化学シナプス

化学シナプスは、ニューロンの信号を相互に送信したり、筋肉や腺などの非神経細胞に送信したりするための生物学的接合部です。化学シナプスにより、ニューロンは中枢神経系内で回路を形成できます。それらは、知覚と思考の根底にある生物学的計算にとって重要です。それらは、神経系が身体の他のシステムに接続して制御することを可能にします。

化学シナプスでは、1つのニューロンが神経伝達物質分子を、別のニューロンに隣接する小さな空間（シナプスの裂け目）に放出します。神経伝達物質は、シナプス小胞と呼ばれる小さな嚢内に含まれており、エキソサイトーシスによってシナプス間隙に放出されます。これらの分子は、シナプス後細胞の神経伝達物質受容体に結合します。最後に、神経伝達物質は、シナプス前細胞または他の神経膠細胞のいずれかでの特定のトランスポーターによる酵素分解または再取り込みを含むいくつかの潜在的なメカニズムの1つを介してシナプスから除去され、神経伝達物質の作用が終了します。

成人の脳には、1014〜5×1014（100〜500兆）のシナプスが含まれると推定されています。大脳皮質の1立方ミリメートルには、約10億個（短いスケール、つまり109個）の大脳皮質が含まれています。人間の大脳皮質のシナプスの数は、別々に0.15兆（150兆）と推定されています

「シナプス」という言葉は、チャールズスコットシェリントンirと同僚がギリシャ語の「syn-」（「一緒に」）と「haptein」（「留め金に」）から作り出した「synaptein」に由来しています。化学シナプスは、生物学的シナプスの唯一のタイプではありません。電気的および免疫学的シナプスも存在します。ただし、修飾子がない場合、「シナプス」は一般に化学シナプスを意味します。

構造

シナプスは、ニューロン間、またはニューロンと他のタイプの細胞間の機能的接続です。典型的なニューロンは、数千のシナプスを生じますが、はるかに少ないタイプのものもあります。ほとんどのシナプスは軸索を樹状突起に接続しますが、軸索から細胞体、軸索から軸索、樹状突起から樹状突起など、他のタイプの接続もあります。通常、シナプスは小さすぎて光学顕微鏡では認識できないため、2つの細胞の膜が接触しているように見える点を除き、電子顕微鏡を使用して細胞の要素を明確に視覚化できます。

化学シナプスは、シナプス前細胞からシナプス後細胞に情報を方向的に渡すため、構造と機能が非対称です。シナプス前軸索終末、またはシナプスブートンは、シナプス小胞と呼ばれる小さな膜結合球に囲まれた神経伝達物質を含むシナプス前細胞の軸索内の特殊な領域です（ミトコンドリアなどの他の多くの支持構造およびオルガネラと小胞体）。シナプス小胞は、アクティブゾーンと呼ばれる領域のシナプス前細胞膜にドッキングされています。

すぐ反対側は、神経伝達物質受容体を含むシナプス後細胞の領域です。 2つのニューロン間のシナプスの場合、シナプス後領域は樹状突起または細胞体に見られる場合があります。シナプス後膜のすぐ後ろには、シナプス後密度（PSD）と呼ばれる複雑な連結タンパク質の複合体があります。

PSDのタンパク質は、神経伝達物質受容体の固定と輸送、およびこれらの受容体の活性の調節に関与しています。受容体とPSDは、樹状突起棘と呼ばれる主な樹状突起シャフトからの特殊な突起に見られることがよくあります。

シナプスは対称または非対称として説明される場合があります。電子顕微鏡で検査すると、非対称シナプスはシナプス前細胞の丸い小胞と顕著なシナプス後密度によって特徴付けられます。非対称シナプスは通常興奮性です。対照的に、対称シナプスは扁平または細長い小胞を有し、顕著なシナプス後密度を含まない。対称シナプスは通常抑制的です。

シナプス間隙と呼ばれるシナプス間隙 -alsoは-約20nm（0.02μ）幅で前およびシナプス後細胞との間のギャップです。裂け目の体積が小さいため、神経伝達物質の濃度を迅速に増減できます。

autapseは、1つのニューロンの軸索がそれ自体の樹状突起とシナプスを形成するときに形成される化学的（または電気的）シナプスです。

化学シナプスのシグナル伝達

概要

以下は、シナプス前ニューロンからシナプス後細胞へのシナプス伝達で発生する一連のイベントの概要です。各ステップについて、以下で詳しく説明します。最終ステップを除いて、最速のシナプスではプロセス全体が数百マイクロ秒しか実行されないことに注意してください。

1. このプロセスは、シナプスに到達するまで、シナプス前細胞の膜に沿って移動する活動電位と呼ばれる電気化学的励起の波から始まります。
2. シナプスでの膜の電気的脱分極により、カルシウムイオン透過性のチャネルが開きます。
3. カルシウムイオンはシナプス前膜を流れ、内部のカルシウム濃度を急速に増加させます。
4. 高カルシウム濃度は、神経伝達物質を含む小胞に付着したカルシウム感受性タンパク質のセットを活性化します。
5. これらのタンパク質は形状を変え、いくつかの「ドッキングされた」小胞の膜をシナプス前細胞の膜と融合させ、それによって小胞を開き、その神経伝達物質の内容物をシナプス間隙、シナプス前および後シナプスの膜の間の狭い空間に捨てるセル。
6. 神経伝達物質は裂溝内に拡散します。その一部は逃げますが、一部はシナプス後細胞の膜にある化学受容体分子に結合します。
7. 神経伝達物質の結合により、何らかの形で受容体分子が活性化されます。以下で詳しく説明するように、いくつかのタイプのアクティベーションが可能です。いずれにせよ、これはシナプスプロセスがシナプス後細胞の挙動に影響を与える重要なステップです。
8. 神経伝達物質の分子は、熱振動、原子の動き、結晶性固体の平衡位置を中心に振動するため、最終的に受容体から離れてドリフトします。
9. 神経伝達物質は、シナプス前細胞に再吸収され、その後の放出のために再パッケージ化されるか、代謝的に分解されます。

神経伝達物質の放出

神経伝達物質の放出は、神経インパルス（または活動電位）の到着によってトリガーされ、細胞分泌（エキソサイトーシス）の異常に速いプロセスを通じて発生します。シナプス前神経終末内では、神経伝達物質を含む小胞はシナプス膜の近くに局在しています。到達した活動電位は、活動電位のダウンストローク（テール電流）で、電圧依存性のカルシウム選択性イオンチャネルを介してカルシウムイオンの流入を生成します。次に、カルシウムイオンは、シナプス小胞の膜内にあるシナプトタグミンタンパク質に結合し、小胞がシナプス前膜と融合します。小胞の融合は確率的プロセスであり、中枢神経系に典型的な非常に小さなシナプスでのシナプス伝達の頻繁な失敗につながります。一方、大きな化学シナプス（例えば、神経筋接合部）のシナプス放出の確率は1です。小胞融合は、SNAREとして知られるシナプス前終末にある一連のタンパク質の作用によって駆動されます。全体として、シナプス前小胞のドッキングと融合を媒介するタンパク質複合体または構造は、アクティブゾーンと呼ばれます。融合プロセスによって追加された膜は、エンドサイトーシスによって後で回収され、新鮮な神経伝達物質で満たされた小胞の形成のためにリサイクルされます。

小胞融合による神経伝達物質放出の一般的な傾向の例外は、哺乳類の味のII型受容体細胞に見られます。ここで、神経伝達物質ATPは細胞質から直接電圧ゲートチャネルを介してシナプス間隙に放出されます。

受容体結合

シナプスギャップの反対側の受容体は神経伝達物質分子に結合します。受容体は、2つの一般的な方法のいずれかで応答できます。第一に、受容体はシナプス後細胞膜のリガンド依存性イオンチャネルを直接開き、イオンを細胞に出入りさせ、局所的な膜貫通電位を変化させます。結果として生じる電圧の変化は、シナプス後電位と呼ばれます。一般に、結果は脱分極電流の場合は興奮性であり、過分極電流の場合は抑制的です。シナプスが興奮性であるか抑制性であるかは、シナプス後電流を伝導するイオンチャネルのタイプに依存します。これは、シナプスで使用される受容体と神経伝達物質のタイプの関数です。受容体が膜電位に影響を与える2番目の方法は、シナプス後ニューロン内部の化学メッセンジャーの生成を調節することです。これらのセカンドメッセンジャーは、神経伝達物質に対する抑制性または興奮性の反応を増幅できます。

終了

神経伝達物質分子が受容体分子に結合した後、シナプス後膜が後続のEPSPおよび/またはIPSPを中継し続けることができるように、それを除去する必要があります。この削除は、1つ以上のプロセスを介して行われます。

• 神経伝達物質は、それと受容体の両方の熱誘導振動により拡散し、ニューロンの外側で代謝的に分解されるか、再吸収されるようになります。
• シナプス下膜内の酵素は、神経伝達物質を不活性化/代謝する可能性があります。
• 再取り込みポンプは、後の活動電位に続く再処理と再放出のために、神経伝達物質をシナプス前の軸索終末に能動的に送り返すことがあります。

シナプス強度

シナプスの強さは、バーナード・カッツbyによって（シナプス前）放出確率pr 、量子サイズq （単一の神経伝達物質小胞の放出に対するシナプス後反応、「量子」）、およびnの積として定義されていますリリースサイトの。 「ユニタリ接続」とは、通常、シナプス前ニューロンをシナプス後ニューロンに接続する未知数の個々のシナプスを指します。シナプス後電位（PSP）の振幅は、0.4 mVから20 mVまで可能です。 PSPの振幅は、ニューロモジュレーターによって変調することも、以前の活動の結果として変更することもできます。シナプス強度の変化は、数秒から数分続く短期、または数時間続く長期（長期増強、またはLTP）になります。学習と記憶は、シナプス可塑性として知られるメカニズムを介して、シナプス強度の長期的な変化から生じると考えられています。

受容体脱感作

シナプス後受容体の脱感作は、同じ神経伝達物質刺激に対する反応の減少です。これは、一連の活動電位が急速に連続して到着すると、シナプスの強度が実質的に減少することを意味します。これは、シナプスのいわゆる周波数依存性を引き起こす現象です。神経系は計算の目的でこの特性を活用し、関与するタンパク質のリン酸化などの手段を介してシナプスを調整できます。

シナプス可塑性

シナプス伝達は、以前のアクティビティによって変更できます。これらの変化はシナプス可塑性と呼ばれ、うつ病と呼ばれるシナプスの効力の低下、または増強と呼ばれる効力の増加のいずれかをもたらします。これらの変更は、長期的または短期的のいずれかです。短期可塑性の形態には、シナプス疲労または抑うつおよびシナプス増強が含まれます。長期可塑性の形態には、長期鬱病および長期増強が含まれる。シナプス可塑性は、ホモシナプス（単一のシナプスで発生）またはヘテロシナプス（複数のシナプスで発生）のいずれかです。

ホモシナプス可塑性

ホモシナプス可塑性（またはホモトロピック変調）は、特定のシナプスでの活動の履歴から生じるシナプス強度の変化です。これは、シナプス前カルシウムの変化、およびシナプス前受容体へのフィードバック、すなわちオートクリンシグナル伝達の形態から生じる可能性があります。ホモシナプス可塑性は、小胞の数と補充率に影響を与えるか、カルシウムと小胞の放出の関係に影響を与える可能性があります。ホモシナプス可塑性は、本質的にシナプス後でもあります。その結果、シナプス強度が増加または減少する可能性があります。

一例として、交感神経系（SNS）のニューロンがあります。これは、シナプス後受容体に影響を与えるだけでなく、シナプス前α2アドレナリン受容体にも影響を与え、ノルアドレナリンのさらなる放出を抑制します。この効果は、クロニジンと併用して、SNSの抑制効果を実行します。

ヘテロシナプス可塑性

ヘテロシナプス可塑性（またはヘテロトロピック変調）は、他のニューロンの活動に起因するシナプス強度の変化です。繰り返しますが、可塑性は小胞の数や補充率、またはカルシウムと小胞の放出の関係を変える可能性があります。さらに、カルシウム流入に直接影響する可能性があります。ヘテロシナプス可塑性は、本質的にシナプス後でもあり、受容体の感度に影響します。

1つの例は、交感神経系のニューロンであり、ノルアドレナリンを放出し、さらに副交感神経系のニューロンのシナプス前終末に抑制効果をもたらします。

シナプス入力の統合

一般に、興奮性シナプスが十分に強い場合、シナプス前ニューロンの活動電位がシナプス後細胞の活動電位を引き起こします。多くの場合、興奮性シナプス後電位（EPSP）は活動電位を引き出すための閾値に達しません。複数のシナプス前ニューロンからの活動電位が同時に発火する場合、または単一のシナプス前ニューロンが十分に高い頻度で発火する場合、EPSPはオーバーラップして合計することができます。十分なEPSPが重複している場合、集計されたEPSPは活動電位を開始するためのしきい値に達する可能性があります。このプロセスは加算と呼ばれ、ニューロンのハイパスフィルターとして機能します。

一方、GABAなどの抑制性神経伝達物質を放出するシナプス前ニューロンは、シナプス後ニューロンに抑制性シナプス後電位（IPSP）を引き起こし、膜電位を閾値から遠ざけ、興奮性を低下させ、活動電位を開始するニューロン。 IPSPがEPSPと重複する場合、IPSPは多くの場合、ニューロンが活動電位を発火するのを防ぐことができます。このように、ニューロンの出力は多くの異なるニューロンの入力に依存する場合があり、それぞれのニューロンのシナプスの強度とタイプに応じて、それぞれが異なる影響度を持つ場合があります。ジョン・ケアー・エクレスは、シナプス統合に関する初期の重要な実験のいくつかを実行し、1963年にノーベル生理学または医学賞を受賞しました。

ボリューム伝送

神経伝達物質がシナプスで放出されると、シナプス間隙の狭い空間内で最高濃度に達しますが、一部は再吸収または分解される前に拡散することが確実です。拡散すると、他のシナプスまたは膜上にあるシナプスから離れた場所にある受容体を活性化する可能性があります。神経伝達物質のシナプス外活動は、 体積伝達として知られています。そのような効果はある程度発生することは十分に確立されていますが、その機能的重要性は長い間論争の的でした。

最近の研究は、ボリューム伝送がいくつかの特別なタイプのニューロンの相互作用の支配的なモードである可能性があることを示しています。哺乳類の大脳皮質では、神経膠様細胞と呼ばれるニューロンのクラスが、神経伝達物質GABAを細胞外空間に放出することにより、他の近くの皮質ニューロンを抑制することができます。同じ静脈に沿って、神経膠様細胞から細胞外空間に放出されたGABAも周囲の星状細胞に作用し、イオンおよび神経伝達物質の恒常性の制御における体積伝達の役割を割り当てます。神経膠様細胞ボタンの約78％は、古典的なシナプスを形成しません。これは、古典的なシナプスが存在しない場所で化学的に通信するニューロンの最初の決定的な例かもしれません。」

電気シナプスとの関係

電気シナプスは、ギャップジャンクションとして知られるシナプス前細胞とシナプス後細胞の間の狭いギャップに形成される2つの隣接するニューロン間の導電性リンクです。ギャップジャンクションでは、細胞は化学的シナプスで細胞を隔てる20〜40 nmの距離ではなく、互いに約3.5 nm以内に近づきます。化学シナプスとは対照的に、電気シナプスのシナプス後電位は、化学伝達物質によるイオンチャネルの開口ではなく、両方のニューロン間の直接的な電気的結合によって引き起こされます。電気シナプスは化学シナプスよりも高速です。電気シナプスは、網膜、視床の網状核、新皮質、および海馬を含む神経系全体に見られます。化学的シナプスは興奮性ニューロンと抑制性ニューロンの両方で見られますが、電気シナプスは最も小さな局所抑制性ニューロンで最もよく見られます。電気シナプスは、2つの軸索、2つの樹状突起、または軸索と樹状突起の間に存在します。一部の魚や両生類では、電気シナプスは、Mauthner細胞のように、化学シナプスの同じ末端内に見られることがあります。

薬の効果

化学シナプスの最も重要な特徴の1つは、それらが大半の向精神薬の作用部位であることです。シナプスは、クラーレ、ストリキニーネ、コカイン、モルヒネ、アルコール、LSDなどの薬物の影響を受けます。これらの薬物はシナプス機能にさまざまな影響を及ぼし、多くの場合、特定の神経伝達物質を使用するシナプスに限定されます。たとえば、クラーレは、アセチルコリンがシナプス後膜の脱分極を妨げ、麻痺を引き起こす毒です。ストリキニーネは神経伝達物質であるグリシンの抑制効果をブロックします。これにより、身体は弱く以前は無視されていた刺激を拾い上げて反応し、筋肉の痙攣を制御できなくなります。モルヒネはエンドルフィン神経伝達物質を使用するシナプスに作用し、アルコールは神経伝達物質GABAの抑制効果を高めます。 LSDは、神経伝達物質セロトニンを使用するシナプスを妨害します。コカインはドーパミンの再摂取をブロックするため、その効果が高まります。

歴史

1950年代、バーナードカッツとポールファットは、カエルの神経筋接合部で自発的な小型シナプス電流を観察しました。これらの観察に基づいて、彼らはエキソサイトーシスとしての神経伝達物質放出の現在の理解の基礎であり、カッツが1970年に生理学または医学でノーベル賞を受賞した「量子仮説」を開発しました。脱分極によって誘発されるカルシウムイオンの流入がエキソサイトーシスを引き起こすという仮説。