歯状回

池谷 裕二、松本 信圭
東京大学 大学院薬学系研究科
DOI XXXX/XXXX　原稿受付日：2013年12月10日　原稿完成日：2013年月日
担当編集委員：岡本 仁（独立行政法人理化学研究所 脳科学総合研究センター）

　海馬体の亜領域の一つで、海馬への主要な入力を担う。成体においても神経細胞の新生を生じる部位としても知られている。ここではもっとも解明の進んでいる齧歯目（ラットおよびマウス）の歯状回について記載する。（編集部コメント：抄録は500字程度で御願い致します）。

歯状回とは

（編集部コメント：イントロを御願い致します。長さは任意。）

細胞種および解剖学的特徴

（編集部コメント：図があればと思います。石塚先生の海馬の項目に図がありますが、再利用を御願いする事も可能です。） （編集部コメント：小見出しをつけ、その関係で文章を前後させてあります）

細胞構造

　歯状回は3層から成る。中心層は顆粒細胞層(granule cell layer)であり、歯状回の主要な細胞である顆粒細胞(granule cell)が存在する。げっ歯類の顆粒細胞層はV字またはU字型をしている。V字型かU字型かは、中隔-側頭軸に沿って異なる（中隔核側がよりV字型）。顆粒細胞の細胞体は直径約10 μmの小さなラグビー球形であり、細胞体層の厚みの方向に4～6個並んでいる。顆粒細胞の樹状突起は細胞体層と垂直の方向（分子層の方向）に伸び、そこで数種の細胞からシナプス入力を受けている。樹状突起はラグビー球状の細胞体の尖頂部から通常一方向に伸びるため、顆粒細胞は単極細胞(monopolar neuron)と呼ばれることもある。海馬CA1やCA3の錐体細胞がてんかんに脆弱であるのに対し、重度のてんかん患者でも顆粒細胞は残存していることが多い。

　顆粒細胞層の、直上および直下には、きわめて低い細胞密度の分子層(molecular layer)と、細胞が疎らに散見される多形細胞層(polymorphic cell layer)が、それぞれ位置している。多形細胞層は門(hilus)と呼ばれることもある。歯状回門のニューロンは全て歯状回内に局所投射するインターニューロンのみである。

入力

　多くの感覚情報は、嗅内皮質を通じて海馬に流れ込む。そのため、嗅内皮質を海馬の三シナプス性回路（嗅内皮質第2層→歯状回→CA3野→CA1野→嗅内皮質第5層）の起始点と考えることが多い。嗅内皮質は6層構造をとる。そして、嗅内皮質第2層からの貫通線維（perforant path）を通じて、歯状回へと入力が送られる。貫通線維の名は、その軸索が海馬支脚および海馬溝（hippocampal fissure, hippocampal sulcus）を貫通して、歯状回およびCA3野に投射していることに由来する。内側貫通線維（内側嗅内皮質から起始する）および外側貫通線維（外側嗅内皮質から起始する）はそれぞれ、歯状回分子層の中間層および外側（表層側）3分の1の部分に投射する。これら二種の貫通線維は、CA3野やCA2野の網状分子層にも同様の層状パターンを形成している。

　分子層の内側3分の1の部分で見られるシナプス入力はすべて歯状回門からのものである 。この投射は同側だけでなく対側の歯状回にも由来しているので、同側連合交連投射（ipsilateral associational-commissural projection）と呼ばれている。この投射は苔状細胞の軸索側枝であると考えられている。

出力

　顆粒細胞の軸索はそのシナプス終末の独特な外見から、苔状線維(mossy fiber)と呼ばれる。苔状線維は細胞体の基底部（樹状突起とは反対の方向）から起始し、歯状回門内へと伸長している。苔状線維は苔状細胞(mossy cell)など、いくつかのニューロンに投射している。この苔状細胞は、他の中隔-側頭軸にある同側および対側の歯状回でシナプスを形成している。苔状線維は歯状回門を出ると束になり、CA3野の透明層(stratum lucidum)に入り込む。歯状回顆粒細胞は、CA3野錐体細胞の近位樹状突起に投射している。

　歯状回において、もっとも重要なインターニューロンは籠細胞(basket cell)である。籠細胞は、顆粒細胞層と歯状回門の境界付近に存在し、顆粒細胞の細胞体に投射している。籠細胞には少なくとも5つの亜種（錐体籠細胞(pyramidal basket cell)、紡錘籠細胞(fusiform basket cell)、水平籠細胞(horizontal basket cell)、逆紡錘籠細胞(inverted fusiform basket cell)、分子層籠細胞(molecular layer basket cell)）に分類されるとされる。分子層にもインターニューロンは存在する。その中でも、軸索軸索間細胞(axo-axonic cell)は興味深い。軸索が顆粒細胞の軸索起始部に投射するために、こう呼ばれている。歯状回門にも多種のインターニューロンが存在する。歯状回門の中だけに投射するインターニューロンもあれば、顆粒細胞層や分子層に投射するインターニューロンも存在する。この中に、苔状細胞(mossy cell)と呼ばれるインターニューロンがある。これは興奮性ニューロンであり、同側および対側の歯状回の分子層だけに投射する。これを「興奮性インターニューロン」などと呼ぶ研究者もいるが、両側の海馬に投射するその長い軸索は、いわゆるインターニューロンの古典的定義には反する。実際に、苔状細胞は局所的に投射すると言うよりも、歯状回の中隔-側頭軸方向の遠くに投射する傾向がある。したがって、苔状細胞は、伝統的な定義ではインターニューロンにも主要細胞にも属さない。

パターン分離との関連

　よく似ているが異なっている出来事やものの小さな差異を検出する能力をパターン分離と呼ぶ。歯状回はパターン分離と深く関わっている。

　場所細胞を用いて歯状回とCA3のパターン分離およびパターン補完の検証が行われている。形が正方形から円形に少しずつ変化していく、一連の環境の中で、それぞれの形の中で場所細胞から記録をおこなっている。これにより、場所受容野の再配置（remapping）を測定し、パターン分離およびパターン補完を評価した。CA1野およびCA3野と同様、歯状回顆粒細胞は場所細胞活動を呈するが、場所受容野を複数保持する傾向がある。歯状回の場所細胞は、探索環境の形が正方形から円形に少しずつ変化していくのに伴い、場所受容野の位置も敏感に変化する。しかし、CA3野の場所細胞は、探索環境の形が正方形から微妙に変化していく時、ある形で突然、場所受容野が再配置し、以降は環境の形が円形になるまでずっとその位置で変化しなかった。

　また、彼らは、さらに大きな実験環境の変化として、記録をおこなう部屋や探索環境の大きさ、色を変えて、場所細胞の活動を記録している。すると、歯状回の85%の場所細胞は、両方の実験環境において発火し、新たな場所細胞は動員されない傾向にある。これに対し、CA3野の場所細胞は、実験環境の大きな変化によって場所受容野が再配置される。

　前者の実験から、歯状回顆粒細胞は皮質性の情報の微妙な差異を拡張する作用（パターン分離）を持つことが明らかだが、後者の実験から、外部からの入力の差異が大きい場合、歯状回顆粒細胞は何も作用を及ぼさないも示唆されている。

　一方、CA3野錐体細胞は、皮質性入力の些末な差異についてはパターン補完の働きを持つが、外部からの入力の差異が大きい場合は新たな場所細胞の亜集団を動員し、大局的再配置（global remapping）により、パターン分離を実行する。

　歯状回顆粒細胞やCA3野錐体細胞は、環境の変化の程度に応じて、集団として、パターン補完およびパターン分離を起こし、全体として認知的計算を実行していると考えられる。

　一方で、近年、新生したばかりの歯状回顆粒細胞は、パターン分離に関わり、新生してから時間の経った顆粒細胞はパターン補完を促進していることが明らかになっている。

記憶痕跡との関連

　個別の記憶は、ごく少数のニューロン集団に符号化されていると考えられている。Liuらは、マウスを用いた一般的な文脈的恐怖条件付けよって活性化した、歯状回顆粒細胞を光遺伝学的に再活性化することによって、すくみ反応を誘発することに成功した。すなわち、ある記憶痕跡に関係する特定の顆粒細胞が再活性化するだけで、その記憶を想起するのに十分であることが示された。

神経新生との関連

　歯状回は、嗅球と並んで、成体になってからも神経新生（neurogenesis）が恒常的に起きる部位である。顆粒細胞層と歯状回門の間に位置する顆粒細胞下帯（subgranular zone）において、神経幹細胞が存在し、顆粒細胞を産生する。顆粒細胞下帯で新生した顆粒細胞は、近接した顆粒細胞層に組み込まれる。