「Held萼状シナプス」の版間の差分

{{box|text=　蝸牛神経核から伸長した軸索終末端が、対側台形体核の主細胞に形成するカリックス（calyx、萼）状のシナプス。音入力を聴覚中枢へ高速かつ正確に伝達するため、前終末端が台形体核主細胞体を萼状に包み込み、興奮性神経伝達物質グルタミン酸を放出する。巨大なシナプス前終末をもつことから、シナプス前終末とシナプス後細胞からの同時パッチクランプ記録が可能であり、温血動物中枢シナプス伝達機構の研究上、格好のモデルとなっている。}}

[[Image:CalyxFig1.png|thumb|350px|'''図1．カリックスシナプス前終末からのパッチクランプ記録'''<br>（左）ラット脳幹スライス標本におけるシナプス前終末とシナプス後細胞からの同時パッチクランプ記録の例。画面中央円形の構造が台形体核主細胞の細胞体、その細胞体上部辺縁に位置する三日月形の構造がカリックスシナプス前終末である。（右）パッチ電極より蛍光色素を注入し、カリックスシナプス前終末の形態を可視化した顕微鏡写真。透過光像と重ね合わせてある。]]

　[[脳幹]]の[[蝸牛神経核]]から伸長した[[軸索]]終末端が、対側[[台形体核]]の主細胞に形成するカリックス（calyx、萼）状の[[シナプス]]。ドイツの解剖学者[[wikipedia:de:Hans Held (Mediziner)|Hans Held]]（1866-1942）が[[ゴルジ染色]]によって同定した<ref name=ref1>'''Hans von Held'''<br>Die zentrale Gehörleitung.<br>''Arch. Anat. Physiol. Anat. Abt. '' :1893, 17;201-248.</ref>。[[聴覚]]神経回路を構成し、[[音源定位]]に重要な情報処理機能を果たしている。音入力を聴覚中枢へ高速かつ正確に伝達するため、前終末端が台形体核主細胞体を萼状に包み込み、入力信号に応じて多量の興奮性[[神経伝達物質]][[グルタミン酸]]を放出する。1994年、Forsytheはこの巨大[[シナプス前終末]]から[[パッチクランプ記録]]を行うことに成功した<ref name=ref2><pubmed> 7837096 </pubmed></ref>。ついでシナプス前終末とシナプス後細胞からの同時パッチクランプ記録（図1）が可能になり、温血動物中枢シナプス伝達機構の研究上、格好のモデルとなっている<ref name=ref3><pubmed> 16896951 </pubmed></ref><ref name=ref4>'''高橋 智幸, 堀 哲也, 中村 行宏, 山下 貴之'''<br>プレシナプス機構のスライスパッチクランプ研究法<br>岡田泰伸編 最新パッチクランプ実験技術法, pp.96-102.  ''吉岡書店（東京）'':2011</ref><ref name=ref5><pubmed> 22035348 </pubmed></ref>。

[[Image:CalyxFig3.png|thumb|350px|'''図2．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。この軸索終末がカリックスシナプスである。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。]]

　カリックス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。

　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、[[カリックスシナプス]]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2）。外側上オリーブ核は、同側（図2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。

　内側蝸牛神経核球形房状細胞の軸索は、[[Robo3]]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。特徴的なカリックス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（<u>編集部コメント：台形体核神経細胞に表記を統一してよいでしょうか。</u>）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。

　カリックスシナプス前終末は、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]]のカリックス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グリア細胞はカリックス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>。

[[Image:CalyxFig2.png|thumb|240px|'''図3．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）Wistarラットのカリックス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、カリックス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3）、''in vivo''では1 KHzもの高頻度で発火する。

　カリックス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型グルタミン酸受容体|AMPA型]]および[[NMDA型グルタミン酸受容体]]である。成熟したカリックスシナプスでは、シナプス後電流は主としてAMPA型グルタミン酸受容体、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[[wikipedia:ja:加水分解|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。カリックスシナプスには、小胞型グルタミン酸トランスポーターの[[VGluT1|VGluT₁]]と[[VGluT2|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[[インターセクチン]]<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。

=== 聴覚の獲得に伴うカリックスシナプスの生後発達変化 ===

　マウスおよび[[ラット]]では生後12日齢頃に聴覚機能が完成するが、この時期にカリックスシナプス伝達の性質が変化することが知られている。

　シナプス前終末には、[[代謝活性型グルタミン酸受容体]]、代謝型[[GABAB受容体|GABA_B受容体]]、[[アデノシン]][[A1受容体]]、[[ノルアドレナリン]][[α2受容体]]、[[カンナビノイド]][[CB1受容体]]、[[セロトニン]][[5-HT1B受容体|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、カリックス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、代謝活性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、（<u>編集部コメント：「グルタミン酸を除いて」でしょうか？</u>）これらの代謝活性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>。

　カリックス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。聴覚獲得前のカリックスシナプス前終末は、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。聴覚獲得前のカリックスシナプスにおける[[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型グルタミン酸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、聴覚獲得後のカリックスシナプスでは、促通傾向が優勢になる。

　なお聴覚獲得前のカリックスシナプスでは、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/>。