「シナプス」の版間の差分

　シナプスとは、神経情報を出力する側と入力される側の間に発達した、情報伝達のための接触構造のことである。<ref>甘利俊一監修・古市貞一編「シリーズ脳科学5―分子・細胞・シナプスからみる脳」東京大学出版会、2008</ref>シナプスを介した情報伝達をシナプス伝達synaptic transmissionと呼び、神経細胞と筋線維（神経筋接合部; NMJ）、神経細胞と他種細胞の間に形成される構造も含めてシナプスと呼ぶこともある。<ref>Purves and Lichtman “Principles of Neural Development” Sinauer Associates Inc, 1985</ref>

　「シナプス」の名付け親はSherringtonであり、1897年に神経細胞が別の神経細胞につながる特徴的な構造を指して、synapsis（ギリシャ語で、”to clasp”:「留め具」や「握手」といった意味）と呼んだ。synapsisという言葉は多少改変され、1904年にはSherrington自身もsynapseと呼んでいる。<ref>Purves and Lichtman “Principles of Neural Development” Sinauer Associates Inc, 1985</ref>

　神経細胞同士がシナプスで相互作用していることが光学顕微鏡により明らかになっても、形態的・機能的に神経細胞はつながっているのか否かの論争は50年以上にわたり続いた。Cajalのニューロン説（形態的には非連続で接触contiguityしている）とGolgiの網状説（形態的に連続continuityしている）は、1950年代に電子顕微鏡によりシナプス間隙があることが観察され、ニューロン説が正しいことが示された。情報伝達が化学的であるのか電気的であるのかはいわゆる「泡か電撃か」”soup versus spark” 論争である。1950年代後半になって多くのシナプスは化学シナプスである（電子顕微鏡でシナプス小胞が観察された）が、一部は明らかに電気シナプスであり、稀には化学的にも電気的にも情報伝達を行うシナプスがあることがわかった。<ref> Cowan, Sudhof and Stevens “Synapses” The Johns Hopkins University Press, 2001</ref> <ref> Kuno “The Synapse: Function, Plasticity, and Neurotrophism” Oxford University Press, 1995</ref>

　その後、Loewiによる水溶性情報伝達物質（後に[[アセチルコリン]]と同定）の発見をはじめ、化学シナプスにおける情報伝達に関わる様々な分子が巧妙な実験により明らかになり、Katzらのシナプス小胞仮説vesicle hypothesis（情報伝達が量子的単位を持っているという仮説）につながっていく。同時期には標本固定法と顕微鏡法が発達し、形態と機能の両面から研究が発展する足がかりとなった。<ref> Cowan, Sudhof and Stevens “Synapses” The Johns Hopkins University Press, 2001</ref> <ref> Kuno “The Synapse: Function, Plasticity, and Neurotrophism” Oxford University Press, 1995</ref>

　1980年代頃からは分子生物学を用いて、シナプス形成synaptogenesisやシナプス可塑性synaptic plasticityが重要な研究テーマとして認識されるようになった。<ref> Cowan, Sudhof and Stevens “Synapses” The Johns Hopkins University Press, 2001</ref> <ref> Kuno “The Synapse: Function, Plasticity, and Neurotrophism” Oxford University Press, 1995</ref>

　1990年代には、Kandelらにより、アメフラシを用いて行動の「慣れ」と「感作」に関連するシナプスの研究が進み、動物の学習行動の基盤にシナプス伝達効率の変化が存在し、その実体が[[カリウムチャネル]]の活性化と抑制であることが示された。なお、他に有名なモデルシナプスとしては、イカのGiant synapseや、聴覚中枢のCalyx of Heldなどがある。<ref> Kandel, Schwartz and Jessell "Principles of Neural Science 4th ed." McGraw-Hill Medical, 2000</ref> <ref> Cowan, Sudhof and Stevens “Synapses” The Johns Hopkins University Press, 2001</ref>

　電気信号として情報伝達されたシナプス前細胞が、[[シナプス前終末]]で化学的な情報伝達物質としてその情報を出力し、シナプス後細胞が化学的情報を受容体で受け取る仕組みを化学シナプスという。<ref>甘利俊一監修・古市貞一編「シリーズ脳科学5―分子・細胞・シナプスからみる脳」東京大学出版会、2008</ref>

　一方、多くの場合、シナプス後要素postsynaptic elementは細胞体や樹状突起dendriteである。シナプス間隙を挟んだアクティブゾーンの対向面には膜の電子密度が高い裏打ち構造（[[シナプス後肥厚部]]：[[postsynaptic density]] ([[PSD]])）が厚く発達している。<ref>甘利俊一監修・古市貞一編「シリーズ脳科学5―分子・細胞・シナプスからみる脳」東京大学出版会、2008</ref> <ref> Shepherd “The Synaptic Organization of the Brain 5th ed.” Oxford University Press, 2004</ref>

　一方、シナプス前膜の厚さとシナプス後肥厚部の厚さがあまり変わらないものを対称性シナプスsymmetrical synapse（Gray 2型）と呼び、[[抑制性シナプス]]inhibitory synapseの特徴とされている。シナプス間隙は約20 nm弱であり、興奮性シナプスのシナプス間隙に比べて狭い。<ref>甘利俊一監修・古市貞一編「シリーズ脳科学5―分子・細胞・シナプスからみる脳」東京大学出版会、2008</ref> <ref> Shepherd “The Synaptic Organization of the Brain 5th ed.” Oxford University Press, 2004</ref>

(9a) シナプス前終末もまた情報伝達物質の標的である。 シナプス後部ではNOS（Nitric oxide synthase; 一酸化窒素合成酵素）がセカンドメッセンジャーである一酸化窒素や２-アラキドノイルグリセロール(2-AG)などをはじめとする[[エンドカンナビノイド]]が産生されることで、活動依存的にシナプス前終末の情報伝達物質の放出を調節している。この機構は、逆行性情報伝達とも呼ばれており、現在ではシナプスはただ単に一方向性の情報伝達を行うだけではなく、より複雑な、両方向性を持った細胞同士の接点と認識されている。

<ref> Shepherd “The Synaptic Organization of the Brain 4th ed.” Oxford University Press, 1998</ref>

　抑制性シナプスでは、シナプス前細胞の発火がシナプス後細胞の発火を抑制（過分極）する。その機構として、抑制性シナプス電位（IPSP）・興奮性シナプス電流（IPSC）があり、情報伝達物質としては[[GABA]]や[[グリシン]]が有名である。<ref> Cowan, Sudhof and Stevens “Synapses” The Johns Hopkins University Press, 2001</ref>

　神経細胞がシナプスを介して相互に結合し、活動電位がいかにして神経伝達物質の放出を引き起こすかを解説してきたが、シナプス後細胞では、受け取った興奮性シナプス電位と抑制性シナプス電位が細胞体まで伝わり、軸索小丘axon hillockで統合され、最終的に発火するかどうかが決まる。この影響の相互作用を神経統合neural integrationと呼ぶ。<ref> Neil R.Carlson著、泰羅雅登・中村克樹監訳「第3版 カールソン 神経科学テキスト　脳と行動」丸善株式会社、2010</ref>

　ここで重要なのは、神経細胞同士の結合は1対1とは限らず、1対多、多対1であることが多いということである。すなわち、1つの神経細胞が多くの神経細胞に投射することを発散divergenceといい、多くの神経細胞から1つの神経細胞が投射を受けることを収斂convergenceという。実際には、多対多の投射が演算されて神経回路が形成されている。<ref>甘利俊一監修・古市貞一編「シリーズ脳科学5―分子・細胞・シナプスからみる脳」東京大学出版会、2008</ref>

　なお、抑制性シナプスの発火は、必ずしも行動レベルでの抑制につながるわけではないので注意する必要がある。<ref> Neil R.Carlson著、泰羅雅登・中村克樹監訳「第3版 カールソン 神経科学テキスト　脳と行動」丸善株式会社、2010</ref>

　先ほど述べたように、シナプスでは、シナプス後部でAMPA受容体などの発現量を変える機構や、逆行性情報伝達によってシナプス前細胞の開口放出の特性を変える機構が備わっており、神経統合の際の重み付けも含め、記憶や学習に重要な役割を果たしていると考えられている。<ref>甘利俊一監修・古市貞一編「シリーズ脳科学5―分子・細胞・シナプスからみる脳」東京大学出版会、2008</ref>

　電気シナプスの本体は、ギャップ結合gap junctionである。シナプス前膜と後膜の脂質二重膜が3 nmほどの狭い隙間を挟んで対向しており、両膜上に対になって分布する膜貫通型チャネルタンパク粒子コネクソンconnexonによって連結されている。コネクソン一つは、6個のコネキシン分子が輪状に配列した構造をしており、コネクソン中心に前膜と後膜を貫く穴central channelが作られ、これによってシナプス前後の細胞質間でイオン分子などの低分子の物質交換を可能にしている。<ref>甘利俊一監修・古市貞一編「シリーズ脳科学5―分子・細胞・シナプスからみる脳」東京大学出版会、2008</ref>

　シナプス形成のはじめのステップは軸索と樹状突起の相互認識の過程である。この過程には、軸索誘導axon guidanceや、neurexin/neuroliginなどのシナプス形成分子による[[標的認識]]target recognitionをはじめ、様々な機構が関与しており、シナプスの多様性と標的特異性を確保していると考えられている。<ref>甘利俊一監修・古市貞一編「シリーズ脳科学5―分子・細胞・シナプスからみる脳」東京大学出版会、2008</ref>

　neurexin/neuroliginなどの[[シナプス接着分子]]の異常は[[精神疾患]]とも深く関わることが明らかになっており、エピゲノミックな制御やコピー数多型などの新しい知見も含めて今後の研究の発展が望まれる。<ref><pubmed> 20510934 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 19563756 </pubmed></ref>

新規研究法の開発も目覚しい。二光子励起顕微鏡法や神経伝達物質の uncaging法により、スパイン形成の機構に迫る試みがなされており、[[細胞骨格]]タンパク質や[[足場タンパク質]]の関与もホットなトピックである。<ref><pubmed> 15190253 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 15378037 </pubmed></ref>

　Deisserothらによる[[光遺伝学]]optogeneticsにより、光学的に細胞の膜電位を制御できるようになり、シナプス・細胞レベルと回路レベルをつなぐ重要なツールになると考えられる。<ref><pubmed> 21692661</pubmed></ref>

すなわち、三者間シナプスtripartite synapseとして、アストロサイトastrocyteが積極的に情報伝達に関与しているという仮説や、アストロサイト・ミクログリアmicrogliaがシナプスの維持を制御しているという知見である。<ref><pubmed> 19194443</pubmed></ref>