恒常性可塑性

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井端 啓二
慶應義塾大学 医学部生理学1
DOI：10.14931/bsd.7038　原稿受付日：2016年3月28日　原稿完成日：2016年月日
担当編集委員：林 康紀（国立研究開発法人理化学研究所 脳科学総合研究センター）

英語名：homeostatic plasticity

　神経細胞は発火頻度を一定に保つために、ポストシナプスで神経伝達物質の受容体の数を増減させる、ナトリウムチャネルからのナトリウムイオン流入量を変化させ興奮性を変化させる、プレシナプス側の分子に働きかけ伝達物質の放出量を増減させる等の調節によって、神経回路内での自身の神経活動度合いを維持する作用の事である。

恒常性可塑性の発見

　神経細胞は他の神経細胞から入力を受け取り脱分極し、閾値を越えると神経発火が起こる。成熟した神経回路内では神経細胞は一定の頻度で発火しており、長期増強や長期抑圧が起こると結果として発火頻度の亢進や低下が生じる事が個体レベルの行動や学習に作用すると考えられている。このような長期増強によるシナプス強度の上昇や、発達期における神経回路内でのシナプス数の増加等によって個々の神経細胞が受け取る入力は増加する。その結果、発火頻度の上昇や、それまでに閾値を越えなかった入力に対しても神経細胞が発火してしまい、神経回路の特性が失われる可能性がある。それを回避するメカニズムの存在が予想されていたが、1998年に独立した2つの研究グループからそれぞれ異なるメカニズムの存在を示す実験結果が報告された[1] [2]。Turrigiano研究室において大脳視覚野由来の培養神経細胞にテトロドトキシンを2日間慢性投与し発火を阻害し、この神経細胞の電気生理学的な解析を行なったところ、AMPA受容体由来微小興奮性シナプス後電流の振幅が大きくなり、自発的な発火の頻度が上昇した。一方GABA受容体のアンタゴニストであるビキュキュリンの投与によって神経細胞の発火を活性化させると振幅が小さくなった[1]。免疫の染色の結果からテトロドトキシン処理後の神経細胞では表面AMPA受容体量が上昇している結果が得られた[3]。これら2つの結果からポストシナプス側でグルタミン酸に対する感度の上昇が起きた事が判明した。さらに神経細胞の興奮性、intrinsic excitabilityも上昇している実験結果が得られた[4]。一方、Davis研究室においてDrosophila neuromuscular junctionで強制的にシナプス数を増減させたところ、増加したプレシナプスの放出確率が下がり、減少したプレシナプスからの放出量が増加した[2]。これらの結果から筋肉からプレシナプス側に逆行性のシグナルが放出されプレシナプスの活性を調節し、シナプス数の増減を補っている事が示唆された。これらの現象からシナプス強度の慢性的な変化に対してポストもしくはプレシナプス側のタンパク質群を調整する事で神経細胞や筋肉がある頻度で発火活動を出来る様に維持をする多様なメカニズムの存在が明らかとなり、この作用は恒常性可塑性（homeostatic plasticity）と命名された。

分子機構

　上述した様に恒常性可塑性の作用として、ポストシナプスの表面グルタミン酸受容体量が増減する事、ナトリウムイオンチャネル量または性質が変化する事、プレシナプスから放出される伝達物質量が変化する事が明らかにされたが、それらがどの様な細胞内や細胞外シグナルによって引き起こされているかについては詳細には明らかとなっていない。恒常性可塑性に関わる分子として種々の分子が報告されており、神経疾患と両方に関わる分子も存在しているが因果関係は不明である[5]。

生理的機能

　生体内で恒常性可塑性が起きている証拠として、片眼遮蔽ラットからのin vivo記録実験において、遮蔽直後の記録では発火頻度の減少が見られるが、2日後には発火頻度が回復するという実験結果がある[6]。よって恒常性可塑性の作用は生体内でも保持されていると考えられる。しかしながら生理的機能を明らかにするには恒常性可塑性だけを阻害した個体で生理学的、行動学的実験を行う必要があるが、恒常性可塑性だけを阻害する手段がまだ明らかになっていない。

参考文献

  1. ↑ 1.0 1.1 Turrigiano, G.G., Leslie, K.R., Desai, N.S., Rutherford, L.C., & Nelson, S.B. (1998).
    Activity-dependent scaling of quantal amplitude in neocortical neurons. Nature, 391(6670), 892-6. [PubMed:9495341] [WorldCat] [DOI]
  2. ↑ 2.0 2.1 Davis, G.W., & Goodman, C.S. (1998).
    Synapse-specific control of synaptic efficacy at the terminals of a single neuron. Nature, 392(6671), 82-6. [PubMed:9510251] [WorldCat] [DOI]
  3. ↑ Wierenga, C.J., Ibata, K., & Turrigiano, G.G. (2005).
    Postsynaptic expression of homeostatic plasticity at neocortical synapses. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience, 25(11), 2895-905. [PubMed:15772349] [PMC] [WorldCat] [DOI]
  4. ↑ Desai, N.S., Rutherford, L.C., & Turrigiano, G.G. (1999).
    Plasticity in the intrinsic excitability of cortical pyramidal neurons. Nature neuroscience, 2(6), 515-20. [PubMed:10448215] [WorldCat] [DOI]
  5. ↑ Wondolowski, J., & Dickman, D. (2013).
    Emerging links between homeostatic synaptic plasticity and neurological disease. Frontiers in cellular neuroscience, 7, 223. [PubMed:24312013] [PMC] [WorldCat] [DOI]
  6. ↑ Hengen, K.B., Lambo, M.E., Van Hooser, S.D., Katz, D.B., & Turrigiano, G.G. (2013).
    Firing rate homeostasis in visual cortex of freely behaving rodents. Neuron, 80(2), 335-42. [PubMed:24139038] [PMC] [WorldCat] [DOI]

1. Turrigiano GG, Leslie KR, Desai NS, Rutherford LC, Nelson SB Activity-dependent scaling of quantal amplitude in neocortical neurons. Nature. 1998 Feb 26;391(6670):892-6. PMID: 9495341

2. Davis GW, Goodman CS Synapse-specific control of synaptic efficacy at the terminals of a single neuron. Nature. 1998 Mar 5;392(6671):82-6. PMID: 9510251

3. Wierenga CJ, Ibata K, Turrigiano GG Postsynaptic expression of homeostatic plasticity at neocortical synapses. J Neurosci. 2005 Mar 16;25(11):2895-905. PMID:15772349

4. Desai NS, Rutherford LC, Turrigiano GG Plasticity in the intrinsic excitability of cortical pyramidal neurons. Nat Neurosci. 1999 Jun;2(6):515-20. PMID:10448215

5. Wondolowski J, Dickman D Emerging links between homeostatic synaptic plasticity and neurological disease. Front Cell Neurosci. 2013 Nov 21;7:223. PMID: 24312013

6. Hengen KB, Lambo ME, Van Hooser SD, Katz DB, Turrigiano GG Firing rate homeostasis in visual cortex of freely behaving rodents. Neuron. 2013 Oct 16;80(2):335-42. PMID:24139038

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