生理学の基礎神経伝達と神経修飾.PDF

生理学の基礎：神経伝達と神経修飾 東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻・生体情報学研究室 岡 良隆 はじめに 今回の生理学若手サマースクールのテーマは「情動・感情の生理学的理解」である。情 動・感情と言うのは，我々がイメージする脳のハードウェアの働きからするともっともウ ェットなイメージの脳機能と言ってよいであろう。今回のテーマを理解するうえで生理学 の基礎としてお話しするには，情動とかかわりのあるドーパミンやセロトニンなどに関連 して「神経修飾」という概念を，「神経伝達」と言う概念と対比して解説するのがよいだ ろうと思い，今回のレクチャーを準備した。 「神経修飾」と言う概念は必ずしもはっきりとした定義のある生理学用語ではないかも しれないが，今回のレクチャーにおいては，まず，神経生理学の基礎として電気生理学的 な研究法の実際について簡単に紹介した後に，「神経伝達」について概説する。そして， 神経伝達に関わる分子的基盤を学びつつ，それと対比しながら「神経修飾」の概念につい て解説する。なお、神経生理学の基本的概念として最も重要なものは，おそらく「神経興 奮」と「神経伝達」であろうと思われ，神経伝達の理解には「神経興奮」の理解が必要不 可欠であるが，今回のレクチャーでは，時間の都合上，「神経興奮」については周知のこ ととして話を進めさせていただく。 電気生理学的研究法の実際と神経伝達 近代的な神経生理学の重要な概念である「神経興奮」と 「神経伝達」についての本格的 な研究は，1963 年にエックルス、ホジキン＆ハクスリーがノーベル医学生理学賞を受賞し たのに始まるといって過言で無いだろう。エックルスはガラス微小管をネコ脊髄の神経細 胞内に刺入して細胞内の電位を記録することにより，それまで神経は興奮するだけである と思われていた常識を覆す「抑制性シナプス伝達」が脊髄内に存在し，脊髄反射に際して 重要な働きをしていることを明らかにした。この研究を可能にしたのが，現在でも神経生 理学の重要な手法として用いられている「細胞内記録」である。まずこの方法について簡 単に解説してみよう。まず，1.5mm 程度の中空でフィラメントの入ったガラス管から，プ ラーと呼ばれる機械を用いて先端が 0.1 μm 程度に極めて細くなったガラス微小管を作成 して，これに２モル程度の高濃度のKCl などの電解質溶液を充填した電極を用いる（図 1 参照）。後述するパッチピペットに比べると，先端が 1/10 以下の細さであり，また，先端 に向かって糸を引くように細くなった形状を持つ電極である。3 次元方向にミクロン単位 で動きをコントロールできるマイクロマニピュレータと呼ばれる装置でこの電極を神経細 胞に近づけ，細胞表面に電極先端が接したことが確認できたら記録用増幅器のバズと呼ば れる回路を用いて電極先端を微妙に振動させることにより電極先端を細胞内に刺入する （図2 参照）。 細胞内に記録電極が刺入されると同時に細胞内が細胞外に対して約 60mV 程度負になる。 これを「静止膜電位」と言う。通常の細胞内記録用のアンプには，記録している神経細胞 に対して定電流刺激ができるような回路が備わっているので，この回路を用いて微弱な矩 形波を細胞に注入する。静止膜電位がさらに深くなる方向に（過分極方向と呼ぶ）電流刺 激すると矩形波が時間的に少しなまった形の電位応答しか得られないが、逆に 0mV に近づ く方向に（脱分極方向という）矩形波で刺激すると，刺激がある程度の強さになったとこ ろで、素早く大きく早く変化する「活動電位」と呼ばれる電位応答が得られる（図２左）。 刺激をさらに強くしても活動電位の大きさは変わらず、活動電位発生の頻度が高くなる。 このように、活動電位は「全か無か」の法則に従う。同様の方法を用いると、今回話題に するシナプスにおける神経伝達を研究するための「シナプス電位」を正確に記録すること もできる（図２右）。図２では２つの神経細胞の間に形成されたシナプスにおける電位変 化を記録するために、シナプス前細胞とシナプス後細胞にそれぞれ刺激電極、記録電極を 刺入している。シナプス前細胞の刺激電極から通電して細胞を十分に強く刺激すると、シ ナプ