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46 organization of the nervous system, basic functions of synapses, and neurotransmitters 14th

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O
Osamu Yamaguchi

Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Edition

Health & Medicine
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46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 46章 神経系の機構,シナプスの基 本的機能および神経伝達物質 UNIT IX. 神経系:A.全体の原理と感覚の生理
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経系全体のデザイン
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 中枢神経系には,800~1000億のニューロンが含ま れると,推定される. 入力信号は,殆どがニューロンの樹状突起にあるシ ナプスを介して,一部細胞体にあるシナプスを介し てニューロンに至る. 異なるニューロンの型毎に,わずか数百から,多い場 合は20万にも及ぶシナプスが,入力繊維とニューロ ンを接続している. 出力信号は,逆にニューロンを離れる単一のaxon により伝達される. このaxonは,その後多くの枝に 分岐して神経系の他の部分ないし,末梢体組織に 至る. 中枢神経系のニューロン:基本的機能単位
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンの 重要な機能部分 脳 樹状突起 細胞体 二次 ニューロン シナプス 軸索 脊髄 ♣ 入力信号は,殆どがニューロンの樹 状突起にあるシナプスを介して,一 部細胞体にあるシナプスを介して ニューロンに至る. ♣ 出力信号は,逆にニューロンを離れ る単一の軸索axonにより伝達され る. ♣ この軸索は,その後多くの枝に分岐 して神経系の他の部分ないし,末梢 体組織に至る. ♣ シナプスの特徴は,信号伝達が前 向きの一方向であることで,基の ニューロンの樹状突起から,次の ニューロンの細胞膜に伝えられる.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経系の活動の多くは,感覚受容器を興奮さ せる感覚体験に端を発する. 視覚,聴覚,触覚,その他の感覚. 感覚体験は,直ちに脳による反応を起こすか,脳 内に数分,数週あるいは数年にわたり記憶され, その後の体の反応を決定する. 感覚受容体
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 体性感覚軸 筋肉 関節 運動覚受容体 筋紡錘 痛覚,温冷感 (自由神経終末) 皮膚 脊髄 延髄 橋 球網様体 小脳 視床 運動皮質 体性感覚野 圧 (Pacini小体) (拡張尖端受容体) 触覚 (Meissner小体) Golgi腱 装置 ♣ 全身の体表ないし深部の受 容体からの情報を伝える. ♣ 情報は,末梢神経から複数 の感覚野に伝達される. 1. 全てのてレベルの脊髄 2. 延髄,橋,中脳の網様質 3. 小脳 4. 視床 5. 脳皮質の体性感覚野
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経系のもっとも重要な役割は,体の活動性 の制御で,以下により達成 1. 全身の適切な筋の収縮 2. 内臓器の平滑筋収縮 3. 外分泌,内分泌腺からの能動的化学物質の分泌 まとめて,運動機能と称され,筋や腺は効果器と称され る. 神経系の運動部分-効果器
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 骨格運動神経軸 運動野 筋肉への 運動神経 尾状核 視床 被殻 球網様体 視床下核 淡蒼球 小脳 Gamma運動線維 筋紡錘 Alpha運動線維 伸展受容体繊維 ♣ 骨格筋は,CNSの様々なレ ベルから制御されている. 1. 脊髄 2. 延髄,橋,中脳の網様質 3. 基底核 4. 小脳 5. 運動皮質 ♣ 下位中枢は,感覚刺激に 対する自律神経系,即時筋 肉反応に関与 ♣ 高位中枢は,脳の思考過 程によって調節される慎重 で,複雑な筋運動に関与
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経系の重要な機能の一つは,入ってきた情報 を処理して,適切な知的反応,運動反応を起こ すこと. 感覚による情報の99%は,脳により,無関係で, 重要で無い情報として破棄される. 着衣と接触してる皮膚の感覚 座位の時のシートの圧 偶にしか視野に入らない物にのみ注意をひかれる. 周囲の永続的な騒音には,無関心 情報処理-神経系の統合機能
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 統合機能 感覚情報が,重要と認識した場合,望ましい反応を 起こすべく,情報は直ちに脳の適切な統合,運動野に 伝えられる.  , , . , , . 情報処理-神経系の統合機能
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプスが,神経系内で信号が拡散する方向を決 定する. あるシナプスは,あるニューロンから隣接するニューロンに, 容易に信号を伝搬する. 別のシナプスは,信号を容易に伝搬しない. 促進性ないし抑制性の信号が他の神経野から伝わり シナプスを開放したり,閉鎖したりする. シナプス後ニューロンが,多数の出力信号で反応する場 合もあれば,出力が僅かの場合もある. シナプスが,選択的動作を行う場合 弱い信号を阻止し,強い信号を通過させる. 弱い信号を増幅して,一つの方向だけでなく,多くの方向 に信号を向ける. 情報を処理する際のシナプスの役割
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. もっとも重要な感覚情報でも,直ちに運動反応 を起こすのは,僅か 情報の多くは,将来的な運動活動,思考過程の ために保管される. 多くの保管は,大脳皮質でなされるが,少量の 情報は,基底核や脊髄でも保管される. 情報の保管は,我々が記憶と呼ぶ過程で,シナ プスの機能に含まれる. 情報の保管-記憶
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 情報の保管,記憶は,シナプスの機能 ある種の感覚信号が,一連のシナプスを通過する毎に, そのシナプスは,次回同じタイプの信号を通過させやすく なる,facilitation 促進. 感覚信号が,そのシナプスを何回も通過すると,シナプス の促進が昂じて,感覚の入力が存在しなくても,脳内で 作られた信号で,シナプスの同じ連鎖を介してインパルス の伝搬を起こすようになる. この過程が,その人に,感覚の記憶によるものなのに,あ たかも初めて体験しているという知覚を与える. 記憶過程でシナプスの⾧期的促進がおこるメカニズム の詳細は不明. 情報の保管-記憶
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 一度記憶が,脳内に保管されると. 将来的な脳の思考過程の一部となる. 思考過程で,新たな感覚体験と貯蔵された記憶と 比較 記憶は,重要な新しい感覚情報の選別に役立つ. 新たな感覚情報を,将来的な利用のために記憶 保管野に振り分けるか,即時的肉体反応を起こす ために運動野へ振り向けるのに役立つ. 情報の保管-記憶
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 中枢神経系の機能の主要なレベル
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 我々は,脊髄は単にその中を情報が上下する導管 のように推察しているが,事実とは異なる. 脊髄を頸部の高いレベルで切断した後も多くの組 織化された脊髄機能が残る. 例:1)歩行運動 2)痛みの基になる物質から体の部分を引っ込 める 3)重力に抗して体を支持するために足を硬くする 反射 4)局所の血管の制御,消化管運動,排尿など 上位中枢は,末梢組織に直接信号を送るのでは無く,脊髄 の制御センターが実行可能な指令をセンターに送る. 脊髄レベル
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 殆どでは無いが,多くの無意識下の行動は,脳の下 位領域で制御されている. 下位領域 視床下部,視床,小脳,基底核 無意識下の血圧,呼吸の調節は主に延髄,橋で行われ ている. 平衡調節は,小脳の旧い部分と延髄,橋,中脳の網様 体部分との統合で行われている. 摂食反射(唾液,唇のなめる動作)は延髄,橋,中脳,扁 桃,視床下部 情緒(怒り,興奮,性的反応,疼痛反射,喜びに対する反 応などは大部分の大脳皮質を破壊しても起こりうる> 下位脳または皮質下レベル
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 非常に大きな記憶貯蔵庫 単独で機能することはなく,下位中枢と関連して 機能する 脳皮質がないと,下位中枢の機能は,不正確に なりやすい. 思考過程では,大脳皮質が不可欠. 高次脳および大脳皮質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経系とコンピュータとの比較
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 一般的なコンピュータのブロックダイアグラム 問題 入力 出力 中央 処理装置 計算 ユニット 解決のため の手順 初期 データ 演算 結果 解答 情報の 保管
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 中枢神経系のシナプス
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 主要な二つの型が存在 1. 化学的シナプス 2. 電気的シナプス シナプスの型
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  人の中枢神経系の信号伝達に使用されるシナプ スの多くは,化学的シナプス  はじめのニューロンは,神経終末から神経伝達物 質を分泌し,これが次のニューロンの膜にある受容 体蛋白質に作用して,興奮,抑制,感受性の変調 をもたらす.  重要な神経伝達物質が50以上発見されている.  acetylcholine,norepinephrine,epinephrine, histamine,gamma-aminobutyric acid(GABA), glycine,serotonin,glutamate 化学的シナプス
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 活動 電位 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 シナプス後 終末 ミトコンドリア ミトコンドリア シナプス 小胞 シナプス 小胞 神経伝達物質 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 代謝生成物 産生受容体 イオン イオン 二次 メッセンジャー 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 ミトコンドリア シナプス 小胞 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 イオン 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 化学的シナプスの生理学的解剖
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 隣接する細胞の細胞質は,gap junctionと呼 ばれるイオンチャンネルの集団で,直接接続され, 一つの細胞の内部と次の細胞の内部との間で, イオンが自由に往来することが可能 内臓平滑筋で,一つの平滑筋繊維から次の繊 維に活動電位が伝達されたり,心筋の隣接する 心筋細胞からの活動電位の伝達などは,この gap junctionと同様の様式による. 電気的シナプス
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 電気的シナプスの生理学的解剖 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス後 終末 細胞間間隙 (20-40Å)
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 脳の多くのシナプスは,化学的シナプス 中枢神経系では,化学的シナプスと,電気的シ ナプスが混在し,相互作用している場合もある. 電気的シナプスの,双方向性伝達は,相互に連 結したニューロン群の活動を協調するのに役 立っている. 電気的シナプスは,相互に連結したニューロングルー プ内で,閾値未満の脱分極の同時発生を感知する のに有用で,ニューロンの感受性を増し,相互連結し たニューロン群の同期した興奮を促進することを可 能にする. 化学的,電気的シナプス
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経伝達物質を分泌するpresynaptic neuronから,伝達物質が作用する postsynaptic neuronへ,一方向性に信号を 伝達する. 一方向性伝達は,特異的な目標に信号を向け るのに有用. 一方向性伝達により,神経系内および感覚,運動制 御,記憶,その他の機能など,無数の機能を遂行する 末梢神経端末などで個別の,高度に焦点が絞られ た領域に信号を伝達するのに有用. 化学的シナプスの一方向性伝達
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプスの生理学的解剖 樹状突起 細胞体 Axon 脊髄前角の前運動ニューロン ♣ 細胞体soma:ニューロンの主 体 ♣ 一本のaxon:細胞体から伸 びて,脊髄を離れて末梢神経に 至る. ♣ 樹状突起dendrite:脊髄の 周囲に広がる1mmの枝分かれ した細胞体からの突起
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 運動ニューロンの樹状突起,細胞体の表面には,1 万-20万個の小さなpresynaptic terminalと呼 ばれる瘤knobが存在する. 80-95%は,樹状突起上に存在 5-20%は,細胞体somaに存在 presynaptic terminalは,他の多くのニューロンに 端を発する神経線維の終端末で,多く は,postsynaptic neuronを興奮させる神経伝 達物質を分泌する. 他のpresynaptic terminalは,抑制性に作用す る神経伝達物質を分泌する. シナプスの生理学的解剖
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 前角運動ニューロンと,他の脊髄部分や脳の ニューロンとは,以下の点で異なる. 1. 細胞体のサイズ 2. 樹状突起の⾧さ,サイズ,⾧さがゼロから何cmにも なる広範性 3. axonの⾧さ,サイズ 4. 数個から20万個に至るpresynaptic terminal の数 これらの違いから,神経系の異なる部分のニューロンは, 入力される信号に対して,異なる機能を発揮する. シナプスの生理学的解剖
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 電顕上の形は様々だが,多くは小さな球形,卵 形の瘤knob状. terminal knob端末ノブ boutonボタン end-feet 端末足 synaptic knobシナプスノブ Presynaptic Terminals Gray’s Anatomy 40th ED. fig 3-7
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 活動 電位 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 シナプス後 終末 ミトコンドリア ミトコンドリア シナプス 小胞 シナプス 小胞 神経伝達物質 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 代謝生成物 産生受容体 イオン イオン 二次 メッセンジャー 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 ミトコンドリア シナプス 小胞 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 イオン 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 化学的シナプスの生理学的解剖 ♣ シナプス前終末は,シナプ ス後終末と200-300Åのシ ナプス溝で隔てられている. ♣ 二つの重要な内部構造, 伝達物質小胞と mitochondriaが存在. ♣ 伝達物質が,シナプス後 ニューロンを興奮ないし抑 制. ♣ mitochondriaは,新たな 神経伝達物質を合成する ためのエネルギー源ATPを 提供
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 活動 電位 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 シナプス後 終末 ミトコンドリア ミトコンドリア シナプス 小胞 シナプス 小胞 神経伝達物質 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 代謝生成物 産生受容体 イオン イオン 二次 メッセンジャー 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 ミトコンドリア シナプス 小胞 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 イオン 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 神経伝達物質の放出とCa2+ ♣ シナプス前膜には,多 数の電位型Caチャン ネル. ♣ 活動電位が,シナプス 前膜を脱分極すると,こ のCaチャンネルが開放 され,大量のCa2+が終 末内に流入. ♣ 流入したCa2+の数に 応じて,神経伝達物質 が溝に放出される.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 活動 電位 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 シナプス後 終末 ミトコンドリア ミトコンドリア シナプス 小胞 シナプス 小胞 神経伝達物質 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 代謝生成物 産生受容体 イオン イオン 二次 メッセンジャー 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 ミトコンドリア シナプス 小胞 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 イオン 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 伝達物質の作用と受容体蛋白 ♣ シナプス後ニューロン の膜に,大量の受容体 蛋白が存在. ♣ 受容体蛋白質は,膜 から溝に突き出た結合 部分と細胞内部分か らなる. ♣ ionチャンネルの開放 は以下の2通り 1. 直接開放 (ionotropic receptor) 2. 2次メッセンジャー (metabotropic receptor)
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  シナプス後ニューロン膜にあるイオンチャンネルは,通常二つの タイプがある. 1. cation チャンネル 開放されると,通常Naイオンが通過可.時にK+ and/or Ca2+も通過可となる. 興奮性伝達物質で開 放 2. anion チャンネル 主にCl-が通過.少量の他の陰イオンも通過. 抑制性 伝達性物質で開放  いずれのイオンチャンネルも,一種ないしそれ以上の特異的イオン に非常に選択的に動作.  選択性は,径,形,荷電状態,化学的結合状態による.  イオンチャンネルの開放は,msec.の何分の1以内におこり,伝達 物質が無くなると,同様に迅速に閉鎖される. イオンチャンネル
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 記憶のような神経系の多くの機能は,最初の伝達 物質消失後も数秒から数ヶ月にわたってニューロン が変化し続ける必要がある. イオンチャンネルの場合,神経伝達物質がなくなる と数msec以内に,そのチャンネルが閉鎖されるため, シナプス後ニューロンを変化させ続けることに不向 きである. シナプス後ニューロン内の2ndメッセンジャーによる 化学的システムを活性化する事により,シナプス後 ニューロンの興奮,抑制の遷延効果が期待できる. 2nd メッセンジャーシステム
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. よくある2ndmessenger system G 蛋白を使ったもの 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 ♣ 不活性のG蛋白複合体は,細胞質でfree ♣ guanosine diphosphate(GDP)と3つ の構成部分からなる. α(活性化部分),β,γ(αに付着) ♣ GDPと結合している限り,不活性
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. よくある2ndmessenger system G 蛋白を使ったもの 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 1. 神経伝達物質により受容体が賦活化されると,受容体が構造変化を起こ し,G蛋白との結合部分を露出. 2. 受容体蛋白とG蛋白とが結合,αサブユニットがGDPを放出 し,guanosine triphosphate(GTP)と結合し,β,γサブユニットと分離. 3. 遊離したα-GTP複合体は,細胞質内でfreeとなり,複数の機能(①~④)を 発揮する.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプ別に4つの変化が起こる 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 1. シナプス後膜の特異的イオンチャンネルの開放. G蛋白に反 応してKチャンネルが開放; 2nd messengerを介さないイオン チャンネルの直接開放では直ちに閉鎖するのと異なり,この開放 は維持される.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプ別に4つの変化が起こる 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 2. 神経細胞のcAMPないしcGMPを活性化. cAMPにしろcGMPにしろ神経細胞において,高度に代謝上の機構を活性 化するため,細胞構造自体の⾧期的変化を含む多くの化学変化の一つを開 始し,神経細胞の⾧期的な興奮性を変化させる可能性がある.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプ別に4つの変化が起こる 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 3. 一つ以上の細胞内の酵素の活性 化. その酵素が,多くの特異的な化 学的機能をもたらす.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプ別に4つの変化が起こる 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 4. 遺伝子転写の活性化. 遺伝子の 転写は,神経細胞内で新たな蛋白を 産生する基になり,代謝機構とその 構造の変化の基になるため,2nd messenger systemの活性化の最 も重要な作用の一つ.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. αサブユニットに結合しているGTPが加水分解 されてGDPになると,G蛋白は不活化される. 1. β,γサブユニットと再結合 2. G蛋白複合体が,不活化状態に復帰  神経細胞の2nd Messenger systemの活 性化は,それがG蛋白型でも,その他の型でも, ⾧期間,応答特性を変更するために,極めて重 要. G蛋白の活性化,不活化
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性受容体 1. シナプス後細胞内に,大量の,陽性に荷電したイオ ンの流入を許すNaチャンネルの開放. この動作に より,細胞内の膜電位を,興奮域値まで上昇. 興 奮を惹起するために広く使用されている方法. 2. ClないしKチャンネルの導電性を低下.この動作に より,陰性荷電したCl-イオンがシナプス後神経細 胞内に拡散するのを減少,あるいは陽性に荷電し たK+イオンが,細胞外に拡散するのを減少. その 他の場合には,細胞内の膜電位が,通常より陽性 となり,興奮性に作用する. シナプス後膜の興奮性,抑制性受容体
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性受容体 3. シナプス後神経細胞の細胞内代謝が,様々に変 化して,細胞活性を興奮させ,場合によっては,興奮 性膜受容体の数を増し,抑制性の膜受容体の数 を減じる. シナプス後膜の興奮性,抑制性受容体
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 抑制性受容体 1. シナプス後ニューロン膜のCl-イオンチャンネルの開 放. シナプス後ニューロンの外側にある陰性荷電 したCl-イオンを,細胞内に速やかに拡散させる. 結果的に,細胞内の陰性度が高まり,抑制的に作 用する. 2. 受容体酵素の活性化. 細胞内の代謝機能を抑 制し,抑制性シナプス受容体の数を増加し,興奮 性の受容体数を減じる. シナプス後膜の興奮性,抑制性受容体
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 50種類以上の化学物質が,シナプス伝達物質として証 明ないし推定されている. シナプス伝達物質は,以下の二つのグループに分かれる. 1. 小分子,速効伝達物質 感覚器から脳への信号伝達,筋肉への応答伝達など 2. 比較的ゆっくり作用する,より大きな分子量の多数の神経 ペプチド ⾧期にわたる受容体数の変化,⾧期間のイオンチャンネルの 開放,閉鎖,シナプス数,サイズの変化 3. いくつかのガス分子 nitric oxide(NO),hydrogen sulfide(H2S), Carbon monoxide(CO) シナプス伝達物質として機能する化学物質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多くの場合,小分子量タイプの神経伝達物質は,シナプ ス前終末端の細胞質内で合成される. 能動輸送により,終末端内の多くの伝達物質小胞に吸 収される. シナプス前端末に活動電位が至る毎に,いくつかの伝達 物質小胞が,伝達物質をシナプス溝に放出する. この動作は,通常,1msec.以下の短時間に行われる. 次に起こる,小分子量伝達物質の,シナプス後膜受容体 に対する動作も,1msec.以内に達成される. 多くの場合は,イオンチャンネルの導電性の増加,減少作 用で,Na導電性を増せば興奮性,KないしClの導電性 増加は,抑制性に作用する. 小分子量,即効性伝達物質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 小分子量伝達物質を貯蔵,放出する小胞は, 持続的にリサイクルされ,繰り返し使用されてい る. 1. シナプス膜と癒合して,伝達物質を放出すべく壁が 開放される. 2. 当初,小胞の膜は,シナプス膜の一部になるが,数 秒から数分以内に,小胞部分の膜が陥凹してシナ プス前端末内にもどり,新たな小胞を形成. 3. 新たな小胞は,未だに相当量の酵素蛋白,移送蛋 白を内包していて,新たな伝達物質の合成,濃縮 が行われる. 小分子量伝達物質用小胞のリサイクル
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Acetylcholine(Ach)は,合成,放出の原則に従う,典型 的な小分子量伝達物質 シナプス前端末で,合成酵素choline acetyltransferaseのもと, acetyl coenzyme Aと cholineから合成される. 特有の小胞に移送される. 小胞が,神経信号伝搬に伴いシナプス溝にAchを放出 すると,Achは,シナプス溝の腔にあるproteoglycan細 網にあるcholinesteraseのもと直ちにacetateと cholineに分かれる. シナプス前端末内では,再び小胞がリサイクルさ れ,cholineが能動的に返送され,新たなAchの合成に 使用される. Acetylcholine用小胞のリサイクル
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 小分子,即効性伝達物質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 小分子,即効性伝達物質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Acetylcholine:多くの神経系で分泌されるが,以 下の部分から特異的に分泌される. 1. 運動皮質の大きな錐体細胞端末 2. 基底核のいくつかの異なるタイプの神経細胞 3. 骨格筋を支配している運動神経 4. 自律神経系の節前線維 5. 副交感神経系の節後線維 6. 交感神経系の節後線維の一部 多くの場合,Achは興奮性に作用するが,迷走神経が心 臓に抑制的に働くように,一部末梢性副交感神経終末で は抑制的に作用する. 重要な小分子量伝達物質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Norepinephrine:細胞体が脳幹ないし視床下部 に存在する多くのニューロンの端末から分泌される. 橋のlocus ceruleus青斑核にあるnorepinephrine 分泌ニューロンは,脳の広範に神経線維を送っていて, 全体の活動性,覚醒レベルの挙上など精神的なムード を制御するのに役だっている. おそらく,これらの領域の多くは,norepinephrineにより 興奮性受容体を活性化していると思われるが,一部抑 制的受容体を刺激している. 多くの交感神経系節後線維からも分泌されていて,ある 臓器には興奮性に,他の臓器には抑制性に作用してい る. 重要な小分子量伝達物質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Dopamine: substantia nigra黒質に端を発する神経細胞か ら分泌される. それらの神経細胞の終端は,主に基底核線状体付 近. 効果は,通常,抑制的. Glycine: 主に脊髄のシナプスで分泌. 常に抑制性に作用すると信じられている. 重要な小分子量伝達物質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Gamma-aminobutyric acid (GABA): 脊髄,小脳,基底核および多くの皮質の神経端末から 分泌 成人の中枢神経系の主要な抑制系神経伝達物質 胎生期,出生後最初の一週間など脳の発育初期で は,GABAが,興奮性神経伝達物質として作用すると考 えられている. Glutamate: CNSに入る多くの感覚神経の節前線維および大脳皮 質の節前線維から分泌される. おそらく常に興奮惹起性に作用. 重要な小分子量伝達物質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Serotonin: 脳幹の内側縫線核median rapheから分泌され,多く の脳,脊髄に放散するもので,特に脊髄の後角,視床下 部で放散. 脊髄の痛覚路の抑制;高位神経では,情緒の制御,睡 眠惹起に貢献. Nitric oxide: ⾧期の行動,記憶に関係する領域の神経端末で産生. 小胞に貯蔵されることなく,必要に応じて,即席に産生さ れ,シナプス後ニューロンに拡散 シナプス後ニューロンでは,膜電位を大きく変えることなく 数秒,数分あるいはさらに⾧時間にわたって神経の興奮 性を変えるように,細胞内の代謝機能を変化させる. 重要な小分子量伝達物質
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチド,遅効性伝達物質,成⾧因子
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチド,遅効性伝達物質,成⾧因子
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチド,遅効性伝達物質,成⾧因子
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチド,遅効性伝達物質,成⾧因子
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体のリボゾームによって,大きな蛋白質分子の 不可分な部分として合成される. その蛋白質分子は,細胞体の小胞体内の空間に入り,続 いてゴルジ装置の内部に入り,そこで二つの変化が起こる.  第一に,その蛋白質が,酵素的に小さな断片に分割され,その 一部は神経ペプチド自体またはその前駆物質となる.  ゴルジ装置が,神経ペプチドを,細胞質に放出される微細な 伝達小胞に包み込む.  伝達小胞は,軸索細胞質の軸索の流れによって神経線維の 尖端まで輸送され,1日あたりわずか数cmの遅い速度で移 動する.  これらの小胞は,活動電位に応答して神経終末で伝達物質 を放出し,小胞は,自己消化を受けて再利用される. 神経ペプチド
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 放出される神経ペプチドは,小分子量伝達物質よりは,は るかに少量 神経ペプチドは,小分子量伝達物質の1000倍以上の強 力な作用を持つことで少量であることを相殺. 神経ペプチドは,より⾧期間の作用を有する点も重要な 特徴.  Ca2+チャンネルの⾧期閉鎖  細胞の代謝機構の⾧期変化  細胞核内の特定の遺伝子の活性化または非活性化の⾧ 期変化  興奮性または抑制性受容体の数の⾧期変化 これらの影響のいくつかは数日間持続するが,他は数ヶ月,数年 持続する. 神経ペプチド
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチドと小分子量伝達物質の混在 ♣ 神経ペプチドと小分子伝達物質が,同じ小胞に混在(co-localized) ♣ 活動電位の到来で,同時に放出される(co-released)
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチドと小分子量伝達物質の混在 ♣ 異なる伝達物質は,別々の小胞に存在し,シグナル伝達は協調して行われる (co-transmission) ♣ Ca2+に対する感受性の違いから,放出は別々に行われる. 単発活 動電位 複数活 動電位
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチドと小分子量伝達物質の混在 ♣ 小胞が,別々の離れたボタンに存在. ♣ 一つの情報が,異なるシナプス後神経に伝達される.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 伝達物質の放出と伝達が,同時に行われるには,重 要な機能的意味合いを持つ. 同じシナプス前ニューロンから放出される異なる伝 達物質は,自身特定の受容体を有していて,シナプ ス後標的に抑制性ないし興奮性の影響を与える 可能性がある. ニューロンが異なると,シナプス後受容体を直接活 性化する速効性物質と,2nd メッセンジャーカスケー ドの活性化と遺伝子発現のシナプス後変化を必 要とする遅効性伝達物質の様々な組み合わせが 放出される可能性がある. 神経ペプチドと小分子量伝達物質の混在
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 例:脳幹にある縫線核でみられる. 縫線核のニューロンは,いくつかの脳領域に神経支 配を提供し,セロトニンとグルタメートを共放出co- releaseする事が可能 睡眠と覚醒のサイクルの重要な役割を果たしてい る. 2つの小分子量伝達物質の同時放出
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経興奮時の電気的事象
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体の静止膜電位 樹状突起 Axon小丘 ♣ 静止膜電位約-65mVの脊髄運動 ニューロンの細胞体 ♣ 他の大きな末梢神経,骨格筋細胞 の静止膜電位より,若干陰圧度が低 い. ♣ 陰圧度が低い分,興奮(脱分極)しや すい
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体膜内外の濃度差 樹状突起 Axon小丘 ♣ Na+の細胞内外の濃度(142,14mEq/L) は,細胞膜にあるNaポンプによるもの. ♣ K+は,細胞内120,外4.5mEq/Lで,K+ポン プ(Na+-K+ポンプの半分)によるもの.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体膜内外のイオン濃度差 樹状突起 Axon小丘 ♣ Cl-は,細胞外で高く,細胞内で低い. 膜は,Cl-に対して透過性 があり弱いCl-ポンプが膜に存在するかもしれない. ♣ Cl-が,細胞内に少ない理由は,電位が-65mVであることで,陰 性電位が,陰性に荷電しているCl-を排除しているため.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. あるイオンの動きに抗する正確な電位 Nernst potential EMF(mV)=±61×log( 内側の濃度 外側の濃度 ) EMF:electromotive force(millivolts) 陽イオンに対して陰性 陰イオンに対して陽性 膜を介した電位差がイオンの動きを決定
5 Membrane Potentials and Action Potentials O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Na+を透過する膜の拡散電位 (陰イオン)ー 神経線維 (陰イオン)ー • Na+は,繊維外の濃度 が,繊維内の濃度より 高い. • Na+のみを透過すると 仮定 • Na+が,繊維内に拡散, 流入する結果,内側が 陽性に荷電する. • 数msec以内に膜電 位が高まりNa+の移 動が止む. • このときの膜電位は,哺 乳類の神経繊維で +61mV
5 Membrane Potentials and Action Potentials O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜を挟んであるイオンが拡散する量に対向する 拡散電位をNernst potential(Nernst電 位)と呼ぶ. Nernst電位は,膜の両側のイオン濃度の比で 決まる. 比が大きいほど,イオンが一定方向に拡散する 傾向が大きい. Nernstの式
5 Membrane Potentials and Action Potentials O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 正常体温37゜C(98.6゜F)で,一価のイオンの Nernst電位は, EMF(mV)=± ×log EMF;electromotive force Z;ionの電気的荷電(例えばK+なら+1) 通常,細胞外の液の電位は0. Nernst電位は,膜の内側の電位. 陰イオンが内から外へ拡散する場合は(+) 陽イオンが拡散する場合は(-) 膜の内側のK+濃度が,外側の10倍であれば, Nernst電位は -61mV Nernstの式
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜の外側のNa+濃度142mEq/L,膜の内側の Na+濃度14mEq/L EMF=-61×log(14/142)=-61×log(0.098) =-61×(-1.00877)=+61mV 実際の膜電位は,+61mVではなく,-65mV. 従って,細胞内に漏入したNa+は,Naポンプによ り直ちに外部に排出され,ニューロン内部の電位 は,-65mVに維持されている. Na+に対するNernst potential
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜の外側のK+濃度4.5mEq/L,膜の内側のK+ 濃度120mEq/L EMF=-61×log(120/4.5)=-61×log(26.67) =-61×1.426=-86.986mV 実際の電位-65mVより,Nernst電位-86.986 mVの方が,より陰性度が高い 細胞膜内のK+濃度が高いため,正味細胞外に 拡散する傾向があるが,持続的なK+ポンプによ る汲み入れ作用により拡散が妨げられている. K+に対するNernst potential
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜の外側のCl-濃度107mEq/L,内側8mEq/L EMF=+61×log(8/107)=+61×log(0.07476) =+61×ｰ1.12629=-68.7mV EMF(ｰ68.7mV)は,実際の膜電位-65mVより わずかに陰性度が高い Cl-は,神経細胞内に漏入する傾向にあるが,能 動的Cl-ポンプにより,細胞外に汲み出されてい る. Cl-に対するNernst potential
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 各イオンのNernst電位を記憶 どのイオンが,どの方向に拡散しているかを記憶 シナプスにおけるイオンチャンネルの活性化,不 活性化によるニューロンの興奮,抑制を理解す る上で重要 Na+,K+,Cl-のNernst電位
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体の内部は,導電性に富んだ電解液, 細胞内液により満たされている. 神経細胞体の径は大きい(10-80μm)が,内部 の一部から他の部分への電導にほとんど抵抗 がない. ニューロンが,活動電位を伝達していない限り, 細胞体内の液の電位は,内部でほとんど一様に 変化する. この原則は,複数の源から,あるニューロンに入 る信号の”合計”上,重要な役割を演じる. 神経細胞体内の電位の一様な分布
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプス後膜の興奮効果-興奮性シナプス後電位 静止ニューロン ♣ 興奮していないシナプス前端末と,静止ニューロン ♣ 細胞体内の静止膜電位は,いずれの場所でもｰ65mV
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮状態のニューロン ♣ シナプス前端末が興奮性伝達物質を,端末と神経細胞体膜との間の溝に分泌. ♣ この伝達物質が,神経細胞体膜上にある興奮性受容体に作用して,Na+に対す る膜の透過性を亢進 ♣ Na+の濃度勾配が大きく,細胞内の陰性度が大きいためNa+は速やかに細胞内 に拡散 興奮ニューロン 軸索の最初の 区分 興奮性 活動電位の 拡散 Na+の 流入
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮状態のニューロン ♣ 陽性に荷電したNa+が,速やかに細胞内に移動するため,静止膜電位の陰性度 を若干緩和. ♣ 静止膜電位は,-65mVから-45mVへ,陽性方向に増加.excitatory postsynaptic potential(EPSP)興奮性シナプス後電位 ♣ EPSPが,活動電位を誘発し,シナプス後ニューロンを興奮させる. 興奮ニューロン 軸索の最初の 区分 興奮性 活動電位の 拡散 Na+の 流入
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性シナプス後電位EPSPが,陽性方向に十分 高まると,活動電位が開始される. 活動電位は,細胞体を離れる軸索の最初の部分 からはじまる. 細胞体の膜には,電位作動性Naチャンネルvoltage- gated sodium channelが少なく,EPSPが活動電位 誘発に必要な数のNaチャンネルを開放するのが困難 軸索の最初の部分の膜には,細胞体の7倍の電位作 動性Naチャンネルがあり,容易に活動電位を発生させら れる. 軸索の最初の部分では,活動電位誘発のためのEPSP は+10~+20mVであるのに対して,細胞体部分では +30~+40mV以上を要する. 軸索の最初の区分での活動電位発生
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 一度活動電位が開始されると,軸索に沿って末 梢に伝達され,同時に細胞体にも後方伝達され る. 場合によっては,活動電位が樹状突起にまで伝 わるが,樹状突起も電位作動性Naチャンネルに 富んでいるわけではないため,全ての樹状突起 に伝わることはない. 軸索の最初の区分での活動電位発生
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経抑制時の電気的事象
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  抑制性シナプスは,おもにCl-チャンネルを開放  Cl-のNernst電位は,約-70mVで安静時静止膜電位の- 65mVより陰性.  Cl-チャンネルの開放は,陰性に荷電したCl-を細胞外液から 細胞内に移動させ,細胞内を正常よりさらに陰性にさせ- 70mVに至る.  K+チャンネルの開放は,陽性に荷電したK+を細胞外に移動さ せ,細胞内の膜電位をより陰性にさせる.  Cl-の流入,K+の流出はいずれも細胞内の陰性度をあげ hyperpolarization過分極状態にする.  膜電位が,正常よりさらに陰性化して,ニューロンは抑制状態 にある.  正常を超えた陰性度にあるときinhibitory postsynaptic potential(IPSP)抑制性シナプス後電位と呼ぶ. 抑制性シナプス後電位
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 抑制状態にあるニューロン 抑制ニューロン ♣ 抑制性シナプスの活性化による膜電位の影響を示したもの ♣ Cl-の流入 and/or K+の流出により,膜電位が正常の-65mVから -70mVとより陰性に変化. ♣ 正常より5mV陰性で,IPSPは-5mVに相当し,シナプスを介した神経 信号の伝達を抑制.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプス前神経線維の外側に,抑制性物質を放出 することによる. 抑制性伝達物質は,多くの場合GABAで,陰性イ オンチャンネルを開放し,大量のCl-を端末繊維内に 拡散. Cl-の陰性荷電が,活動電位が到着した際に端末 繊維に流入する陽性に荷電したNa+の興奮性の 影響を無効にするため,シナプスの伝搬を抑制する. シナプス前抑制は,多くの感覚経路でおこる. 隣接した感覚神経では,お互いに抑制し合い,感覚 路の横の広がりや混合を最小にしている. シナプス前抑制
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性シナプスが,前運動ニューロンを興奮させる と,ニューロンの膜のNa+に対する透過性は,1ｰ 2msecの間,非常に高まる. この短時間に,シナプス後運動ニューロンの内側に 十分量のNa+が拡散し,内部の電位を数mV高め てEPSP興奮性シナプス後電位を引き起こす. この上昇したEPSPは,その後の15msec.の間に, ゆっくり低下する. この時間は,陽性荷電イオンが 漏出するのに必要な時間で,その後に正常の静止 膜電位が再確立される. シナプス後電位の時間経過
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 抑制性シナプス後電位IPSPでは,真逆の現象が おこる. 抑制性シナプスが1-2msec.の間K+,Cl-に対する透過 性を増しニューロン内の電位を正常よりさらに陰性に低 下させIPSP抑制性シナプス後電位を引き起こす. このIPSPは,約15msec.で消失する. 他の伝達物質では,シナプス後ニューロンの興奮な いし抑制をより⾧時間,すなわち数百msec,数秒, 数分,数時間にわたって引き起こす.とくに,ニューロ ペプチド伝達物質でおこる. シナプス後電位の時間経過
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロン表面での単一のシナプス前端末の興 奮では,ニューロンの興奮は決して起きない. 単一の端末が放出する伝達物質では,通常EPSP は0.5~1mVを超えず,興奮に必要な10~20mVに は至らない. 通常,多くのシナプス前端末が同時に刺激を受 ける. これらの端末は,ニューロンの表面に広範 に広がっているが,その刺激は合算summateさ れ,ニューロンの興奮を惹起する(空間的合算 spatial summation) 発火の域値ｰニューロンの“空間的合算”
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多数のシナプスが発火すると,活動電位に至る. 興奮性シナプス後 電位 活動電位 静 止 膜 電 位
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 一つのシナプス前端末が1回放電すると,放出され た伝達物質は,膜のチャンネルを⾧くて1~2msec. 開放するが,シナプス後電位の変化は,チャンネルの 閉鎖後15msec.まで持続する. 同じチャンネルの2回目の開放は,シナプス後電位 をさらに高いレベルに上げることができる. より速い速度で刺激されると,シナプス後電位は,よ り高くなる. 一つのシナプス前端末から連続的に放電されると, 互いに相乗して,合算が生じる(一過性合算 temporal summation) シナプス前端末の連続的放電による“一過性合算”
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. IPSP抑制性シナプス後電位は膜電位をより負 に下げる一方,EPSP興奮性シナプス後電位は 電位を上昇させるため,二つの効果は互いに,完 全に,あるいは部分的に無効化しあう. もし,一つのニューロンがEPSPにより刺激を受 けているときに,他からの抑制的信号が到達す ると,シナプス後電位を興奮域値以下に下げて, ニューロンの活性を消失させる. 抑制性と興奮性のシナプス後電位の同時合算
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 合算されたシナプス後電位が興奮性で,ただ発 火の域値には到達していない場合facilitated 促進状態と呼ぶ. 別の興奮性信号が,そのニューロンに至ると容易に 興奮させることが出来る状態. 神経系の広範な信号が,大量のニューロンを促 進状態にし,それらのニューロンは他の源から発 せられたシグナルに迅速かつ容易に反応するこ とが可能. ニューロンの促進
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 前運動ニューロンの樹状突起は,細胞体からあらゆ る方向に500~1000μm伸びていて,周囲の広範な 空間から信号を受け取ることが可能. このことは,多くの別々のシナプス前神経線維から の信号の合算をうける莫大な機会があることを意 味する. 前運動ニューロンのシナプス前端末の80~95%は, 樹状突起に終結しているのに対して,わずか5-20% が,ニューロンの細胞体に終結. よって,興奮の大部分は樹状突起を介して伝達さ れた信号による. ニューロンを興奮させる樹状突起の機能
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 樹状突起の膜は,電位作動性Naチャンネルの 数が少なく活動電位の伝播は不可. 代わりにelectrotonic current電気緊張電流 を樹状突起から細胞体に伝播. このことは,活 動電位の発生ではなく,樹状突起内の液の中 でイオン伝導による電流の直接的広がりを意 味する. 多くの樹状突起は,活動電位を伝達出来ない
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 樹状突起を刺激する興奮性,抑制性シナプス ♣ 左側の二つの樹状突起は,興奮 性シナプス ♣ 細胞体に近づくほどにEPSPは, 低下し消失する. ♣ 樹状突起が⾧く,膜が薄く,K+と Cl-を部分的に透過するため,電流 に対して“漏れやすい”ため. ♣ この膜電位の減少を,減少電導 とよぶ. ♣ 興奮性シナプスが細胞体から遠 いほど減少度合いが大きく,興奮 性のシグナルが細胞体に到達す る率が低い.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 樹状突起内の興奮,抑制の合算 ♣ 真ん中,上部の樹状突起は,興 奮性,抑制性両方のシナプスの刺 激を受けている. ♣ 先端は強いEPSPだが,細胞体 近位では二つの抑制性シナプス (I)が作用して過分極による興奮 性効果の消失を来している.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 樹状突起内の興奮,抑制の合算 ♣ axon起始部の抑制性シナプス (I). ♣ 通常活動電位が惹起される部 分で,直接的に域値を増して,強い 抑制効果を呈する.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプと,興奮状態レベルに対する反応 興奮状態(恣意的単位) 放電頻度/秒 域値 ♣ neuron1は,興奮域値が低い ♣ neuron3は,興奮域値が高い
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプと,興奮状態レベルに対する反応 興奮状態(恣意的単位) 放電頻度/秒 域値 ♣ neuron2は,放電頻度が最も低い ♣ neuron3は,頻度が最も高い
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプと,興奮状態レベルに対する反応 中枢神経系の一部のニューロンは、正常な興 奮状態でさえ閾値レベルを超えているため、継 続的に発火する. 発火の頻度は、通常、それらの興奮状態をさら に増加させることによってさらに増加させること が可能. ニューロンに抑制状態を重ねることで、周波数 を下げたり、発火を止めることが可能.  ニューロンが異なれば応答も異なり、興奮の域 値も異なり、放電の最大周波数も大きく異なる.
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプス伝播の特徴
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性のシナプスが,短時間に繰り返し刺激を 受けると,シナプス後ニューロンによる放電回数 は,当初非常に多いが,数msec.から数秒の後 には,次第に減少する-シナプス伝播の疲労 てんかん発作中の,脳の過剰な興奮性が最終的に 疲労により抑制され,発作が停止する. 疲労の発生は,過剰な神経活動に対する保護 メカニズム. シナプス伝播の疲労
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 疲労のメカニズムは,主にシナプス前端末に貯蔵さ れている伝達物質の枯渇ないし部分的な枯渇に よる. 多くのニューロンの興奮性端末には,わずか約1万 回分の活動電位を起こすに足る興奮性伝達物質 が貯蔵されていてだけで,わずか数秒から数分の速 い刺激で,その伝達物質は枯渇する. 疲労の過程 1. 多くのシナプス後膜受容体の進行性の不活化 2. シナプス後神経細胞内のイオンの濃度異常が緩徐に 進展 シナプス伝播の疲労
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多くのニューロンは,pHの変化に高い感受性を示す. アルカローシスは,神経興奮性を著明に亢進 pH7.4から7.8~8.0へ変化すると,脳神経の全てないし 一部の興奮性が増して癲癇発作を惹起する. 癲癇発作を合併している人では,短時間の過換気でも pHが上昇し,癲癇発作を誘発する. アシドーシスは,神経の活動性を,強く抑制 pH7.4から7.0に変化すると,昏睡状態になる. 重篤な糖尿病性アシドーシスないし尿毒症性アシドー シスでは,決まって昏睡に陥る. アシドーシス,アルカローシスとシナプス伝播
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経の興奮性は,酸素の適切な供給に大きく 依存 わずか数秒の酸素供給停止で,いくつかの ニューロンの完全な興奮制定しを来す. 脳の血流が,3-7秒間一過性に遮断されると,人は 意識消失する. シナプス伝播と低酸素症
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多くの薬剤が,神経の興奮性を増減する. caffeine,theophylline,theobromineは,それぞれ コーヒー,茶,ココアに含まれ,いずれも興奮の域値を下げ ることにより,神経の興奮性を増す. strychnineは,神経の興奮性を増す全ての薬剤の中 でも最もよく知られたものの一つ.  抑制性に働く伝達物質の作用を抑制.特に,脊髄にお けるglycineの作用を抑制. 著明な緊張性筋攣縮を誘発 多くの麻酔薬は,神経膜の興奮域値を増して,シナプシ ス伝播を減少. 多くは,脂溶性のため,神経細胞の膜の 物理的特性を変えて,興奮性物質に対する反応性を抑 制する. シナプス伝播と薬物
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプス伝播の次の過程で,時間が消費される. 1. シナプス前端末による伝達物質の放出 2. シナプス後神経細胞膜への伝達物質の拡散 3. 膜受容体に対する伝達物質の作用 4. 膜透過性を増加させる受容体の作用 5. Na+の内向き拡散が,活動電位誘発までEPSPを高 める過程. 多数の興奮性シナプスが,同時に刺激された場合 でも,これら全てのイベントが発生するのに必要な 臍胞時間は,シナプス遅延と呼ばれる約0.5msec. シナプスの遅延
46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 46章 神経系の機構,シナプスの基 本的機能および神経伝達物質 UNIT IX. 神経系:A.全体の原理と感覚の生理

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  • 5. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンの 重要な機能部分 脳 樹状突起 細胞体 二次 ニューロン シナプス 軸索 脊髄 ♣ 入力信号は,殆どがニューロンの樹 状突起にあるシナプスを介して,一 部細胞体にあるシナプスを介して ニューロンに至る. ♣ 出力信号は,逆にニューロンを離れ る単一の軸索axonにより伝達され る. ♣ この軸索は,その後多くの枝に分岐 して神経系の他の部分ないし,末梢 体組織に至る. ♣ シナプスの特徴は,信号伝達が前 向きの一方向であることで,基の ニューロンの樹状突起から,次の ニューロンの細胞膜に伝えられる.
  • 6. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経系の活動の多くは,感覚受容器を興奮さ せる感覚体験に端を発する. 視覚,聴覚,触覚,その他の感覚. 感覚体験は,直ちに脳による反応を起こすか,脳 内に数分,数週あるいは数年にわたり記憶され, その後の体の反応を決定する. 感覚受容体
  • 7. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 体性感覚軸 筋肉 関節 運動覚受容体 筋紡錘 痛覚,温冷感 (自由神経終末) 皮膚 脊髄 延髄 橋 球網様体 小脳 視床 運動皮質 体性感覚野 圧 (Pacini小体) (拡張尖端受容体) 触覚 (Meissner小体) Golgi腱 装置 ♣ 全身の体表ないし深部の受 容体からの情報を伝える. ♣ 情報は,末梢神経から複数 の感覚野に伝達される. 1. 全てのてレベルの脊髄 2. 延髄,橋,中脳の網様質 3. 小脳 4. 視床 5. 脳皮質の体性感覚野
  • 8. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経系のもっとも重要な役割は,体の活動性 の制御で,以下により達成 1. 全身の適切な筋の収縮 2. 内臓器の平滑筋収縮 3. 外分泌,内分泌腺からの能動的化学物質の分泌 まとめて,運動機能と称され,筋や腺は効果器と称され る. 神経系の運動部分-効果器
  • 9. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 骨格運動神経軸 運動野 筋肉への 運動神経 尾状核 視床 被殻 球網様体 視床下核 淡蒼球 小脳 Gamma運動線維 筋紡錘 Alpha運動線維 伸展受容体繊維 ♣ 骨格筋は,CNSの様々なレ ベルから制御されている. 1. 脊髄 2. 延髄,橋,中脳の網様質 3. 基底核 4. 小脳 5. 運動皮質 ♣ 下位中枢は,感覚刺激に 対する自律神経系,即時筋 肉反応に関与 ♣ 高位中枢は,脳の思考過 程によって調節される慎重 で,複雑な筋運動に関与
  • 10. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経系の重要な機能の一つは,入ってきた情報 を処理して,適切な知的反応,運動反応を起こ すこと. 感覚による情報の99%は,脳により,無関係で, 重要で無い情報として破棄される. 着衣と接触してる皮膚の感覚 座位の時のシートの圧 偶にしか視野に入らない物にのみ注意をひかれる. 周囲の永続的な騒音には,無関心 情報処理-神経系の統合機能
  • 11. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 統合機能 感覚情報が,重要と認識した場合,望ましい反応を 起こすべく,情報は直ちに脳の適切な統合,運動野に 伝えられる.  , , . , , . 情報処理-神経系の統合機能
  • 12. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプスが,神経系内で信号が拡散する方向を決 定する. あるシナプスは,あるニューロンから隣接するニューロンに, 容易に信号を伝搬する. 別のシナプスは,信号を容易に伝搬しない. 促進性ないし抑制性の信号が他の神経野から伝わり シナプスを開放したり,閉鎖したりする. シナプス後ニューロンが,多数の出力信号で反応する場 合もあれば,出力が僅かの場合もある. シナプスが,選択的動作を行う場合 弱い信号を阻止し,強い信号を通過させる. 弱い信号を増幅して,一つの方向だけでなく,多くの方向 に信号を向ける. 情報を処理する際のシナプスの役割
  • 13. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. もっとも重要な感覚情報でも,直ちに運動反応 を起こすのは,僅か 情報の多くは,将来的な運動活動,思考過程の ために保管される. 多くの保管は,大脳皮質でなされるが,少量の 情報は,基底核や脊髄でも保管される. 情報の保管は,我々が記憶と呼ぶ過程で,シナ プスの機能に含まれる. 情報の保管-記憶
  • 14. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 情報の保管,記憶は,シナプスの機能 ある種の感覚信号が,一連のシナプスを通過する毎に, そのシナプスは,次回同じタイプの信号を通過させやすく なる,facilitation 促進. 感覚信号が,そのシナプスを何回も通過すると,シナプス の促進が昂じて,感覚の入力が存在しなくても,脳内で 作られた信号で,シナプスの同じ連鎖を介してインパルス の伝搬を起こすようになる. この過程が,その人に,感覚の記憶によるものなのに,あ たかも初めて体験しているという知覚を与える. 記憶過程でシナプスの⾧期的促進がおこるメカニズム の詳細は不明. 情報の保管-記憶
  • 15. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 一度記憶が,脳内に保管されると. 将来的な脳の思考過程の一部となる. 思考過程で,新たな感覚体験と貯蔵された記憶と 比較 記憶は,重要な新しい感覚情報の選別に役立つ. 新たな感覚情報を,将来的な利用のために記憶 保管野に振り分けるか,即時的肉体反応を起こす ために運動野へ振り向けるのに役立つ. 情報の保管-記憶
  • 16. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 中枢神経系の機能の主要なレベル
  • 17. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 我々は,脊髄は単にその中を情報が上下する導管 のように推察しているが,事実とは異なる. 脊髄を頸部の高いレベルで切断した後も多くの組 織化された脊髄機能が残る. 例:1)歩行運動 2)痛みの基になる物質から体の部分を引っ込 める 3)重力に抗して体を支持するために足を硬くする 反射 4)局所の血管の制御,消化管運動,排尿など 上位中枢は,末梢組織に直接信号を送るのでは無く,脊髄 の制御センターが実行可能な指令をセンターに送る. 脊髄レベル
  • 18. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 殆どでは無いが,多くの無意識下の行動は,脳の下 位領域で制御されている. 下位領域 視床下部,視床,小脳,基底核 無意識下の血圧,呼吸の調節は主に延髄,橋で行われ ている. 平衡調節は,小脳の旧い部分と延髄,橋,中脳の網様 体部分との統合で行われている. 摂食反射(唾液,唇のなめる動作)は延髄,橋,中脳,扁 桃,視床下部 情緒(怒り,興奮,性的反応,疼痛反射,喜びに対する反 応などは大部分の大脳皮質を破壊しても起こりうる> 下位脳または皮質下レベル
  • 19. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 非常に大きな記憶貯蔵庫 単独で機能することはなく,下位中枢と関連して 機能する 脳皮質がないと,下位中枢の機能は,不正確に なりやすい. 思考過程では,大脳皮質が不可欠. 高次脳および大脳皮質
  • 20. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経系とコンピュータとの比較
  • 21. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 一般的なコンピュータのブロックダイアグラム 問題 入力 出力 中央 処理装置 計算 ユニット 解決のため の手順 初期 データ 演算 結果 解答 情報の 保管
  • 22. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 中枢神経系のシナプス
  • 23. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 主要な二つの型が存在 1. 化学的シナプス 2. 電気的シナプス シナプスの型
  • 24. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  人の中枢神経系の信号伝達に使用されるシナプ スの多くは,化学的シナプス  はじめのニューロンは,神経終末から神経伝達物 質を分泌し,これが次のニューロンの膜にある受容 体蛋白質に作用して,興奮,抑制,感受性の変調 をもたらす.  重要な神経伝達物質が50以上発見されている.  acetylcholine,norepinephrine,epinephrine, histamine,gamma-aminobutyric acid(GABA), glycine,serotonin,glutamate 化学的シナプス
  • 25. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 活動 電位 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 シナプス後 終末 ミトコンドリア ミトコンドリア シナプス 小胞 シナプス 小胞 神経伝達物質 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 代謝生成物 産生受容体 イオン イオン 二次 メッセンジャー 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 ミトコンドリア シナプス 小胞 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 イオン 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 化学的シナプスの生理学的解剖
  • 26. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 隣接する細胞の細胞質は,gap junctionと呼 ばれるイオンチャンネルの集団で,直接接続され, 一つの細胞の内部と次の細胞の内部との間で, イオンが自由に往来することが可能 内臓平滑筋で,一つの平滑筋繊維から次の繊 維に活動電位が伝達されたり,心筋の隣接する 心筋細胞からの活動電位の伝達などは,この gap junctionと同様の様式による. 電気的シナプス
  • 27. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 電気的シナプスの生理学的解剖 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス後 終末 細胞間間隙 (20-40Å)
  • 28. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 脳の多くのシナプスは,化学的シナプス 中枢神経系では,化学的シナプスと,電気的シ ナプスが混在し,相互作用している場合もある. 電気的シナプスの,双方向性伝達は,相互に連 結したニューロン群の活動を協調するのに役 立っている. 電気的シナプスは,相互に連結したニューロングルー プ内で,閾値未満の脱分極の同時発生を感知する のに有用で,ニューロンの感受性を増し,相互連結し たニューロン群の同期した興奮を促進することを可 能にする. 化学的,電気的シナプス
  • 29. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経伝達物質を分泌するpresynaptic neuronから,伝達物質が作用する postsynaptic neuronへ,一方向性に信号を 伝達する. 一方向性伝達は,特異的な目標に信号を向け るのに有用. 一方向性伝達により,神経系内および感覚,運動制 御,記憶,その他の機能など,無数の機能を遂行する 末梢神経端末などで個別の,高度に焦点が絞られ た領域に信号を伝達するのに有用. 化学的シナプスの一方向性伝達
  • 30. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプスの生理学的解剖 樹状突起 細胞体 Axon 脊髄前角の前運動ニューロン ♣ 細胞体soma:ニューロンの主 体 ♣ 一本のaxon:細胞体から伸 びて,脊髄を離れて末梢神経に 至る. ♣ 樹状突起dendrite:脊髄の 周囲に広がる1mmの枝分かれ した細胞体からの突起
  • 31. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 運動ニューロンの樹状突起,細胞体の表面には,1 万-20万個の小さなpresynaptic terminalと呼 ばれる瘤knobが存在する. 80-95%は,樹状突起上に存在 5-20%は,細胞体somaに存在 presynaptic terminalは,他の多くのニューロンに 端を発する神経線維の終端末で,多く は,postsynaptic neuronを興奮させる神経伝 達物質を分泌する. 他のpresynaptic terminalは,抑制性に作用す る神経伝達物質を分泌する. シナプスの生理学的解剖
  • 32. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 前角運動ニューロンと,他の脊髄部分や脳の ニューロンとは,以下の点で異なる. 1. 細胞体のサイズ 2. 樹状突起の⾧さ,サイズ,⾧さがゼロから何cmにも なる広範性 3. axonの⾧さ,サイズ 4. 数個から20万個に至るpresynaptic terminal の数 これらの違いから,神経系の異なる部分のニューロンは, 入力される信号に対して,異なる機能を発揮する. シナプスの生理学的解剖
  • 33. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 電顕上の形は様々だが,多くは小さな球形,卵 形の瘤knob状. terminal knob端末ノブ boutonボタン end-feet 端末足 synaptic knobシナプスノブ Presynaptic Terminals Gray’s Anatomy 40th ED. fig 3-7
  • 34. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 活動 電位 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 シナプス後 終末 ミトコンドリア ミトコンドリア シナプス 小胞 シナプス 小胞 神経伝達物質 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 代謝生成物 産生受容体 イオン イオン 二次 メッセンジャー 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 ミトコンドリア シナプス 小胞 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 イオン 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 化学的シナプスの生理学的解剖 ♣ シナプス前終末は,シナプ ス後終末と200-300Åのシ ナプス溝で隔てられている. ♣ 二つの重要な内部構造, 伝達物質小胞と mitochondriaが存在. ♣ 伝達物質が,シナプス後 ニューロンを興奮ないし抑 制. ♣ mitochondriaは,新たな 神経伝達物質を合成する ためのエネルギー源ATPを 提供
  • 35. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 活動 電位 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 シナプス後 終末 ミトコンドリア ミトコンドリア シナプス 小胞 シナプス 小胞 神経伝達物質 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 代謝生成物 産生受容体 イオン イオン 二次 メッセンジャー 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 ミトコンドリア シナプス 小胞 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 イオン 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 神経伝達物質の放出とCa2+ ♣ シナプス前膜には,多 数の電位型Caチャン ネル. ♣ 活動電位が,シナプス 前膜を脱分極すると,こ のCaチャンネルが開放 され,大量のCa2+が終 末内に流入. ♣ 流入したCa2+の数に 応じて,神経伝達物質 が溝に放出される.
  • 36. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 活動 電位 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 シナプス後 終末 ミトコンドリア ミトコンドリア シナプス 小胞 シナプス 小胞 神経伝達物質 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 代謝生成物 産生受容体 イオン イオン 二次 メッセンジャー 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 活動 電位 シナプス前 終末 シナプス溝 (200-300Å) シナプス後 終末 ミトコンドリア シナプス 小胞 神経伝達物質 代謝生成物 産生受容体 イオン 二次 メッセンジャー 細胞の反応: • 膜電位 • 生化学的カスケード • 遺伝子発現の調節 伝達物質の作用と受容体蛋白 ♣ シナプス後ニューロン の膜に,大量の受容体 蛋白が存在. ♣ 受容体蛋白質は,膜 から溝に突き出た結合 部分と細胞内部分か らなる. ♣ ionチャンネルの開放 は以下の2通り 1. 直接開放 (ionotropic receptor) 2. 2次メッセンジャー (metabotropic receptor)
  • 37. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  シナプス後ニューロン膜にあるイオンチャンネルは,通常二つの タイプがある. 1. cation チャンネル 開放されると,通常Naイオンが通過可.時にK+ and/or Ca2+も通過可となる. 興奮性伝達物質で開 放 2. anion チャンネル 主にCl-が通過.少量の他の陰イオンも通過. 抑制性 伝達性物質で開放  いずれのイオンチャンネルも,一種ないしそれ以上の特異的イオン に非常に選択的に動作.  選択性は,径,形,荷電状態,化学的結合状態による.  イオンチャンネルの開放は,msec.の何分の1以内におこり,伝達 物質が無くなると,同様に迅速に閉鎖される. イオンチャンネル
  • 38. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 記憶のような神経系の多くの機能は,最初の伝達 物質消失後も数秒から数ヶ月にわたってニューロン が変化し続ける必要がある. イオンチャンネルの場合,神経伝達物質がなくなる と数msec以内に,そのチャンネルが閉鎖されるため, シナプス後ニューロンを変化させ続けることに不向 きである. シナプス後ニューロン内の2ndメッセンジャーによる 化学的システムを活性化する事により,シナプス後 ニューロンの興奮,抑制の遷延効果が期待できる. 2nd メッセンジャーシステム
  • 39. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. よくある2ndmessenger system G 蛋白を使ったもの 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 ♣ 不活性のG蛋白複合体は,細胞質でfree ♣ guanosine diphosphate(GDP)と3つ の構成部分からなる. α(活性化部分),β,γ(αに付着) ♣ GDPと結合している限り,不活性
  • 40. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. よくある2ndmessenger system G 蛋白を使ったもの 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 1. 神経伝達物質により受容体が賦活化されると,受容体が構造変化を起こ し,G蛋白との結合部分を露出. 2. 受容体蛋白とG蛋白とが結合,αサブユニットがGDPを放出 し,guanosine triphosphate(GTP)と結合し,β,γサブユニットと分離. 3. 遊離したα-GTP複合体は,細胞質内でfreeとなり,複数の機能(①~④)を 発揮する.
  • 41. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプ別に4つの変化が起こる 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 1. シナプス後膜の特異的イオンチャンネルの開放. G蛋白に反 応してKチャンネルが開放; 2nd messengerを介さないイオン チャンネルの直接開放では直ちに閉鎖するのと異なり,この開放 は維持される.
  • 42. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプ別に4つの変化が起こる 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 2. 神経細胞のcAMPないしcGMPを活性化. cAMPにしろcGMPにしろ神経細胞において,高度に代謝上の機構を活性 化するため,細胞構造自体の⾧期的変化を含む多くの化学変化の一つを開 始し,神経細胞の⾧期的な興奮性を変化させる可能性がある.
  • 43. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプ別に4つの変化が起こる 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 3. 一つ以上の細胞内の酵素の活性 化. その酵素が,多くの特異的な化 学的機能をもたらす.
  • 44. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプ別に4つの変化が起こる 伝達物質 受容体 蛋白 カリウム チャンネル 膜 酵素 チャンネル 開放 酵素の 活性化 蛋白と 構造の変化 特異的な細胞内の 化学的活性化 G蛋白 遺伝子転写の 活性化 複数の細胞内 酵素の活性化 4. 遺伝子転写の活性化. 遺伝子の 転写は,神経細胞内で新たな蛋白を 産生する基になり,代謝機構とその 構造の変化の基になるため,2nd messenger systemの活性化の最 も重要な作用の一つ.
  • 45. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. αサブユニットに結合しているGTPが加水分解 されてGDPになると,G蛋白は不活化される. 1. β,γサブユニットと再結合 2. G蛋白複合体が,不活化状態に復帰  神経細胞の2nd Messenger systemの活 性化は,それがG蛋白型でも,その他の型でも, ⾧期間,応答特性を変更するために,極めて重 要. G蛋白の活性化,不活化
  • 46. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性受容体 1. シナプス後細胞内に,大量の,陽性に荷電したイオ ンの流入を許すNaチャンネルの開放. この動作に より,細胞内の膜電位を,興奮域値まで上昇. 興 奮を惹起するために広く使用されている方法. 2. ClないしKチャンネルの導電性を低下.この動作に より,陰性荷電したCl-イオンがシナプス後神経細 胞内に拡散するのを減少,あるいは陽性に荷電し たK+イオンが,細胞外に拡散するのを減少. その 他の場合には,細胞内の膜電位が,通常より陽性 となり,興奮性に作用する. シナプス後膜の興奮性,抑制性受容体
  • 47. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性受容体 3. シナプス後神経細胞の細胞内代謝が,様々に変 化して,細胞活性を興奮させ,場合によっては,興奮 性膜受容体の数を増し,抑制性の膜受容体の数 を減じる. シナプス後膜の興奮性,抑制性受容体
  • 48. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 抑制性受容体 1. シナプス後ニューロン膜のCl-イオンチャンネルの開 放. シナプス後ニューロンの外側にある陰性荷電 したCl-イオンを,細胞内に速やかに拡散させる. 結果的に,細胞内の陰性度が高まり,抑制的に作 用する. 2. 受容体酵素の活性化. 細胞内の代謝機能を抑 制し,抑制性シナプス受容体の数を増加し,興奮 性の受容体数を減じる. シナプス後膜の興奮性,抑制性受容体
  • 49. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 50種類以上の化学物質が,シナプス伝達物質として証 明ないし推定されている. シナプス伝達物質は,以下の二つのグループに分かれる. 1. 小分子,速効伝達物質 感覚器から脳への信号伝達,筋肉への応答伝達など 2. 比較的ゆっくり作用する,より大きな分子量の多数の神経 ペプチド ⾧期にわたる受容体数の変化,⾧期間のイオンチャンネルの 開放,閉鎖,シナプス数,サイズの変化 3. いくつかのガス分子 nitric oxide(NO),hydrogen sulfide(H2S), Carbon monoxide(CO) シナプス伝達物質として機能する化学物質
  • 50. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多くの場合,小分子量タイプの神経伝達物質は,シナプ ス前終末端の細胞質内で合成される. 能動輸送により,終末端内の多くの伝達物質小胞に吸 収される. シナプス前端末に活動電位が至る毎に,いくつかの伝達 物質小胞が,伝達物質をシナプス溝に放出する. この動作は,通常,1msec.以下の短時間に行われる. 次に起こる,小分子量伝達物質の,シナプス後膜受容体 に対する動作も,1msec.以内に達成される. 多くの場合は,イオンチャンネルの導電性の増加,減少作 用で,Na導電性を増せば興奮性,KないしClの導電性 増加は,抑制性に作用する. 小分子量,即効性伝達物質
  • 51. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 小分子量伝達物質を貯蔵,放出する小胞は, 持続的にリサイクルされ,繰り返し使用されてい る. 1. シナプス膜と癒合して,伝達物質を放出すべく壁が 開放される. 2. 当初,小胞の膜は,シナプス膜の一部になるが,数 秒から数分以内に,小胞部分の膜が陥凹してシナ プス前端末内にもどり,新たな小胞を形成. 3. 新たな小胞は,未だに相当量の酵素蛋白,移送蛋 白を内包していて,新たな伝達物質の合成,濃縮 が行われる. 小分子量伝達物質用小胞のリサイクル
  • 52. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Acetylcholine(Ach)は,合成,放出の原則に従う,典型 的な小分子量伝達物質 シナプス前端末で,合成酵素choline acetyltransferaseのもと, acetyl coenzyme Aと cholineから合成される. 特有の小胞に移送される. 小胞が,神経信号伝搬に伴いシナプス溝にAchを放出 すると,Achは,シナプス溝の腔にあるproteoglycan細 網にあるcholinesteraseのもと直ちにacetateと cholineに分かれる. シナプス前端末内では,再び小胞がリサイクルさ れ,cholineが能動的に返送され,新たなAchの合成に 使用される. Acetylcholine用小胞のリサイクル
  • 53. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 小分子,即効性伝達物質
  • 54. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 小分子,即効性伝達物質
  • 55. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Acetylcholine:多くの神経系で分泌されるが,以 下の部分から特異的に分泌される. 1. 運動皮質の大きな錐体細胞端末 2. 基底核のいくつかの異なるタイプの神経細胞 3. 骨格筋を支配している運動神経 4. 自律神経系の節前線維 5. 副交感神経系の節後線維 6. 交感神経系の節後線維の一部 多くの場合,Achは興奮性に作用するが,迷走神経が心 臓に抑制的に働くように,一部末梢性副交感神経終末で は抑制的に作用する. 重要な小分子量伝達物質
  • 56. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Norepinephrine:細胞体が脳幹ないし視床下部 に存在する多くのニューロンの端末から分泌される. 橋のlocus ceruleus青斑核にあるnorepinephrine 分泌ニューロンは,脳の広範に神経線維を送っていて, 全体の活動性,覚醒レベルの挙上など精神的なムード を制御するのに役だっている. おそらく,これらの領域の多くは,norepinephrineにより 興奮性受容体を活性化していると思われるが,一部抑 制的受容体を刺激している. 多くの交感神経系節後線維からも分泌されていて,ある 臓器には興奮性に,他の臓器には抑制性に作用してい る. 重要な小分子量伝達物質
  • 57. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Dopamine: substantia nigra黒質に端を発する神経細胞か ら分泌される. それらの神経細胞の終端は,主に基底核線状体付 近. 効果は,通常,抑制的. Glycine: 主に脊髄のシナプスで分泌. 常に抑制性に作用すると信じられている. 重要な小分子量伝達物質
  • 58. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Gamma-aminobutyric acid (GABA): 脊髄,小脳,基底核および多くの皮質の神経端末から 分泌 成人の中枢神経系の主要な抑制系神経伝達物質 胎生期,出生後最初の一週間など脳の発育初期で は,GABAが,興奮性神経伝達物質として作用すると考 えられている. Glutamate: CNSに入る多くの感覚神経の節前線維および大脳皮 質の節前線維から分泌される. おそらく常に興奮惹起性に作用. 重要な小分子量伝達物質
  • 59. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Serotonin: 脳幹の内側縫線核median rapheから分泌され,多く の脳,脊髄に放散するもので,特に脊髄の後角,視床下 部で放散. 脊髄の痛覚路の抑制;高位神経では,情緒の制御,睡 眠惹起に貢献. Nitric oxide: ⾧期の行動,記憶に関係する領域の神経端末で産生. 小胞に貯蔵されることなく,必要に応じて,即席に産生さ れ,シナプス後ニューロンに拡散 シナプス後ニューロンでは,膜電位を大きく変えることなく 数秒,数分あるいはさらに⾧時間にわたって神経の興奮 性を変えるように,細胞内の代謝機能を変化させる. 重要な小分子量伝達物質
  • 60. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチド,遅効性伝達物質,成⾧因子
  • 61. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチド,遅効性伝達物質,成⾧因子
  • 62. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチド,遅効性伝達物質,成⾧因子
  • 63. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチド,遅効性伝達物質,成⾧因子
  • 64. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体のリボゾームによって,大きな蛋白質分子の 不可分な部分として合成される. その蛋白質分子は,細胞体の小胞体内の空間に入り,続 いてゴルジ装置の内部に入り,そこで二つの変化が起こる.  第一に,その蛋白質が,酵素的に小さな断片に分割され,その 一部は神経ペプチド自体またはその前駆物質となる.  ゴルジ装置が,神経ペプチドを,細胞質に放出される微細な 伝達小胞に包み込む.  伝達小胞は,軸索細胞質の軸索の流れによって神経線維の 尖端まで輸送され,1日あたりわずか数cmの遅い速度で移 動する.  これらの小胞は,活動電位に応答して神経終末で伝達物質 を放出し,小胞は,自己消化を受けて再利用される. 神経ペプチド
  • 65. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 放出される神経ペプチドは,小分子量伝達物質よりは,は るかに少量 神経ペプチドは,小分子量伝達物質の1000倍以上の強 力な作用を持つことで少量であることを相殺. 神経ペプチドは,より⾧期間の作用を有する点も重要な 特徴.  Ca2+チャンネルの⾧期閉鎖  細胞の代謝機構の⾧期変化  細胞核内の特定の遺伝子の活性化または非活性化の⾧ 期変化  興奮性または抑制性受容体の数の⾧期変化 これらの影響のいくつかは数日間持続するが,他は数ヶ月,数年 持続する. 神経ペプチド
  • 66. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチドと小分子量伝達物質の混在 ♣ 神経ペプチドと小分子伝達物質が,同じ小胞に混在(co-localized) ♣ 活動電位の到来で,同時に放出される(co-released)
  • 67. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチドと小分子量伝達物質の混在 ♣ 異なる伝達物質は,別々の小胞に存在し,シグナル伝達は協調して行われる (co-transmission) ♣ Ca2+に対する感受性の違いから,放出は別々に行われる. 単発活 動電位 複数活 動電位
  • 68. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経ペプチドと小分子量伝達物質の混在 ♣ 小胞が,別々の離れたボタンに存在. ♣ 一つの情報が,異なるシナプス後神経に伝達される.
  • 69. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 伝達物質の放出と伝達が,同時に行われるには,重 要な機能的意味合いを持つ. 同じシナプス前ニューロンから放出される異なる伝 達物質は,自身特定の受容体を有していて,シナプ ス後標的に抑制性ないし興奮性の影響を与える 可能性がある. ニューロンが異なると,シナプス後受容体を直接活 性化する速効性物質と,2nd メッセンジャーカスケー ドの活性化と遺伝子発現のシナプス後変化を必 要とする遅効性伝達物質の様々な組み合わせが 放出される可能性がある. 神経ペプチドと小分子量伝達物質の混在
  • 70. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 例:脳幹にある縫線核でみられる. 縫線核のニューロンは,いくつかの脳領域に神経支 配を提供し,セロトニンとグルタメートを共放出co- releaseする事が可能 睡眠と覚醒のサイクルの重要な役割を果たしてい る. 2つの小分子量伝達物質の同時放出
  • 71. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経興奮時の電気的事象
  • 72. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体の静止膜電位 樹状突起 Axon小丘 ♣ 静止膜電位約-65mVの脊髄運動 ニューロンの細胞体 ♣ 他の大きな末梢神経,骨格筋細胞 の静止膜電位より,若干陰圧度が低 い. ♣ 陰圧度が低い分,興奮(脱分極)しや すい
  • 73. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体膜内外の濃度差 樹状突起 Axon小丘 ♣ Na+の細胞内外の濃度(142,14mEq/L) は,細胞膜にあるNaポンプによるもの. ♣ K+は,細胞内120,外4.5mEq/Lで,K+ポン プ(Na+-K+ポンプの半分)によるもの.
  • 74. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体膜内外のイオン濃度差 樹状突起 Axon小丘 ♣ Cl-は,細胞外で高く,細胞内で低い. 膜は,Cl-に対して透過性 があり弱いCl-ポンプが膜に存在するかもしれない. ♣ Cl-が,細胞内に少ない理由は,電位が-65mVであることで,陰 性電位が,陰性に荷電しているCl-を排除しているため.
  • 75. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. あるイオンの動きに抗する正確な電位 Nernst potential EMF(mV)=±61×log( 内側の濃度 外側の濃度 ) EMF:electromotive force(millivolts) 陽イオンに対して陰性 陰イオンに対して陽性 膜を介した電位差がイオンの動きを決定
  • 76. 5 Membrane Potentials and Action Potentials O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Na+を透過する膜の拡散電位 (陰イオン)ー 神経線維 (陰イオン)ー • Na+は,繊維外の濃度 が,繊維内の濃度より 高い. • Na+のみを透過すると 仮定 • Na+が,繊維内に拡散, 流入する結果,内側が 陽性に荷電する. • 数msec以内に膜電 位が高まりNa+の移 動が止む. • このときの膜電位は,哺 乳類の神経繊維で +61mV
  • 77. 5 Membrane Potentials and Action Potentials O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜を挟んであるイオンが拡散する量に対向する 拡散電位をNernst potential(Nernst電 位)と呼ぶ. Nernst電位は,膜の両側のイオン濃度の比で 決まる. 比が大きいほど,イオンが一定方向に拡散する 傾向が大きい. Nernstの式
  • 78. 5 Membrane Potentials and Action Potentials O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 正常体温37゜C(98.6゜F)で,一価のイオンの Nernst電位は, EMF(mV)=± ×log EMF;electromotive force Z;ionの電気的荷電(例えばK+なら+1) 通常,細胞外の液の電位は0. Nernst電位は,膜の内側の電位. 陰イオンが内から外へ拡散する場合は(+) 陽イオンが拡散する場合は(-) 膜の内側のK+濃度が,外側の10倍であれば, Nernst電位は -61mV Nernstの式
  • 79. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜の外側のNa+濃度142mEq/L,膜の内側の Na+濃度14mEq/L EMF=-61×log(14/142)=-61×log(0.098) =-61×(-1.00877)=+61mV 実際の膜電位は,+61mVではなく,-65mV. 従って,細胞内に漏入したNa+は,Naポンプによ り直ちに外部に排出され,ニューロン内部の電位 は,-65mVに維持されている. Na+に対するNernst potential
  • 80. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜の外側のK+濃度4.5mEq/L,膜の内側のK+ 濃度120mEq/L EMF=-61×log(120/4.5)=-61×log(26.67) =-61×1.426=-86.986mV 実際の電位-65mVより,Nernst電位-86.986 mVの方が,より陰性度が高い 細胞膜内のK+濃度が高いため,正味細胞外に 拡散する傾向があるが,持続的なK+ポンプによ る汲み入れ作用により拡散が妨げられている. K+に対するNernst potential
  • 81. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜の外側のCl-濃度107mEq/L,内側8mEq/L EMF=+61×log(8/107)=+61×log(0.07476) =+61×ｰ1.12629=-68.7mV EMF(ｰ68.7mV)は,実際の膜電位-65mVより わずかに陰性度が高い Cl-は,神経細胞内に漏入する傾向にあるが,能 動的Cl-ポンプにより,細胞外に汲み出されてい る. Cl-に対するNernst potential
  • 82. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 各イオンのNernst電位を記憶 どのイオンが,どの方向に拡散しているかを記憶 シナプスにおけるイオンチャンネルの活性化,不 活性化によるニューロンの興奮,抑制を理解す る上で重要 Na+,K+,Cl-のNernst電位
  • 83. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経細胞体の内部は,導電性に富んだ電解液, 細胞内液により満たされている. 神経細胞体の径は大きい(10-80μm)が,内部 の一部から他の部分への電導にほとんど抵抗 がない. ニューロンが,活動電位を伝達していない限り, 細胞体内の液の電位は,内部でほとんど一様に 変化する. この原則は,複数の源から,あるニューロンに入 る信号の”合計”上,重要な役割を演じる. 神経細胞体内の電位の一様な分布
  • 84. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプス後膜の興奮効果-興奮性シナプス後電位 静止ニューロン ♣ 興奮していないシナプス前端末と,静止ニューロン ♣ 細胞体内の静止膜電位は,いずれの場所でもｰ65mV
  • 85. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮状態のニューロン ♣ シナプス前端末が興奮性伝達物質を,端末と神経細胞体膜との間の溝に分泌. ♣ この伝達物質が,神経細胞体膜上にある興奮性受容体に作用して,Na+に対す る膜の透過性を亢進 ♣ Na+の濃度勾配が大きく,細胞内の陰性度が大きいためNa+は速やかに細胞内 に拡散 興奮ニューロン 軸索の最初の 区分 興奮性 活動電位の 拡散 Na+の 流入
  • 86. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮状態のニューロン ♣ 陽性に荷電したNa+が,速やかに細胞内に移動するため,静止膜電位の陰性度 を若干緩和. ♣ 静止膜電位は,-65mVから-45mVへ,陽性方向に増加.excitatory postsynaptic potential(EPSP)興奮性シナプス後電位 ♣ EPSPが,活動電位を誘発し,シナプス後ニューロンを興奮させる. 興奮ニューロン 軸索の最初の 区分 興奮性 活動電位の 拡散 Na+の 流入
  • 87. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性シナプス後電位EPSPが,陽性方向に十分 高まると,活動電位が開始される. 活動電位は,細胞体を離れる軸索の最初の部分 からはじまる. 細胞体の膜には,電位作動性Naチャンネルvoltage- gated sodium channelが少なく,EPSPが活動電位 誘発に必要な数のNaチャンネルを開放するのが困難 軸索の最初の部分の膜には,細胞体の7倍の電位作 動性Naチャンネルがあり,容易に活動電位を発生させら れる. 軸索の最初の部分では,活動電位誘発のためのEPSP は+10~+20mVであるのに対して,細胞体部分では +30~+40mV以上を要する. 軸索の最初の区分での活動電位発生
  • 88. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 一度活動電位が開始されると,軸索に沿って末 梢に伝達され,同時に細胞体にも後方伝達され る. 場合によっては,活動電位が樹状突起にまで伝 わるが,樹状突起も電位作動性Naチャンネルに 富んでいるわけではないため,全ての樹状突起 に伝わることはない. 軸索の最初の区分での活動電位発生
  • 89. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経抑制時の電気的事象
  • 90. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  抑制性シナプスは,おもにCl-チャンネルを開放  Cl-のNernst電位は,約-70mVで安静時静止膜電位の- 65mVより陰性.  Cl-チャンネルの開放は,陰性に荷電したCl-を細胞外液から 細胞内に移動させ,細胞内を正常よりさらに陰性にさせ- 70mVに至る.  K+チャンネルの開放は,陽性に荷電したK+を細胞外に移動さ せ,細胞内の膜電位をより陰性にさせる.  Cl-の流入,K+の流出はいずれも細胞内の陰性度をあげ hyperpolarization過分極状態にする.  膜電位が,正常よりさらに陰性化して,ニューロンは抑制状態 にある.  正常を超えた陰性度にあるときinhibitory postsynaptic potential(IPSP)抑制性シナプス後電位と呼ぶ. 抑制性シナプス後電位
  • 91. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 抑制状態にあるニューロン 抑制ニューロン ♣ 抑制性シナプスの活性化による膜電位の影響を示したもの ♣ Cl-の流入 and/or K+の流出により,膜電位が正常の-65mVから -70mVとより陰性に変化. ♣ 正常より5mV陰性で,IPSPは-5mVに相当し,シナプスを介した神経 信号の伝達を抑制.
  • 92. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプス前神経線維の外側に,抑制性物質を放出 することによる. 抑制性伝達物質は,多くの場合GABAで,陰性イ オンチャンネルを開放し,大量のCl-を端末繊維内に 拡散. Cl-の陰性荷電が,活動電位が到着した際に端末 繊維に流入する陽性に荷電したNa+の興奮性の 影響を無効にするため,シナプスの伝搬を抑制する. シナプス前抑制は,多くの感覚経路でおこる. 隣接した感覚神経では,お互いに抑制し合い,感覚 路の横の広がりや混合を最小にしている. シナプス前抑制
  • 93. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性シナプスが,前運動ニューロンを興奮させる と,ニューロンの膜のNa+に対する透過性は,1ｰ 2msecの間,非常に高まる. この短時間に,シナプス後運動ニューロンの内側に 十分量のNa+が拡散し,内部の電位を数mV高め てEPSP興奮性シナプス後電位を引き起こす. この上昇したEPSPは,その後の15msec.の間に, ゆっくり低下する. この時間は,陽性荷電イオンが 漏出するのに必要な時間で,その後に正常の静止 膜電位が再確立される. シナプス後電位の時間経過
  • 94. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 抑制性シナプス後電位IPSPでは,真逆の現象が おこる. 抑制性シナプスが1-2msec.の間K+,Cl-に対する透過 性を増しニューロン内の電位を正常よりさらに陰性に低 下させIPSP抑制性シナプス後電位を引き起こす. このIPSPは,約15msec.で消失する. 他の伝達物質では,シナプス後ニューロンの興奮な いし抑制をより⾧時間,すなわち数百msec,数秒, 数分,数時間にわたって引き起こす.とくに,ニューロ ペプチド伝達物質でおこる. シナプス後電位の時間経過
  • 95. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロン表面での単一のシナプス前端末の興 奮では,ニューロンの興奮は決して起きない. 単一の端末が放出する伝達物質では,通常EPSP は0.5~1mVを超えず,興奮に必要な10~20mVに は至らない. 通常,多くのシナプス前端末が同時に刺激を受 ける. これらの端末は,ニューロンの表面に広範 に広がっているが,その刺激は合算summateさ れ,ニューロンの興奮を惹起する(空間的合算 spatial summation) 発火の域値ｰニューロンの“空間的合算”
  • 96. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多数のシナプスが発火すると,活動電位に至る. 興奮性シナプス後 電位 活動電位 静 止 膜 電 位
  • 97. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 一つのシナプス前端末が1回放電すると,放出され た伝達物質は,膜のチャンネルを⾧くて1~2msec. 開放するが,シナプス後電位の変化は,チャンネルの 閉鎖後15msec.まで持続する. 同じチャンネルの2回目の開放は,シナプス後電位 をさらに高いレベルに上げることができる. より速い速度で刺激されると,シナプス後電位は,よ り高くなる. 一つのシナプス前端末から連続的に放電されると, 互いに相乗して,合算が生じる(一過性合算 temporal summation) シナプス前端末の連続的放電による“一過性合算”
  • 98. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. IPSP抑制性シナプス後電位は膜電位をより負 に下げる一方,EPSP興奮性シナプス後電位は 電位を上昇させるため,二つの効果は互いに,完 全に,あるいは部分的に無効化しあう. もし,一つのニューロンがEPSPにより刺激を受 けているときに,他からの抑制的信号が到達す ると,シナプス後電位を興奮域値以下に下げて, ニューロンの活性を消失させる. 抑制性と興奮性のシナプス後電位の同時合算
  • 99. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 合算されたシナプス後電位が興奮性で,ただ発 火の域値には到達していない場合facilitated 促進状態と呼ぶ. 別の興奮性信号が,そのニューロンに至ると容易に 興奮させることが出来る状態. 神経系の広範な信号が,大量のニューロンを促 進状態にし,それらのニューロンは他の源から発 せられたシグナルに迅速かつ容易に反応するこ とが可能. ニューロンの促進
  • 100. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 前運動ニューロンの樹状突起は,細胞体からあらゆ る方向に500~1000μm伸びていて,周囲の広範な 空間から信号を受け取ることが可能. このことは,多くの別々のシナプス前神経線維から の信号の合算をうける莫大な機会があることを意 味する. 前運動ニューロンのシナプス前端末の80~95%は, 樹状突起に終結しているのに対して,わずか5-20% が,ニューロンの細胞体に終結. よって,興奮の大部分は樹状突起を介して伝達さ れた信号による. ニューロンを興奮させる樹状突起の機能
  • 101. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 樹状突起の膜は,電位作動性Naチャンネルの 数が少なく活動電位の伝播は不可. 代わりにelectrotonic current電気緊張電流 を樹状突起から細胞体に伝播. このことは,活 動電位の発生ではなく,樹状突起内の液の中 でイオン伝導による電流の直接的広がりを意 味する. 多くの樹状突起は,活動電位を伝達出来ない
  • 102. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 樹状突起を刺激する興奮性,抑制性シナプス ♣ 左側の二つの樹状突起は,興奮 性シナプス ♣ 細胞体に近づくほどにEPSPは, 低下し消失する. ♣ 樹状突起が⾧く,膜が薄く,K+と Cl-を部分的に透過するため,電流 に対して“漏れやすい”ため. ♣ この膜電位の減少を,減少電導 とよぶ. ♣ 興奮性シナプスが細胞体から遠 いほど減少度合いが大きく,興奮 性のシグナルが細胞体に到達す る率が低い.
  • 103. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 樹状突起内の興奮,抑制の合算 ♣ 真ん中,上部の樹状突起は,興 奮性,抑制性両方のシナプスの刺 激を受けている. ♣ 先端は強いEPSPだが,細胞体 近位では二つの抑制性シナプス (I)が作用して過分極による興奮 性効果の消失を来している.
  • 104. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 樹状突起内の興奮,抑制の合算 ♣ axon起始部の抑制性シナプス (I). ♣ 通常活動電位が惹起される部 分で,直接的に域値を増して,強い 抑制効果を呈する.
  • 105. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプと,興奮状態レベルに対する反応 興奮状態(恣意的単位) 放電頻度/秒 域値 ♣ neuron1は,興奮域値が低い ♣ neuron3は,興奮域値が高い
  • 106. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプと,興奮状態レベルに対する反応 興奮状態(恣意的単位) 放電頻度/秒 域値 ♣ neuron2は,放電頻度が最も低い ♣ neuron3は,頻度が最も高い
  • 107. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ニューロンのタイプと,興奮状態レベルに対する反応 中枢神経系の一部のニューロンは、正常な興 奮状態でさえ閾値レベルを超えているため、継 続的に発火する. 発火の頻度は、通常、それらの興奮状態をさら に増加させることによってさらに増加させること が可能. ニューロンに抑制状態を重ねることで、周波数 を下げたり、発火を止めることが可能.  ニューロンが異なれば応答も異なり、興奮の域 値も異なり、放電の最大周波数も大きく異なる.
  • 108. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプス伝播の特徴
  • 109. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 興奮性のシナプスが,短時間に繰り返し刺激を 受けると,シナプス後ニューロンによる放電回数 は,当初非常に多いが,数msec.から数秒の後 には,次第に減少する-シナプス伝播の疲労 てんかん発作中の,脳の過剰な興奮性が最終的に 疲労により抑制され,発作が停止する. 疲労の発生は,過剰な神経活動に対する保護 メカニズム. シナプス伝播の疲労
  • 110. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 疲労のメカニズムは,主にシナプス前端末に貯蔵さ れている伝達物質の枯渇ないし部分的な枯渇に よる. 多くのニューロンの興奮性端末には,わずか約1万 回分の活動電位を起こすに足る興奮性伝達物質 が貯蔵されていてだけで,わずか数秒から数分の速 い刺激で,その伝達物質は枯渇する. 疲労の過程 1. 多くのシナプス後膜受容体の進行性の不活化 2. シナプス後神経細胞内のイオンの濃度異常が緩徐に 進展 シナプス伝播の疲労
  • 111. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多くのニューロンは,pHの変化に高い感受性を示す. アルカローシスは,神経興奮性を著明に亢進 pH7.4から7.8~8.0へ変化すると,脳神経の全てないし 一部の興奮性が増して癲癇発作を惹起する. 癲癇発作を合併している人では,短時間の過換気でも pHが上昇し,癲癇発作を誘発する. アシドーシスは,神経の活動性を,強く抑制 pH7.4から7.0に変化すると,昏睡状態になる. 重篤な糖尿病性アシドーシスないし尿毒症性アシドー シスでは,決まって昏睡に陥る. アシドーシス,アルカローシスとシナプス伝播
  • 112. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 神経の興奮性は,酸素の適切な供給に大きく 依存 わずか数秒の酸素供給停止で,いくつかの ニューロンの完全な興奮制定しを来す. 脳の血流が,3-7秒間一過性に遮断されると,人は 意識消失する. シナプス伝播と低酸素症
  • 113. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多くの薬剤が,神経の興奮性を増減する. caffeine,theophylline,theobromineは,それぞれ コーヒー,茶,ココアに含まれ,いずれも興奮の域値を下げ ることにより,神経の興奮性を増す. strychnineは,神経の興奮性を増す全ての薬剤の中 でも最もよく知られたものの一つ.  抑制性に働く伝達物質の作用を抑制.特に,脊髄にお けるglycineの作用を抑制. 著明な緊張性筋攣縮を誘発 多くの麻酔薬は,神経膜の興奮域値を増して,シナプシ ス伝播を減少. 多くは,脂溶性のため,神経細胞の膜の 物理的特性を変えて,興奮性物質に対する反応性を抑 制する. シナプス伝播と薬物
  • 114. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. シナプス伝播の次の過程で,時間が消費される. 1. シナプス前端末による伝達物質の放出 2. シナプス後神経細胞膜への伝達物質の拡散 3. 膜受容体に対する伝達物質の作用 4. 膜透過性を増加させる受容体の作用 5. Na+の内向き拡散が,活動電位誘発までEPSPを高 める過程. 多数の興奮性シナプスが,同時に刺激された場合 でも,これら全てのイベントが発生するのに必要な 臍胞時間は,シナプス遅延と呼ばれる約0.5msec. シナプスの遅延
  • 115. 46 Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 46章 神経系の機構,シナプスの基 本的機能および神経伝達物質 UNIT IX. 神経系:A.全体の原理と感覚の生理