「樹状突起スパイン」の版間の差分

樹状突起スパイン  

野口 潤

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

1. 樹状突起スパインとは

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></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。

2. 樹状突起スパインの構造と機能

2.1 シナプス接続の潜在的選択肢のスパインによる拡大

2.2 スパイン頭部（Spine-head）, スパインネック (Spine-neck)と機能

スパインは、ふくらんだスパイン頭部と、樹状突起本幹と頭部とを結ぶ細いスパインネック(頚部)から成る(図1)。形態的特徴から、頭部が大きい「Mushroomスパイン」、頭部が比較的小さく細長い「Thinスパイン」、ネックがほとんど無い「Stubbyスパイン」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> 。

また、一定時間ごとに一部のスパインが取り除かれていくが、数日以上の時間スケールでは、体積の大きいスパインの方が小さいスパインより長寿命である傾向が報告されている<ref name=Holtmaat2005><pubmed>15664179</pubmed></ref><ref name=Yasumatsu2008><pubmed>19074033</pubmed></ref> 。体積の大きいスパインは前述のようにグルタミン酸受容体が多く存在して情報伝達効率も大きいことから、記憶・学習に伴って変更された神経回路が体積の大きいスパインによって長期間維持されると考えられる。

スパインに存在するオルガネラ（細胞内小器官）として、大きいスパインにspine apparatus(スパインアパラタス)と呼ばれる複雑な形状をした滑面小胞体が存在してカルシウムイオンなどの物質の回収・貯蔵を行う。また新規タンパク合成に関係するポリリボゾーム（複数のリボゾームとmRNAの複合体）がLTP刺激（後述）によって樹状突起本幹からスパインに移動するという報告がある<ref name=Ostroff2002><pubmed></pubmed></ref> 。

2.4 グリア細胞、細胞外マトリクスとスパインの相互作用

3. シナプス可塑性とスパイン形態可塑性

培養神経細胞や脳スライス標本、あるいは生体を用いた実験でシナプス可塑性が確認されている刺激条件として、長期増強( Long-term potentiation; LTP)刺激、あるいは[[長期抑制]](Long-term depression; [[LTD]])刺激などがある。実際に、生体の記憶・学習の結果、長期増強などの実験的なシナプス可塑性の生じやすさも影響を受けることから、実験的なシナプス可塑性と実際の記憶・学習におけるシナプス可塑性のシグナルの伝達経路は（少なくとも部分的に）共通であると考えられる。

ケイジドグルタミン酸の２光子光分解法(アンケイジング)を用いて、グルタミン酸を目的スパインに頻回投与することによって、実験的なシナプス可塑性刺激を単一のスパインに与えることが実施されている<ref name=Bosch2014><pubmed>24742465</pubmed></ref><ref name=Harvey2007><pubmed>18097401</pubmed></ref><ref name=Hayama2013><pubmed>23974706</pubmed></ref><ref name=Matsuzaki2004><pubmed>15190253</pubmed></ref><ref name=Murakoshi2011><pubmed>21423166</pubmed></ref><ref name=Noguchi2019><pubmed>31558759</pubmed></ref><ref name=Oh2013><pubmed>23269840</pubmed></ref> 。この方法やその他の実験方法を用いた報告から、シナプス長期増強刺激に応じて、樹状突起スパイン表面の機能的なグルタミン酸受容体が増加し、これと同時にスパイン体積の増大が生じることが、げっ歯類海馬脳スライス標本において示された(図3) <ref name=Matsuzaki2004><pubmed>15190253</pubmed></ref> 。同様にシナプス長期抑制刺激では、表面のグルタミン酸受容体数が減少し、これと同時にスパイン体積減少が生じた<ref name=Oh2013><pubmed>23269840</pubmed></ref><ref name=Zhou2004><pubmed>15572107</pubmed></ref> 。長期増強の際、グルタミン酸受容体は、エキソサイトーシスによって細胞内から細胞膜へ移行し、側方拡散によってシナプス部位へ移動するとされる。一方、長期抑制の際は、受容体のエンドサイトーシスによるスパイン表面からの除去が増加すると考えらえる<ref name=Choquet2018><pubmed>30381423</pubmed></ref> 。スパイン体積変化に伴ってアクチン線維のリモデリング(再構成)が生じるが、リモデリング中やリモデリング後もしばらく以前の状態を何らかの形で保持しているのか否かといった問題など、記憶・学習などの基盤となる興味深い課題と思われる<ref name=Borovac2018><pubmed>30004015</pubmed></ref><ref name=Bosch2014><pubmed>24742465</pubmed></ref><ref name=Honkura2008><pubmed>18341992</pubmed></ref><ref name=Nakahata2018><pubmed>30210329</pubmed></ref> 。

ヒト由来の標本の場合、疾患によっては標本の入手の困難さがあり、また死後から標本作製までの時間や標本作製の手順も一様にそろえることが難しい。しかしながら、現在までに神経疾患や精神疾患あるいは発達障害において、スパイン形態やスパイン密度の変異が報告されてきている（図４）<ref name=Penzes2011><pubmed>21346746</pubmed></ref> 。脳バンクの整備と疾患モデル動物を用いた解析などによって、今後さらに病態とシナプス形態との関係の理解が深められると期待される。

6. 関連項目

・[[シナプス前終末]]

・[[グルタミン酸]]

・[[アクチン]]

7. 参考文献