脳は体重のわずか2%を占めます。体の活動をどのように制御するのでしょうか?

人類の最大の好奇心は、外にある広大な宇宙と、内なる精巧な脳を探求することです。

頭蓋腔内のこの神秘的な組織は、体重のわずか 2% を占めるに過ぎませんが、体内の酸素の 20% とグルコースの 25% を消費します。脳の成分の約80%は水で、水以外で最も豊富な物質は脂肪です。この小さな空間には、約 860 億個のニューロンと 846 億個のグリア細胞が存在します...

このような一連の数字で脳を説明するのは簡単そうに思えますが、単純な数字では、脳が私たちの呼吸、世界の認識、思考のすべてなど、私たちの日常の活動の多くを絶えず制御している様子を伝えることはできません。

ニューロンとは何ですか?

古代ギリシャの医師ガレノスは、脳と脊髄が化学物質の分泌物を通じて全身を制御していると信じていました。イタリアの科学者カミッロ・ゴルジが発明した銀染色技術によって、ニューロンの形態を顕微鏡で観察できるようになったのは、19 世紀になってからでした。この染色法はゴルジ染色と呼ばれます。もう一人のスペインの科学者、サンティアゴ・ラモン・イ・カハールは、ゴルジ染色法を用いて神経組織が個別の神経細胞で構成されていることを発見し、ニューロン理論の基礎を築きました。

興味深いことに、ゴルキーは1901年に第1回ノーベル生理学・医学賞にノミネートされましたが、カハールと共に受賞したのは1906年でした。ノーベル賞の歴史上、2人が同時に受賞したのはこれが初めてでした。

今日では、ニューロン理論は広く受け入れられています。ニューロンは脳の機能単位であると考えられており、細胞体と神経突起から構成される非対称で複雑な構造をしており、神経突起はさらに樹状突起と軸索に分かれています。

ニューロンの核は細胞体にあります。さらに、細胞体には他の細胞と同じ細胞器官が数多く含まれています。細胞体から伸びる神経突起は、ニューロンに特有の構造です。一般的に言えば、ニューロンの細胞体には多くの樹状突起がありますが、軸索は 1 つだけです。

樹状突起はニューロンの「アンテナ」のようなもので、情報入力を受け取るのに役立ちます。さらに、ニューロンは細胞体を通じて情報入力を受け取ることもできます。情報処理は一般的に細胞体内で行われます。軸索はニューロンの出力成分であり、軸索が細胞体から伸びる開始点は軸索丘と呼ばれます。軸索の伸びる部分の長さは大きく異なります。 （軸索の長さはニューロンの機能によって異なります。人体で最も長い軸索は坐骨神経にあり、長さは最大1メートルです）

軸索丘から伸びる軸索の始まりはニューロン上の信号伝導の開始点であり、軸索の終わりはニューロンが情報を出力する場所です。軸索の末端には複数の枝がある場合もあります。

ニューロンの細胞膜の内側と外側には、正電子と負電子の層が分布しています。静止状態（外部からの情報を受け取っていない状態）では、細胞内外のイオン分布が異なるため、細胞膜の内側と外側に電位差が生じ、細胞は分極状態になります。

全体的に、この膜電位は内部が負で、外部が正です。細胞外電位は通常 0 と定義されるため、細胞内電位は一般に -60mV∽-70mV となり、これはニューロンの静止膜電位と呼ばれます。

ニューロンが外部入力を受け取ると、膜の内側と外側のイオン勾配に変化が生じ、脱分極が起こります。膜の内側と外側の電位差が閾値を超えると、活動電位が発生します。

ニューロンの働き

初期の技術では、活動電位の発生を研究することは困難でした。英国の生理学者アラン・ホジキンとアンドリュー・ハクスリーは、直径約1.5mmのイカの巨大な軸索に電極を挿入して記録し、活動電位伝導メカニズムの理解を深めました。二人の研究者は1963年にノーベル生理学・医学賞を共同で受賞した。

活動電位の最大の特徴は、それが全か無かのイベントであるということです。つまり、活動電位をトリガーする電流が閾値を超えている限り、その大きさに関係なくその重要性は同じです。

さらに、活動電位の発生後、ニューロンは分極状態を取り戻し、過分極に達します。過分極から回復、休息までの期間は不応期と呼ばれます。不応期には、活動電位の発生閾値が上昇します（脱分極しにくくなります）。

ニューロン間のコミュニケーションはシナプスと呼ばれる構造に依存します。シナプス構造は、シナプス前膜、シナプス間隙、シナプス後膜から構成されます。シナプス前膜は軸索終末によって形成され、シナプス後膜は通常、樹状突起または細胞体によって形成され、シナプス間隙はこれら 2 つの間の細胞外空間を指します。

シナプスは化学シナプスと電気シナプスに分けられます。その中で、化学シナプスがより一般的です。シナプス前膜から放出された神経伝達物質はシナプス後膜上の受容体に結合し、ニューロン間の情報伝達を完了します。場合によっては、ドーパミン作動性ニューロンなど、放出される神経伝達物質の種類に応じてニューロンの種類を説明することもあります。

別の種類のシナプスである電気シナプスはそれほど一般的ではありませんが、すべての神経系に存在します。電気シナプスのシナプス前膜とシナプス後膜の間の距離は非常に近く、2 つの膜は膜上の対になったイオンチャネルを通じてイオン電流を伝達します。この情報伝達方法は非常に高速です。

写真はTuchong.comより

脳細胞のもう一つの大きなクラスはグリア細胞です。成熟した中枢神経系には、主にアストロサイト、オリゴデンドロサイト、ミクログリアの 3 種類のグリア細胞が含まれます。末梢神経系にはシュワン細胞と呼ばれる別の種類のグリア細胞も存在します。

そのうち最も多く存在するのは、ニューロンの間に存在するアストロサイトです。それらの非常に重要な機能の 1 つは、ニューロンの細胞外恒常性を調節することです。たとえば、シナプス間隙から余分な神経伝達物質を除去します。現時点では、アストロサイトの役割については包括的な理解が得られていません。いくつかの新たな研究では、アストロサイトはシナプス可塑性にも関連しており、記憶などの認知機能の調節に関与していることが示されています。

オリゴデンドロサイトの主な機能は、ニューロンの軸索の一部を包むミエリン鞘を形成することです。ミエリン鞘は脂質を豊富に含む絶縁層であり、活動電位が軸索上で素早く伝導されるのを助けます。

シュワン細胞の役割は、末梢神経系でミエリンを生成することです。

ミクログリアは中枢神経系の免疫細胞です。それらの主な機能は、脳の発達を調節し、神経系の恒常性を維持し、いくつかの免疫プロセスに参加することです。

この時点で、これら 2 つの主要なセルについて十分に理解しているはずです。もう一度復習しましょう。ニューロンは神経系の機能単位として、脳内で電気信号と化学信号の形で情報を伝達します。グリア細胞は神経系の発達過程を調節し、神経系の正常な機能の恒常性を維持します。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: NeuroReality

レビュー: タオ・ニン

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司