投射ニューロン

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植田 禎史
東京女子医科大学
畠中 由美子川口 泰雄
自然科学研究機構生理学研究所

DOI:10.14931/bsd.6722 原稿受付日:2016年1月18日 原稿完成日:2016年2月2日
担当編集委員:柚崎 通介(慶應義塾大学 医学部生理学)

英:projection neuron 独:Projektionsneuronen 仏:projection neurone

同義語:投射神経細胞、主ニューロン(principal neuron)

 投射ニューロンとは、その所属する神経集団(中枢神経系では神経核や皮質領野、末梢神経系では神経節など)を超えて長距離の軸索投射を行うニューロンの一群を指す。

投射ニューロンと介在ニューロン

 ニューロン細胞体と、外部から入力を受ける樹状突起(dendrite)ならびに出力を担う軸索(axon)から構成される。中枢神経ニューロンは軸索投射様式から、投射ニューロンと介在ニューロンに分類される。投射ニューロンは、軸索をそのニューロンが属している神経集団(神経核大脳皮質領野など)の中だけに限局せず遠方にも伸ばし、異なる領域間の情報伝達を担うニューロンである。一方、同じ神経集団の中でのみ軸索を広げ、近傍ニューロンとだけ情報伝達を行うものを介在ニューロン(interneuron)と呼ぶ。

 投射ニューロンでは、感覚入力のように末梢から中枢、下位から上位中枢方向へ向かう投射を求心性(afferent)または上行性 (ascending)、運動出力のように逆に向かう投射を遠心性 (efferent) または下行性 (descending) と呼ぶ。

脊椎動物の中枢神経系の主な投射ニューロン

図1.齧歯類投射ニューロンの神経伝達物質と形態多様性
細胞体と樹状突起部の描画。投射ニューロンは、神経伝達物質が同じであっても、脳領域ごとに多様な樹状突起形態(入力機構)を示す。 (a-e) グルタミン酸作動性ニューロン (a-c) 錐体細胞 (a) 大脳皮質第5層(NeuroMorpho.Org ID, NMO_10161)[1] (b) 海馬CA1(NMO_00102)[2] (c) 扁桃体外側基底核(NMO_01913)[3] 尖端と基底の二種類の樹状突起を持つ (d) 主嗅球の房飾細胞(NMO_06210)[4] 尖端樹状突起は単一の糸球体(glomerulus)に集まる (e) 視床の中継細胞(NMO_01914)[5] 細胞体の周囲に樹状突起を広げる (f-g) GABA作動性ニューロン (f) 線条体の中型有棘細胞(NMO_08478)[6] (g) 小脳のプルキンエ細胞(NMO_00861)[7] (h-i) コリン作動性ニューロン (h) 脚橋被蓋核(NMO_10866)[8] (i) 脊髄の運動ニューロン(NMO_32021)[9] (j) 中脳黒質緻密部のドーパミン作動性ニューロン(NMO_09578)[10]
細胞の形態はNeuroMorpho.Orgデータベースより引用した[11]。スケールバー、50 μm。

 投射ニューロンの神経伝達物質(neurotransmitter)は領域ごとに異なるが、グルタミン酸γ-アミノ酪酸GABA, γ-amino butyric acid)が使われ、投射先のニューロンを直接に脱分極または過分極させることが多い[12]

 一方、脳幹(brainstem)にある投射ニューロンの中には、アセチルコリンドーパミンノルアドレナリンセロトニンを拡散的に放出する拡散性伝達volume transmission)を介し、広範囲な脳活動を調節する汎性投射系脳幹網様体賦活系の項目を参照)タイプのものがある。これらはその機能から、神経調節物質(neuromodulator)と呼ばれることもある。汎性投射系は認知覚醒レベルに影響するものが多く、神経疾患や精神疾患に対する薬物治療の標的となる。以下に、主な中枢神経系の投射ニューロンを説明する。

グルタミン酸作動性

glutamatergic

 グルタミン酸作動性ニューロンは中枢神経系で速い興奮性伝達を担い、脳の広範囲で主に投射ニューロンとして機能する。軸索終末から放出されたグルタミン酸は、シナプス後膜グルタミン酸受容体に結合し、脱分極や細胞内カルシウム上昇を引き起こす。このような興奮性入力が積算されることで、標的ニューロンに活動電位が誘起される。

 代表的なグルタミン酸作動性の投射ニューロンとして、大脳新皮質(neocortex)、海馬(hippocampus)や扁桃体外側基底核(basolateral nucleus of amygdala)の錐体細胞(pyramidal cell)、嗅球(olfactory bulb)の僧帽細胞(mitral cell)・房飾細胞(tufted cell)や、視床中継細胞(relay cell)などがある(図1[1] [2] [3] [4] [5] [11]

 同一領域のグルタミン酸作動性投射ニューロンであっても、その投射先が多様なことがある。特に新皮質の錐体細胞では、同じ皮質領野であっても深さによって(層ごとに)軸索の行き先が異なる。第2/3層の錐体細胞が他の皮質領野に投射する一方、それに加えて第5層では線条体(striatum)、視床(thalamus)、橋核(pontine nuclei)や脊髄(spinal cord)へ、第6層では視床へ投射する錐体細胞が見られる(錐体細胞の項目を参照)[13] [14] [15]

GABA作動性

GABAergic

 中枢神経系で速い抑制性伝達を担う。GABA作動性のニューロンは主に介在ニューロンとして機能するが、投射ニューロンとして働くものもある。代表的なGABA作動性の投射ニューロンとして、大脳基底核(basal ganglia)の入力部である線条体や側坐核(nucleus accumbens)に分布する中型有棘細胞 (medium spiny neuron) [16] [6]小脳皮質(cerebellar cortex)からの唯一の出力として深部小脳核(deep cerebellar nuclei)へ投射するプルキンエ細胞(Purkinje cell)がある(図1)[17] [18] [7]。また、近年、これまで介在ニューロンだと考えられてきた大脳皮質の一部のGABA作動性ニューロンが、投射ニューロンとしての性質を持ち合わせ、皮質領域間の投射に関与する可能性が示唆されている[19] [20]

 GABA作動性投射ニューロンは、直接的な抑制作用で標的ニューロンの発火を抑えるだけでなく、脱抑制(disinhibition)やリバウンド発火(rebound spike)によって、投射領域のニューロンに発火を誘発する場合がある[21] [22] [23] [24]。  脱抑制では、GABA作動性投射ニューロンが投射領域で抑制性介在ニューロンを抑制することで、間接的に他のニューロンを興奮させる。リバウンド発火では、標的ニューロンで一過性の過分極に引き続いて、発火が起きる。GABA作動性遠隔投射は、その投射ごとに固有の方法で領域間情報を伝えている可能性がある。

コリン作動性

cholinergic

 アセチルコリンを伝達物質とするコリン作動性投射ニューロンの主要な起始核は、前脳では前脳基底部(basal forebrain)のマイネルト基底核(nucleus basalis of Meynert)や中隔核 (septal nucleus)がある。これらは大脳新皮質や海馬に広く投射し、アセチルコリン受容体を介して錐体細胞の細胞内カルシウム上昇と発火頻度の上昇を引き起こす。一方、錐体細胞が既に高頻度で発火している状態では、アセチルコリン受容体の活性化による細胞内カルシウム上昇は電位・カルシウム依存性カリウムチャネルの活性化を引き起こし、膜の興奮性を抑制する(cholinergic inhibition)ことが知られている[25] [26]

 脳幹の脚橋被蓋核pedunculopontine tegmental nucleus)(図1)[8]背外側被蓋核(laterodorsal tegmental nucleus)にあるコリン作動性ニューロンは、線条体、側坐核、黒質(substantia nigra)や視床へ投射する。線条体・側坐核・黒質への投射が運動機能や動機付けに、視床への投射は覚醒状態の調節に関与すると考えられている[27] [28]

 コリン作動性の広領域投射は運動機能、覚醒状態や認知・学習などに関係し、その障害はアルツハイマー病Alzheimer's disease)やパーキンソン病(Parkinson's disease)の病態と関与することから、これら疾患の治療薬の標的になっている。

 また、中枢神経系で唯一神経以外の組織とシナプス結合する脊髄の運動ニューロン(motor neuronまたはmotoneuron)(図1[9]もコリン作動性ニューロンである。神経筋接合部(neuromuscular junction)を介して筋の運動終板(end plate)へ投射し、アセチルコリンを放出することで筋収縮を引き起こす。

モノアミン作動性

monoaminergic

 モノアミンを伝達物質として用いる投射ニューロンはドーパミン作動性(dopaminergic)、ノルアドレナリン作動性(noradrenergic)、セロトニン作動性(serotonergic)ニューロンに分類でき、それぞれ脳の異なる神経核に局在している。中脳黒質緻密部substantia nigra pars compacta)のドーパミン作動性ニューロン(図1[10]は大脳基底核への投射を介して運動発現の調節に関与する。パーキンソン病ではこれらが選択的に脱落していることが知られている。報酬意思決定の表現にも重要な役割を持つと言われており、腹側被蓋野(ventral tegmental area)のドーパミン作動性ニューロンの発火活動は予測した報酬と実際に得られた報酬の誤差(報酬予測誤差、reward prediction error)を表現することが示唆されている[29] [30]

 主に橋の青斑核locus coeruleus)に局在するノルアドレナリン作動性ニューロンの活動性は、覚醒や注意に関与する。ノルアドレナリン再取り込み阻害薬抗鬱剤の一種として用いられるように、気分の形成にも重要な役割を持つ。

 中脳、橋、延髄(medulla oblongata)の縫線核(raphe nucleus)群に局在するセロトニン作動性投射ニューロンの発射は覚醒状態の維持に寄与する。また、気分の安定にも寄与することから、シナプスに作用するセロトニン量を上げる目的で、セロトニンの再取り込み阻害薬が抗鬱剤の一種として用いられている。

ヒスタミン作動性

histaminergic

 視床下部(hypothalamus)の結節乳頭核(tuberomammillary nucleus)はヒスタミン作動性ニューロンを多く含む[31]。これらのニューロンから大脳皮質への投射は直接的に皮質を活性化し、覚醒度を増加させる。また、前脳基底部などのコリン作動性ニューロンへの投射を介して大脳皮質へアセチルコリンを放出することにより、間接的に同様の作用を持つ。このため、アレルギー反応への対処として抗ヒスタミン薬を服用することで、眠気やふらつきなどの副作用が引き起こされる。

多領域間を繋ぐ興奮・抑制投射のループ回路

 汎性投射系は広領域投射と拡散性伝達によって、複数の標的領域の活動を同時に調節することが考えられる。一方、グルタミン酸やGABA作動性の投射ニューロンは、領域間の相互結合や連鎖(ループ)結合によって、行動や認知機能を担っている。以下、グルタミン酸やGABA作動性の投射ニューロンを含む代表的な回路例を示す。

大脳新皮質‐大脳基底核ループ回路

 大脳新皮質‐大脳基底核ループ回路では、大脳新皮質からの出力が大脳基底核、視床を経て、再び大脳新皮質に入力する。大脳新皮質5層の錐体細胞の一群は大脳基底核の入力部である線条体に投射する。線条体の中型有棘細胞からの出力は直接、または淡蒼球外節(external segment of globus pallidus)や視床下核(subthalamic nucleus)を介して間接的に淡蒼球内節(internal segment of globus pallidus)や黒質網様部(substantia nigra pars reticulate)へ送られる。また、大脳皮質から視床下核への投射を介して、淡蒼球内節や黒質網様部に入力する経路も報告されている。これら大脳基底核の出力部の投射ニューロンはGABA作動性であるため、視床の中継細胞は大脳基底核からの抑制性出力を大脳皮質へ中継する[32] [33] [34] [35]

大脳新皮質‐小脳ループ回路

 大脳新皮質‐小脳ループ回路では、大脳新皮質からの出力が橋核、小脳、視床を経て、再び大脳皮質に入力する。大脳新皮質5層の錐体細胞の一群からの出力は錐体路を下行して、橋核でシナプスを介した後、苔状線維(mossy fiber)によって小脳皮質に送られる。小脳皮質のプルキンエ細胞からの抑制性出力を受ける深部小脳核ニューロンはグルタミン酸作動性の投射ニューロンであるため、視床の中継細胞は小脳からの興奮性出力を大脳皮質へ中継する[32] [33] [35] [36]

標識技術による投射ニューロンの構造・機能解明

 中枢神経ニューロンの投射様式は、神経トレーサーと呼ばれる軸索輸送される化学物質や、無毒化あるいは弱毒化したウイルスを使って調べることができる。標識は細胞体から軸索終末への輸送による順行性(anterograde)のものと、軸索終末から細胞体への輸送による逆行性(retrograde)のものがあり、前者の方法では投射先での軸索分布を、後者では投射ニューロンの細胞体分布を明らかにすることができる[37] [38]。投射ニューロンのシナプス伝達作用は、起始領域を電気刺激、あるいは起始投射ニューロンを選択的に光刺激し、投射先でのシナプス後ニューロンの活動変化を調べることで推測できる。

 近年、領域特異的、さらには細胞種特異的に発現する遺伝子が数多く見つかってきている(外部リンクを参照)。このような遺伝子の選択的発現を使って、特定の投射ニューロンを選択的に標識したり光応答性の機能タンパク質を導入することで、それぞれのニューロンの出力様式や機能の解明が進んでいる(光遺伝学の項目を参照)[39]

関連項目

外部リンク

  脳の領域特異的な遺伝子発現や領域間結合などが参照できるデータベース

  主に霊長類の脳の領域名から構造や関連情報を検索できるデータベース

  脳の領域特異的な遺伝子発現パターン・ISH染色法が参照できるデータベース

  学術論文に掲載されたニューロンの形態情報が集積するデータベース

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