大脳皮質の局所神経回路

英語名：cortical local microcircuit

　大脳皮質には、神経細胞が80個程度で構成さ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1により構成されると言われている大脳皮質の神経回路が作られている。

歴史

図1．Minicolumn構造の概略

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図2．大脳皮質視覚野V1の信号の流れ

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図3．大脳皮質局所神経回路概略図

図4．5層の錐体細胞の2つのサブタイプ

図5．視床皮質神経線維の分布

　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。Santiago Ramóny Cajalによって、ゴルジ染色法により神経細胞が染色され、光学顕微鏡による観察とスケッチで、長く脳表面に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2、ミニ円柱（minicolumn）構造（80個の神経細胞、互いに23μm間隔をおいて並列的に分布）と呼ばれている。横方向にこのminicolumn構造が繰り返し分布している3。サルの大脳皮質の一次視覚野では、このminicolumn構造は、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、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4。それらが互いにシナプス結合で連絡し合いながら、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5。ただし、まだこの機能円柱構造とminicolumn構造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、前脳基底部（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、spiny stellate細胞やstar pyramid細胞等が主に分布している。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の伝達物質GABAによる作用で抑制し制御する非錐体細胞は、1層から6層まで分布しており、形態や発火特性、発現する神経化学物質が異なるサブタイプが多く存在する6（図3）。これらの非錐体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7、活動様式が異なる事が知られており8、局所神経回路の中での役割が異なると考えられている9。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い、我々の高次脳機能を担っている。

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は、錐体細胞間にあるシナプス結合と、視床からの求心性神経線維が錐体細胞にシナプス結合するものに区分できる。

　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10。それによると、図2に示されたようなサルの皮質視覚野の層間での結合様式と同様に、4層から2/3層へシナプス結合がある。また、4層の細胞は他の4層の細胞とも結合が強い。さらに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示す。さらに、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層の錐体細胞に出力してい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層の錐体細胞は、樹状突起がより発達している中脳に投射する皮質橋Corticopontine (CPn) 錐体細胞と、樹状突起がより貧弱であり反対側の線条体等に投射しているCrossed-corticostriatal (CCS) 錐体細胞のオーバーラップのない２つの異なるサブタイプがある（図4）。CCS細胞からCPn細胞への一方的な結合様式や、CCS細胞間の結合よりもCPn細胞間の結合の方がよりEPSCが大きい事等、特定の信号結合様式が報告されている11,12,13。

　一方、視床からの興奮性神経線維の結合の解析は、視床皮質神経線維を選択的にマーキングするVesicular Glutamate Transporter Type 2 (VGLUT2)染色により、皮質における視床由来の神経線維を選択的に染め出し、より詳細にその分布が報告されている14。その結果、1層上部、4層、5層下部（5b層）に、より多くの視床皮質線維が分布する事がわかっている（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1割の棘突起には抑制性のシナプス結合が入力し、視床からの興奮性信号を選択的に抑制しているであろうと考えられている7。

抑制性結合

　大脳皮質の抑制性神経細胞である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の活動を制御している（図3）13,15,16。の中で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るとともに、発火のタイミングの制御をしていると考えられている。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、非錐体細胞の数％程度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、錐体細胞の軸索起始部にシナプス結合し、錐体細胞の発火を制御していると考えられている。FS細胞は、ほぼ全てがカルシウム結合蛋白parvalbuminを発現している。2番目に大きな集団は、神経ペプチドsomatostatinを発現する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17。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をターゲットにしている。錐体細胞に入力する多くの興奮性信号を直接抑制するため、その抑制効果は大きい。3つめのサブタイプは、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、neurogliaform細胞である。樹状突起や軸索に多数分岐があり、細胞周辺のエリアに両者が非常に密に分布している。Alpha actinin 2を発現する。また、長い抑制効果を示すGABAB受容体反応をターゲットに与える抑制細胞として知られている18。

参考文献

（執筆者：窪田芳之、川口泰雄　担当編集委員：渡辺 大）