞へシナプス結合があり、また4層の興奮性細胞は他の4層の細胞とも結合が強い。さらに４層の興奮性細胞は6層にも少ないながら結合している。2/3層の錐体細胞は、同じ層の中でシナプス結合を作り、5層の錐体細胞に最も強いシナプス結合で信号を送る。5層の錐体細胞は同じ層の錐体細胞と結合し、6層の錐体細胞にも信号を送る。6層の錐体細胞は、4層５層6層の錐体細胞にもシナプス結合する事が報告されている。5層の錐体細胞間の結合特性はさらに解析が進んでいる。5層錐体細胞は、対側皮質へ投射するもの投射するもの（commissural cell; COM細胞）と橋核へ行くもの（corticopontine cell; CPn細胞）に分かれる。前頭葉の大脳皮質のCOM細胞には、対側[[線条体]]にも投射するもの（crossed-corticostriatal cell; CCS細胞）がある。5層錐体細胞投射サブタイプの間で、樹状突起形態や生理的性質が[[分化]]している（図4）。そしてこれらサブタイプの組み合わせで、結合方向性、相互結合頻度、短期可塑性が異なっている。<ref name="ref11"><pubmed>16624959</pubmed></ref> <ref name="ref12"><pubmed>21753015</pubmed></ref> <ref name=ref013><pubmed>21389241</pubmed></ref> <ref name="ref13">'''川口　泰雄'''<br>大脳皮質内興奮性回路の機能分化<br>“ブレインサイエンス・レビュー　2009”（伊藤正男・川合述史編集）クバプロ、東京</ref>。 

　一方、[[視床皮質神経線維]]を選択的に発現する[[小胞型グルタミン酸トランスポーター]] Type 2 (VGLUT2)をマーカーとして使うことで、視床由来神経線維の神経末端の皮質内分布と皮質細胞への結合様式が明らかとなった<ref name="ref14"><pubmed>12949784</pubmed></ref>。前頭葉では、1層上部、4層、5層下部（5b層）に、より多くの視床皮質線維の神経末端が分布している（図5）。その[[神経終末]]の大半は錐体細胞の[[棘突起]]に入力し、その棘突起の1割には[[抑制性シナプス]]が同時に入力し、視床からの興奮性信号を選択的に抑制すると考えられている<ref name=ref7 /> <ref><pubmed>23661763</pubmed></ref>。

== 抑制性結合  ==

　GABAを伝達物質とする抑制性非錐体細胞には少なくとも十数種類のサブタイプがあり、それぞれ異なった役割で皮質活動を制御している（図3）<ref name=ref013 /> <ref name="ref15"><pubmed>9651498</pubmed></ref> <ref name="ref16">'''窪田　芳之'''<br>皮質局所神経回路の興奮性抑制性入力特性<br>“ブレインサイエンス・レビュー　2008”（伊藤正男・川合述史編集）クバプロ、東京、p45-72</ref>。最も多数をしめるサブタイプはfast spiking (FS) [[バスケット細胞]]である。非錐体細胞のおよそ3割程度をしめる集団で、互いに[[ギャップ結合]]（[[電気シナプス]]）で結合し、錐体細胞等の[[細胞体]]や樹状突起の近位部に抑制性シナプス接着を形成し、錐体細胞の発火を押さえたり、発火のタイミングの制御をする。 

　FS型発火様式を持つもう一つの細胞は、[[シャンデリア細胞]]である。数は少なく、非錐体細胞全体のごく少数であると言われている。その神経終末は縦方向に10個程度が数珠状に並び、ほぼ全ての錐体細胞の[[軸索起始部]]にシナプス結合し<ref><pubmed>2016413</pubmed></ref>、錐体細胞の発火を制御する。FS細胞は、ほぼ全てが[[カルシウム結合タンパク質]][[パルブアルブミン]]（parvalbumin）を発現している。 

　2番目に大きな集団は、[[神経ペプチド]][[ソマトスタチン]]（somatostatin）を発現する[[マルチノッチ細胞]]（[[Martinotti細胞]]）である。非錐体細胞の中では唯一高密度の棘突起（約1個/µm）をもつ<ref name="ref17"><pubmed>16107588</pubmed></ref>。軸索は、1層まで分岐しながら伸展し、錐体細胞のタフト樹状突起等の末端の樹状突起にもシナプスを作り、興奮性入力信号を直接抑制する。 

　3つめのサブタイプは、[[ダブルブーケ細胞]]（[[Double bouquet細胞]]）と呼ばれており、軸索がまとまって束となり[[白質]]方向に下降するのが特徴である。[[カルシウム]]結合タンパク質の[[カルレチニン]]（calretinin）や神経ペプチド[[VIP]]、[[CRF]]等を発現する。ターゲットは錐体細胞に加えてdouble bouquet細胞を含む非錐体細胞も含まれる。 

　Late spiking発火特性を持つのは、[[ニューログリアフォーム細胞]]（[[Neurogliaform細胞]]）である。樹状突起や軸索は、自身の細胞体近傍に密に分岐している。ラットでは、細胞体で[[アクチニン|&alpha;-actinin 2]]を発現する<ref name=ref6 />。また、長い抑制効果を示す[[GABAB受容体|GABA<sub>B</sub>受容体]]反応を後シナプス細胞に引き起こす<ref name="ref18"><pubmed>12649485</pubmed></ref>。

== 水平軸索結合 ==

　[[wj:ネコ|ネコ]]の[[一次視覚野]]の錐体細胞は、軸索を水平方向に0.5 – 3mm程のばし、そこで終末側枝を多数分岐している<ref name=ref22><pubmed>552600</pubmed></ref>。同様な水平軸索結合は、[[wj:サル|サル]]の下側頭回や<ref name=ref23><pubmed>8744437</pubmed></ref>、ネコの[[一次聴覚野]]でも見られる<ref name=ref24><pubmed>15145086</pubmed></ref>。この水平軸索は、最長で8mmまで走行する。ネコ1次視覚野では、この水平軸索結合は、同じ方向選択性を持つ機能円柱（orientation column）どうしをつなぐ役割を持っている<ref name=ref25><pubmed>1704130</pubmed></ref>。また、[[網膜]]の一部を壊すと、その視野に対応していた皮質部位は、一時的に視覚刺激応答しなくなる。しかし、しばらくすると、それまでは[[閾値]]以下の興奮しか起こせなかった周囲の正常部位にある錐体細胞の水平軸索からの入力が強化され、視覚応答するようになる<ref name=ref26><pubmed>7596409</pubmed></ref> <ref name=ref27><pubmed>8570604</pubmed></ref>。このように、水平軸索は、いわば、機能しなくなる部位ができた際、すぐに代償の信号ルートを作る為の予備的な回路の役割をもっているといえる。

== シナプス結合選択性 ==

　大脳新皮質2/3層内で結合している錐体細胞は、4層興奮性神経細胞から共通入力を多く受ける一方、5層からの興奮性入力や4層からの抑制性入力に関しては、このような選択的な入力パターンは見られない<ref name=ref28><pubmed>15729343</pubmed></ref>。さらに、抑制性細胞サブタイプであるパルブアルブミン陽性のFS細胞やソマトスタチン陽性の[[マルチノッティ細胞]]では、周囲にある錐体細胞を選択性なく神経支配している事が知られている<ref name=ref29><pubmed>21435562</pubmed></ref> <ref name=ref30><pubmed>21917809</pubmed></ref>。錐体細胞からの興奮性結合の一部には、層やターゲットのニューロンタイプによって選択性がある一方で抑制性細胞はランダムに出力していると考えられる。

== 参考文献  ==

<references />