「樹状突起スパイン」の版間の差分

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<font size="+1">[https://researchmap.jp/read0123542 野口 潤]</font><br>

''国立精神・神経医療研究センター 神経研究所 微細構造研究部''<br>

{{box|text=　樹状突起スパインは神経細胞の樹状突起にあるトゲ（棘）状の構造であり、シナプス後部を形成する。樹状突起スパインは表面の受容体によってシナプス前部から放出された神経伝達物質を結合し、シナプス後電位を発生させることにより神経細胞の活動電位の発生に寄与する。スパインが樹状突起本幹から突出した部分的に区画された構造であることは、記憶・学習などの機能を神経細胞が実行する上で意味を持つと考えられる。実際に精神・神経疾患あるいは発達障害のモデル動物において、樹状突起スパインの密度などの変異が報告されていることから、脳機能に重要な役割を担うと予想される。}}

[[ファイル:Noguchi spine Fig1.png|サムネイル|生体マーモセット前頭葉大脳皮質２/3層錐体細胞樹状突起スパイン]]

　大脳皮質や海馬などを含む脳に存在する神経細胞は、樹状突起や細胞体に形成されるシナプスで他の神経細胞からの入力を受け取り、計算結果を軸索に発生する活動電位によって出力する。大脳皮質や海馬などの興奮性神経細胞や小脳のプルキンエ細胞などの樹状突起に形成される興奮性シナプスのほとんどは、樹状突起スパイン（以下スパインと記載）と呼ばれるトゲ状の構造に接続する（'''図1'''）。スパインは、神経細胞の形態がゴルジ染色法を用いて詳細に検討され始めた神経科学の黎明期(1880年~)にスペインの神経科学者Ramon y Cajalによって既に認識され、神経細胞同士のつなぎ目と推測されていた<ref name=DeFelipe2015><pubmed>25798090</pubmed></ref> 。スパインに形態が似たシナプス構造は線虫''C. elegans''でも報告されており<ref name=Cuentas-Condori2019><pubmed>31584430</pubmed></ref> 、比較的下等な動物から哺乳類にいたるまで保存された機能構造と考えられる。

　スパインは1つの神経細胞あたり1000~10000個存在する。スパインはバクテリアと同程度の0.5~3 &micro;m程度の長さで<ref name=Maiti2015><pubmed>26562682</pubmed></ref> 、樹状突起の本幹と部分的に隔離された袋状の空間を作ることによって各々のシナプス個別の情報処理を容易にしている。

=== シナプス接続の潜在的選択肢の拡大 ===

　シナプスが新たに作られるとき、スパインによらずに樹状突起の本幹にシナプスが直接形成されるとすると、シナプス後部は樹状突起のごく近傍を通過する軸索とシナプスを形成することになる。これに対して、樹状突起本幹と直交する様に突き出たスパインの先端でシナプス結合する場合には、本幹から離れた位置を通過する軸索ともシナプス結合できる。つまり、本幹から3 &micro;m程度の距離までを通過する、より多くの軸索の候補から実際に接続する軸索を選択できることになる。これは、経験依存的なシナプス形成による神経回路構築の選択肢を大幅に広げると考えられる<ref name=Stepanyants2005><pubmed>15935485</pubmed></ref> 。

=== スパイン頭部、スパインネックと機能 ===

[[ファイル:Noguchi spine Fig2.png|サムネイル|'''図2. 生体マウス大脳皮質（1次視覚野）2/3層錐体細胞樹状突起における、グルタミン酸アンケイジングによる機能的なグルタミン酸受容体の分布'''<br>上段、樹状突起の２光子顕微鏡画像。中段、上段で赤丸で示した位置にそれぞれグルタミン酸を局所投与したときに流れたシナプス電流。下段、シナプス電流をもとに機能的グルタミン酸受容体の分布を図示した。大きいスパインほど、より多くのグルタミン酸受容体を有していることがわかる。<ref name=Noguchi2011 />から引用。]]

　スパインは、ふくらんだスパイン頭部(spine head)と、樹状突起本幹と頭部とを結ぶ細いスパインネック(頚部)(spine neck)から成る('''図1''')。形態的特徴から、頭部が大きい「mushroom spine」、頭部が比較的小さく細長い「thin spine」、ネックがほとんど無い「stubby spine」に分類されることもある。スパイン頭部が不明瞭で細長い「フィロポディア」も存在するが厳密にはスパインに分類されない。実際の樹状突起の電子顕微鏡画像や蛍光顕微鏡画像を詳細にみると、頭部あるいはネックの形態はそれぞれのスパインごとに異なっており、それぞれのスパインで独立した制御が可能であることを示している。

　シナプス機能と形態との関連として、スパイン頭部体積が大きいほど、機能的なAMPA型グルタミン酸受容体がより多く存在し、スパイン体積に比例的であることがラット海馬脳スライスや生体マウス大脳皮質錐体細胞スパインにおいて示されている('''図2''')<ref name=Matsuzaki2001><pubmed>11687814</pubmed></ref><ref name=Noguchi2011><pubmed>21486811</pubmed></ref> 。

　一方、細いスパインネックを持つことにより、離れた軸索とシナプスを作る場合でも脳のスペースを節約できる。それと同時に、細いネックは物質が細胞質中あるいは細胞膜に沿って樹状突起本幹からスパイン内へ、あるいはその逆方向に、自由拡散することに一定の制限を与える。つまり細いネックはスパイン内をある程度、樹状突起本幹から独立したコンパートメントにする<ref name=Adrian2014><pubmed>25538570</pubmed></ref><ref name=Ewers2014><pubmed>25494357</pubmed></ref><ref name=Holcman2011><pubmed>22655862</pubmed></ref> 。

　スパイン内には細胞骨格タンパク質であるアクチン線維が樹状突起本幹よりも高密度に存在する。アクチン線維は一方の断端から継続的に単量体アクチン分子が重合し、反対側の断端から継続的に脱重合を行うトレッドミルを行なって、スパイン形態を内側から支える力を発生する<ref name=Honkura2008><pubmed>18341992</pubmed></ref> 。スパイン内のアクチン線維はターンオーバーの速度の違いなどから、「dynamic pool」「stable pool」とネックのアクチン線維の少なくとも3種類に分類される<ref name=Honkura2008><pubmed>18341992</pubmed></ref> 。アクチン線維は後述するシナプス可塑性にも重要な役割を果たすことが明らかになりつつある<ref name=Bosch2014><pubmed>24742465</pubmed></ref><ref name=Fukazawa2003><pubmed>12741991</pubmed></ref><ref name=Honkura2008><pubmed>18341992</pubmed></ref> 。アクチンのスパイン内の分布と重合-脱重合はコフィリン、コータクチン、ドレブリンなどのアクチン結合タンパク質や[[RhoA]]、[[Rac]]、Cdc42などのGタンパク質等によって制御される。

[[ファイル:Noguchi spine Fig3.png|サムネイル|'''図3. ラット海馬培養スライス標本、錐体細胞樹状突起スパインにおけるスパイン体積増大の誘導'''<br>樹状突起スパインの黄色の矢頭の位置で、ケイジドグルタミン酸の2光子アンケイジングによってグルタミン酸を長期増強条件（1Hz, 60回）で投与した。その結果、投与されたスパインの頭部体積が増大し、このときスパイン表面の機能的なグルタミン酸受容体も増加していた。溶液中のマグネシウムイオンを除くことによってNMDA型グルタミン酸受容体を流れるシナプス電流を増加させている。<ref name=Matsuzaki2004 />から引用。]]