「Held萼状シナプス」の版間の差分

担当編集委員：柚崎 通介<br>

英：calyx of Held  独：Held'schen Calyx  仏：calice de Held

== 萼状シナプスの形成 ==

内側[[蝸牛神経]]核の房状細胞（globular busy cell）の[[軸索]]は、[[Robo]]3によって脳幹対側への伸長が誘導され、EphBによって台形体核神経細胞にターゲッティングされる<ref name=ref6><pubmed> 21093567 </pubmed></ref>。齧歯類では、軸索末端が台形体核に到達してコンタクトを形成するのは胎生17日齢頃であり、この時点ですでにシナプスは台形体核神経細胞に活動電位を誘発する強度を有している<ref name=ref7><pubmed> 20855433 </pubmed></ref>。生後1日齢までは樹状に分岐した[[シナプス前終末]]がシナプス後細胞の細胞体や[[樹状突起]]に接触しており、1つの後細胞には複数の軸索が投射している。特徴的な萼状[[シナプス前]]終末は、生後2～4日齢にかけて形成される。この期間に1つの主要な投射入力を残して他の入力線維は排除され、生後5日齢までには[[シナプス前終末]]とシナプス後細胞の間に1:1対応が確立する<ref name=ref8><pubmed> 16707803 </pubmed></ref>。しかし、一部の[[蝸牛]]神経細胞の軸索は枝分かれして別の台形体核主細胞にも投射するため、蝸牛神経細胞と台形体核主細胞の関係は必ずしも1対1ではない。

== 形態学的特徴 ==

萼状シナプス前終末は、後細胞の細胞体に直接、シナプスを形成している。樹状突起を介さないこの軸索細胞体間結合は、樹状突起フィルタリングによる電気信号の減衰や遅延を排除することによって、高速高信頼性のシナプス伝達に寄与している。前終末は生後1週齢では匙状に広がりシナプス後細胞表面の約60%を覆っているが<ref name=ref9><pubmed> 12495627 </pubmed></ref>、生後2～3週齢以降では、末端が分岐（fenestration）して、幹（stalk）の先端に多数の隆起部（swelling）が生じてシナプス後細胞を取り囲むようになる<ref name=ref10><pubmed> 8423239 </pubmed></ref>。

生後9～14日齢[[ラット]]の萼状シナプス前終末には450～1100個の[[アクティブゾーン]]が平均約600 nm間隔で存在している<ref name=ref9 /><ref name=ref11><pubmed> 12486149 </pubmed></ref>。アクティブゾーンは幹と隆起部どちらにも分布し、隆起部当たり平均6.8個存在する<ref name=ref12><pubmed> 16399677 </pubmed></ref>。個々のアクティブゾーンは互いに独立してはたらくと考えられている。アクティブゾーンには1個当たり2～3個の[[シナプス小胞]]がドックしている様子が電子顕微鏡で観察されている<ref name=ref9 />。また隆起部ではシナプス小胞がミトコンドリアの周囲をドーナツ状に取り囲んでいる構造が観察されている<ref name=ref12 />。シナプス小胞の直径は約45 nmで<ref name=ref9 />、シナプス前終末当たりの総数は7万個にのぼる<ref name=ref11 />。またシナプス前終末内は[[細胞骨格]]が発達しており、シナプスの形態的安定性と[[シナプス小胞]]の動態に関わっている。シナプスの周囲はアストロサイトとNG2グリア細胞に囲まれており、一部のNG2グリア細胞は萼状シナプス前終末から直接シナプス入力を受ける<ref name=ref13><pubmed> 19635853 </pubmed></ref>。

== シナプス伝達機構 ==

[[Image:CalyxFig2.png|thumb|240px|'''図2．シナプス前終末の活動電位、Ca²⁺電流、シナプス後細胞の興奮性シナプス後電流の波形'''<br>聴覚獲得前生後7日齢（橙）と聴覚獲得後生後14日（青）のWistarラット萼状シナプスからパッチクランプ法にて記録した。蝸牛神経核房状細胞の軸索を電気刺激することによって発生するシナプス前終末活動電位波形（上段）を、膜電位固定法におけるコマンド電圧として利用してシナプス前終末Ca²⁺電流を測定（中段）し、同時に発生する興奮性シナプス後電流（下段）を台形体核神経細胞から記録した。生後発達に伴う活動電位幅の短縮は、Ca²⁺電流の発生するタイミングを早めることによって、シナプス後電流の立ち上がりを早め、シナプス遅延の短縮に貢献する。]]

内側蝸牛神経核の房状細胞で発生した[[活動電位]]は、[[軸索]]を伝導してシナプス前終末端に到達する。電位依存性[[ナトリウムチャネル]]は、萼状シナプス前終末にはほとんど存在せず、前終末起始部に近接する[[ランヴィエ絞輪]]に局在しているため、活動電位はシナプス前終末へ受動的に伝播すると考えられている<ref name=ref14><pubmed> 15814803 </pubmed></ref>。成熟齧歯動物のシナプス前終末の活動電位の振幅は約120 mV、半値幅は約0.2 ms であり<ref name=ref15><pubmed> 11124994 </pubmed></ref>（図2）、''in vivo''では1 KHzもの高頻度で発火する。活動電位は、電位依存性[[カリウムチャネル]]による修飾をうける。低電位活性型カリウムチャネルファミリーの[[Kv1.1]]、[[Kv1.2]]は主として前終末起始部に発現し、活動電位の発火頻度を調節する<ref name=ref16><pubmed> 12177193 </pubmed></ref>。高電位活性型カリウムチャネルKv3.1はシナプス前終末のシナプスの反対側の膜上に高密度で発現し、膜を再分極することによって活動電位の幅を短縮している<ref name=ref17><pubmed> 14614103 </pubmed></ref>。

活動電位によってシナプス前終末が脱分極すると電位依存性[[カルシウムチャネル]]Cav2が開口し、Ca²⁺の流入がシナプス小胞の開口放出を誘導する。Cav2はアクティブゾーン内部でクラスター状に分布しており、シナプス小胞はチャネルクラスターの外縁に位置していると推定される<ref name=ref18><pubmed>  25533484 </pubmed></ref>。チャネルクラスター近傍でのCa²⁺の一過性濃度上昇は急峻な濃度勾配（[[カルシウムドメイン]]）を形成するため、カルシウムチャネルクラスター外縁とシナプス小胞の距離は、[[開口放出]]の確率やタイミングを規定する。成熟した齧歯類のシナプス前終末ではカルシウムチャネルクラスター外縁とシナプス小胞の距離は約20 nmであり、この距離でCa²⁺濃度は数十 &mu;Mに達すると推定される<ref name=ref18 />。萼状シナプスにおける主要なCa²⁺センサーは[[シナプトタグミン]]2であり、シナプトタグミン2を欠損させた[[マウス]]では活動電位によって誘発される開口放出が著しく減少する<ref name=ref19><pubmed> 21338883 </pubmed></ref>。通常、1発の活動電位に対する小胞の[[放出確率]]は0.1～0.2<ref name=ref9 /><ref name=ref20><pubmed> 18339695 </pubmed></ref>である。放出された[[グルタミン酸]]は、シナプス間隙で数mMの濃度にまで達し<ref name=ref21><pubmed> 23070699 </pubmed></ref>、後シナプス細胞のグルタミン酸受容体を活性化する。放出されたグルタミン酸は[[アストロサイト]]の[[グルタミン酸トランスポーター]]によって回収される。

シナプス後細胞の伝達物質受容体はAMPA型およびNMDA型[[グルタミン酸受容体]]である。成熟した萼状シナプスでは、シナプス後電流は主としてAMPA型受容体、なかでも速い開閉キネティクスを備えたflop型GluA4によって担われる<ref name=ref22><pubmed> 15634782 </pubmed></ref>。シナプス小胞1個あたりのグルタミン酸によって30～50 pAの微小シナプス電流が発生し<ref name=ref23><pubmed> 12736334 </pubmed></ref>、1発の活動電位によってシナプス前終末から100個以上のシナプス小胞が放出されるため<ref name=ref24><pubmed> 8837774 </pubmed></ref>、シナプス後電流の振幅は数nA～数十nAに達する。この電流量は活動電位の[[閾値]]を超えるシナプス後細胞の脱分極を惹起するのに十分であり、シナプス前終末の1発の活動電位による伝達物質の放出によってシナプス後細胞に確実に活動電位が発生する。

シナプス後細胞の細胞体に発現しているナトリウムチャネルは低密度なため[[活動電位]]は軸索起始部で発生して細胞体に逆伝播する<ref name=ref14 />。[[ナトリウムチャネル]]に加えて、軸索起始部には電位依存性[[カリウムチャネル]]Kv1.1/Kv1.2が発現しており、活動電位の閾値と振幅を制御するとともに、1回の興奮性シナプス電位によって複数の活動電位が発生するのを防いでいる<ref name=ref16 />。シナプス後細胞のKv2およびKv3.1は、活動電位の幅を調節することによって高頻度発火を可能にしている<ref name=ref25><pubmed> 9547392 </pubmed></ref>。

伝達物質を開口放出したシナプス小胞は、[[エンドサイトーシス]]によって[[シナプス前終末]]に回収される。エンドサイトーシスは、[[GTP]]の加水分解を伴うダイナミンの活性によって担われる<ref name=ref26><pubmed> 15637282 </pubmed></ref>。エンドサイトーシスの速度はCa²⁺依存的に調節され、高頻度発火によってシナプス前終末のCa²⁺濃度が上昇すると亢進し、実験的に[[カルシウムキレート剤]]をシナプス前終末に注入すると抑制される<ref name=ref27><pubmed> 19640480 </pubmed></ref><ref name=ref28><pubmed> 20562869 </pubmed></ref>。エンドサイトーシスの後、シナプス小胞は液胞型プロトンATPaseよって酸性化される。形成されたプロトンの濃度勾配を利用して小胞型グルタミン酸トランスポーターがシナプス小胞にグルタミン酸を充填する。萼状シナプスには、小胞型グルタミン酸トランスポーターのVGluT₁とVGluT₂が発現しているが<ref name=ref29><pubmed> 15911123 </pubmed></ref>、両者が同一のシナプス小胞上に共存しているのか、別々の小胞上に発現しているのかは明らかでない。グルタミン酸取り込みの時定数（&tau;）は生理的温度で7秒であり、小胞が完全に充填されるには数十秒を必要とする<ref name=ref30><pubmed> 23141063 </pubmed></ref>。シナプス小胞は再利用のためアクティブゾーンへ輸送される。この過程には細胞骨格が関与し、アクチン<ref name=ref31><pubmed> 12574412 </pubmed></ref>やintersectin<ref name=ref32><pubmed> 23633571 </pubmed></ref>を阻害するとシナプス小胞の補充が遅れて高頻度シナプス伝達が障害される。

例えば、シナプス前終末における[[カリウムチャネル]]の発現増加と活性化速度の上昇によって、シナプス前終末の活動電位幅が短縮し（図2）、高頻度での活動電位発生が可能となる<ref name=ref33><pubmed> 23633571 </pubmed></ref>。活動電位幅の短縮はCa²⁺流入のタイミングを早めシナプス応答の立ち上がりを早くするが、一方でカルシウムチャネルの開口数の減少と開口時間の短縮をもたらし、シナプス前末端へのCa²⁺流入量の減少によって小胞放出確率を低下させる。しかし、この[[放出確率]]の減少は、生後発達に伴ってCa²⁺センサーがカルシウムチャネルクラスターに接近して、より高濃度のCa²⁺を感知することによって部分的に補償される<ref name=ref18/><ref name=ref34><pubmed> 15843616 </pubmed></ref>。シナプス強度は、更に[[アクティブゾーン]]の個数<ref name=ref9/>と即時[[放出可能プール]]サイズが増大することによって維持される<ref name=ref35><pubmed> 11483715 </pubmed></ref>。放出確率の減少と放出可能プールの増大は、1回のシナプス伝達で消費されるシナプス小胞の割合を低く抑え、高頻度でのシナプス伝達の持続を可能とする。

聴覚獲得時期前後でシナプス小胞の開口放出を担う電位依存性[[カルシウムチャネル]]サブタイプの構成にも変化が生じる。生後7日齢シナプス前終末では[[Cav2.1]]（P/Q型）、[[Cav2.2]]（N型）、[[Cav2.3]]（R型）が共存してシナプス伝達を担っているが、生後2週齢までにCav2.2とCav2.3は消失しCav2.1だけが残る<ref name=ref36><pubmed> 10627581 </pubmed></ref>。またシナプス前終末内の[[カルシウム結合蛋白質]] calretininの発現が増加して、シナプスの短期可塑性に影響を与える<ref name=ref37><pubmed> 15355314 </pubmed></ref>。

さらに、シナプス小胞の回収・充填機構でも生後発達変化が生じる。生後7日齢ではCa²⁺依存性エンドサイトーシスに[[カルモジュリン]]が関与するが<ref name=ref38><pubmed> 19633667 </pubmed></ref>、生後14日齢ではカルモジュリンは関与しなくなり、より低親和性のCa²⁺センサーによる機構に置換される<ref name=ref28/>。また小胞型グルタミン酸トランスポーター[[VGLUT1|VGluT1]]の発現が増加して<ref name=ref29/>、小胞へのグルタミン酸充填が加速される<ref name=ref30/>。

一方、シナプス後細胞においては、[[NMDA型受容体]]の発現がシナプス入力依存的に減少し<ref name=ref39><pubmed> 11331363 </pubmed></ref>、シナプス後電流は主としてAMPA型受容体によって担われるようになる。またAMPA型受容体サブタイプのうちGluA1が減少し、開閉キネティクスの速いGluA4の比率が上昇する<ref name=ref22/>。また単一シナプス小胞の伝達物質によって生じる微小シナプス電流の振幅も増大する<ref name=ref23/>。これらの生後発達変化はいずれも高速・高信頼性のシナプス伝達の達成に向けられている。

=== 伝達物質放出の修飾 ===

シナプス前終末には、代謝型グルタミン酸受容体、代謝型[[GABA]]_B受容体、アデノシンA₁受容体、ノルアドレナリン&alpha;₂受容体、カンナビノイドCB₁受容体、セロトニン5-HT_1B受容体が存在する。これら[[Gタンパク質共役型受容体]]の活性化によって、三量体Gタンパク質から解離された&beta;&gamma;サブユニットは、電位依存性カルシウムチャネルに結合しCa²⁺電流を抑制し、これによって伝達物質放出を抑制する<ref name=ref40>'''Tomoyuki Takahashi, Yoshinao Kajikawa, Masahiro Kimura, Naoto Saitoh, Tetsuhiro Tsujimoto'''<br> Presynaptic mechanism underlying regulation of transmitter release by G protein coupled receptors.<br>''Korean J. Physiol. Pharmacol. '' :2004, 8(2):69-76.</ref><ref name=ref41><pubmed> 17067296 </pubmed></ref>。このGタンパク質を介したシナプス伝達の抑制は、萼状シナプスにおいてはシナプス前性の主要なシナプス伝達調節機構である。Gタンパク質共役受容体のうち、セロトニン5H-T_1B受容体、アデノシンA₁受容体は生後2週齢までに消失するが、代謝型グルタミン酸受容体、GABA_B受容体を介した抑制は、生後発達を通じて存続する。しかし、これらの代謝型受容体のリガンドの由来は必ずしも明らかでない。

シナプス前終末の膜電位は伝達物質の放出に影響を与える。シナプス前終末に発現する[[グリシン受容体]]の開口<ref name=ref42><pubmed> 11385573 </pubmed></ref>やカリウムチャネルKv7.5の不活化<ref name=ref43><pubmed> 21666672 </pubmed></ref>は膜電位を上昇させる;。この活動電位の閾値には到達しない膜電位上昇は、電位依存性カルシウムチャネルの開口確率を増大させ、前終末内のCa²⁺濃度上昇につながる。Ca²⁺濃度上昇は自発性微小シナプス電流の頻度を増加させるとともに、活動電位によって誘発される小胞の放出を促進させる<ref name=ref44><pubmed> 19403620 </pubmed></ref>。

また、シナプス前終末の[[PKA]]の活性化はEPACを介してシナプス小胞の[[放出確率]]と即時[[放出可能プール]]サイズを共に増加させて、シナプス伝達を増強する<ref name=ref45><pubmed> 15175390 </pubmed></ref>。さらにPKCは小胞Ca²⁺センサーのCa²⁺感受性を増加して、高頻度刺激後のシナプス伝達増強をもたらす<ref name=ref46><pubmed> 17884983 </pubmed></ref>。

開口放出とエンドサイトーシスの[[バランス]]は、シナプス伝達の維持に重要である。高頻度でシナプス伝達が起きると、シナプス前終末のCa²⁺濃度が上昇しエンドサイトーシスが亢進する<ref name=ref27 />。またシナプス後細胞では、[[NMDA型グルタミン酸受容体]]を介したCa²⁺流入によってNOSの活性化が誘導され[[一酸化窒素]]が合成される。一酸化窒素は拡散し逆行性シグナルとしてシナプス前終末に入り、前終末の可溶性グアニル酸シクラーゼを活性化する。以下、シナプス前終末内cGMP濃度の上昇→PKGの活性化→RhoAの活性→Rhoキナーゼの活性化→PIP₂の産生というカスケードを経て、エンドサイトーシスを加速する<ref name=ref47><pubmed> 22578503 </pubmed></ref><ref name=ref48><pubmed> 23864695 </pubmed></ref>。

=== シナプス伝達の短期可塑性 ===

シナプスでは、連続する複数の入力を受ける際、2番目以降のシナプス応答が初回の応答に比べて増強（促通）または減弱（[[抑圧]]）する短期可塑性が生じる。シナプス促通と抑圧を担う分子機構は独立かつ共存しており、いずれが優勢となるかは種々の条件によって異なる。

萼状シナプスにおける短期抑圧の主な要因は、[[放出可能プール]]の枯渇、シナプス前終末[[カルシウムチャネル]]の不活性化<ref name=ref49><pubmed> 9581770 </pubmed></ref>、シナプス後細胞の[[AMPA型グルタミン酸受容体]]の脱感作<ref name=ref9/><ref name=ref20/>である。聴覚獲得前の萼状シナプス前終末は、放出確率が高く、放出可能プールが小さく<ref name=ref35/>、またシナプス小胞の補充再利用も遅いため、短期抑圧を示す。聴覚獲得前の萼状シナプスにおける[[カルシウム]]チャネルの不活性化は、カルモジュリンによって誘導されるが、カルモジュリンの役割は生後発達と共に減弱する<ref name=ref50><pubmed> 18238813 </pubmed></ref>。AMPA型受容体の脱感作は高頻度入力の場合に重要となる<ref name=ref20/>。

シナプス促通は、初回の活動電位によって流入したCa²⁺が原因となって生じる。シナプス前終末内に残存したCa²⁺が2回目の活動電位によって流入するCa²⁺に加算され、小胞のCa²⁺センサーはより高濃度のCa²⁺を感知する。また残存Ca²⁺はカルシウムチャネルの開口速度を速めて<ref name=ref51><pubmed> 9769416 </pubmed></ref>、シナプス促通をもたらす<ref name=ref44/>。生後発達に伴い放出確率が低下し放出可能プールが大きくなるため、聴覚獲得後の萼状シナプスでは、促通傾向が優勢になる。

なお聴覚獲得前の萼状シナプスでは、連続高頻度刺激によってシナプス伝達の数分にわたる増強（postsynaptic potentiation; PTP）が誘発可能である<ref name=ref52><pubmed> 15695246 </pubmed></ref>。このメカニズムはCa²⁺濃度上昇によって活性化したPKCが小胞Ca²⁺センサーのCa²⁺感受性を高めることによる<ref name=ref46/>。

[[Image:CalyxFig3.png|thumb|450px|'''図3．齧歯類脳幹の聴覚神経回路図'''<br>音の振動は内耳の有毛細胞で電気信号に変換され、蝸牛神経を経て蝸牛神経核の細胞へ入力する。内側蝸牛神経核の球形房状細胞は脳幹反対側の台形体核へ興奮性の投射を送る。この軸索終末が萼状シナプスである。台形体核神経細胞は抑制性の投射を上オリーブ核へ送る。上オリーブ核の細胞は台形体核から抑制性の入力、同側（図右側）の蝸牛神経核から興奮性の入力を受け、左右の耳からの入力が合一する。興奮性投射は赤、抑制性投射は青で示してある。矢印は信号の流れを示す。]]

音の振動は内耳の[[有毛細胞]]で電気信号に変換され、蝸牛神経を経て蝸牛神経核へ入力する。内側蝸牛神経核の細胞のうち、大型の球形房状細胞（large spherical bushy cell）は低周波の音を検出し、両側の内側上オリーブ核に投射し、ここで両耳間時間差を検出する。一方、小型球形房状細胞（small spherical bushy cell）と球形房状細胞（globular bushy cell）は高周波の音を検出する。球形房状細胞（globular bushy cell）は脳幹反対側の台形体核へ[[興奮性]]の信号を送り、萼状シナプスを介して台形体核神経細胞に興奮性入力を与える。台形体核神経細胞は[[抑制性]]投射を外側上オリーブ核へ送る（図3）。外側上オリーブ核は、同側（図右側）の小型球形房状細胞から興奮性の入力を同時に受けることによって、両耳間の音圧差を検出し、高周波の音源定位に貢献する。同一の音源に由来する興奮性入力と抑制性入力を同時に感知するためには、同側の蝸牛神経核小型球形房状細胞からの興奮性入力と反対側の球形房状細胞－台形体核神経細胞からの抑制性入力が時間差なしで外側上オリーブ核に到達する必要がある。萼状シナプスの高速高信頼性伝達機能は、音源定位の目的に特化したものと考えられる。