神経伝達物質

神経伝達物質は、中枢神経と末梢神経で、異なります。

まずは、末梢神経について、考えます。

末梢神経での伝達物質

末梢神経としては、運動神経、交感神経と副交感神経を考えてみます。

アセチルコリンという物質が、大きな役割を果たしています。

運動神経は、筋肉を動かすとき、神経末端と筋肉が接する部分、つまり、神経筋接合部で、アセチルコリンを放出します。

交感神経と副交感神経では、節前線維でアセチルコリンがすべて働き、汗の分泌に関係する交感神経の節後神経のみで、ノルエピネフリンが放出されます。これ以外の交感神経の節後神経では、アセチルコリンが放出されます。

 

 

 

次に、感覚神経です。これも、末梢神経です。

感覚器、つまり、皮膚で痛い、熱い冷たい、触るなど、眼で見ること、耳で聞くなど感じる方法は、様々で、伝達物資もいろいろあります。

例えば、皮膚では以下の図のように、感覚器がいくつもあります。

 

参照元:https://www.kango-roo.com/learning/2411/

 

 

 

 

 

 

感覚器で感じた刺激によって、感覚神経内では、活動電位が発生し、伝導していきます。

感覚神経が脊髄に連絡しシナプスを作り、シナプスを介して脊髄内の神経線維(2次ニューロンといいます)が脳まで上がり、各所の脳で感覚を感じるようになります。このシナプスでは、伝達物質が放出されます。

下のアニメは、痛覚神経をあらわしています。脊髄内のシナプスで、放出される神経伝達物質は

グルタミン酸です。

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それでは、アセチルコリンがどのように、シナプスで活躍しているかを見てみます。運動神経でみてみます。

下のアニメは、シナプスの前にあるニューロンを表しています。

 

アセチルコリンは、シナプス前ニューロンで、袋(小胞)の中に赤くあらわしたものとして、蓄えられています。

まずは、活動電位がこの神経終末部に、伝導の仕組みで、伝わってきます。赤い矢印です。

神経終末の膜に、活動電位が伝わると膜が脱分極します。

膜にある電位依存性Caチャネルは、脱分極により、開きます

Ca+イオンが濃度勾配に従って、神経終末内に流入します。

神経終末内のCa+イオン濃度が上昇することで、シナプス小胞がシナプス前膜にくっつき、アセチルコリンがシナプス間隙に放出されます。

アセチルコリンがシナプス後膜にある神経伝達物質受容体にくっつくことで、受容体が活性化し、シナプス後膜のイオン透過性がかわり、膜電位もかわります

このシナプスで、

活動電位という電気的信号が、アセチルコリンという化学信号に変換され、再び、電気信号に変わっています。

 

地球上に生きる生物の為せる技でしょう。地球という自然の産物です。

 

 

この写真は、シナプスの前後の神経、神経終末にある小胞などを表しています。

掲載元:http://www.nips.ac.jp/sp/release/2018/02/post_358.html

自然科学研究機構 生理学研究所

 

 

 

 

 

 

次に、シナプス小胞は再利用されます。つまり、放出されたアセチルコリンを、再び貯蔵することで、再利用します。

シナプス小胞が、神経終末部の細胞膜にくっつき、アセチルコリンを放出後、

小胞は、速やかに細部内に回収されます。

つまり、蛇のようにのびた物体(エンドソーム)に、小胞が取り込まれます。

エンドソームから、新たなシナプス小胞が出がします。

ここに、アセチルコリンが充填され、貯蔵されます。

このように、運動神経では、単純に、一つの神経に対して、一つの筋肉繊維が対応し、動きます。

つまり、動かすことが多いわけです。

末梢神経での伝導は、おおむね、興奮性の伝導

 

 

 

 

 

しかし、一部には、アセチルコリンは、ニコチン受容体に結合するとシナプス後細胞を興奮させますが、ムスカリン受容体はサブタイプによって興奮作用を示すものと抑制作用を示すものがあります。

また、末梢神経系で、抑制的に働くことことがありますスムーズな反射に必要なことです。

下のアニメでは、膝小僧を叩いた時、足が伸びます。これを膝蓋腱反射といいます。

伸筋の筋紡錘が筋肉に叩かれた刺激を感知し、感覚神経の刺激は脊髄内で運動神経に伝わります。脊髄内で、感覚神経の刺激は、すぐに、運動神経に伝わります。これは、シナプスがひとつのため、単シナプス反射です。

伸筋だけを動かすことができても、足には、屈筋があります。伸筋が緊張し、足が伸びればいいのですが、屈筋の緊張があると、うまくいきません。

そこで、屈筋に、動かないように、指示を出します。そのためには、脊髄内介在神経なるものが、間に入り、屈筋の収縮を抑制するようにします。

アニメを見てください。

それでは、中枢神経ではどうでしょうか。

3つの特徴

1)末梢神経と異なり、1つのニューロンにたいして、多数のニューロンがシナプス結合し、信号を送っています。

 

2)神経伝達物質が多数。

様々な伝達物質に対し、複数の種類の受容体があります。同じ神経伝達物質でも、受容体の種類が違うと、異なる応答を起こします。          

3)興奮性と抑制性のシナプス伝達が存在します。

興奮性は、シナプス後の神経が興奮し、筋肉が収縮するように、受容体の部位が大きく反応します。抑制性シナプスでは、興奮している状態から、沈める方向に動きます。

ここで、

興奮性伝達物質と興奮性ニューロンの分布

約60種以上の神経伝達物質があるようです。小分子と神経ペプチドの2種に大別されます。

小分子伝達物質は以下の図に表しました。いずれも、シナプス前神経終末で合成され、小型のシナプス小胞に蓄えられます。シナプス後細胞への左葉は顕著で、短時間で発生し作用時間は短いです。

神経ペプチドは50種類以上で、いずれもニューロンの細胞体で合成されます。軸索輸送によって神経終末に運ばれ、大型のシナプス小胞に蓄えられます。低濃度でシナプス後細胞に作用し、作用時間は長く持続し、主に調節的な働きをするようです。





末梢神経系
アセチルコリン 運動神経、交感神経節前線維副交感神経
ノルアドレナリン 交感神経節後線維
中枢神経系
グルタミン酸 中枢神経全般
(以下は脳の広範囲に投射し、神経機能を調節)
アセチルコリン 前脳基底部中脳橋被蓋
ドーパミン 黒質緻密部、中脳腹側被蓋野など
ノルアドレナリン 青斑核外側被蓋
アドレナリン 孤束核、背側縫線核
セロトニン 縫線核

抑制性伝達物質とは何でしょうか

代表的なものは、GABAとグリシンです。GABAは、γ-アミノ酪酸 (γ-aminobutyric acid, GABA)のことです。イモなどの植物に含まれるアミノ酸として古くから知られているようです。

左の図は、人間の体でのTCAという代謝回路です。ケトグルタル酸からグルタミン酸ができ、GADという酵素の作用を受けてGABAが合成されます。大脳皮質では約20%の神経細胞がGABAを伝達物質としてもつGABA作動性抑制性神経細胞です。

 

 

 

 

次に、グリシンです。

体を構成しているアミノ酸は全部で20種類あります。 体内で作ることが出来ず食事などから摂る必要のある「必須アミノ酸」9種類と 体内で作ることの出来る「非必須アミノ酸」が11種類ありますが、そのうちで、グリシンは最も構造が単純なアミノ酸です。

抑制できる機序とは

以前から話しているように、神経が興奮する電気的な変化とは、活動電位が発生することです。つまり、分極していた静止膜電位が脱分極します。

つまり、分極から脱することですね。

 

               興奮≒脱分極

 

それでは、興奮の反対の抑制とは、どうなればいいでしょうか。

過分極です。さらに、分極が大きくなれば、いいでしょう。活動電位ができません。つまり、活動電位が伝導していきません。

               抑制≒過分極

 

シナプス後膜においてClイオン透過性を上昇させ細胞膜内をマイナスイオンでいっぱいにすることで過分極させます。

左の図のように、シナプス前終末で、 産生されたGABAもしくはグリシンが分泌され、シナプス後膜の受容体にくっ付き、細胞外のクロールイオン(マイナスイオン)が細胞内にはいれば、脱分極がさらに、大きくなります。

 

 

ほかには、シャント効果により膜電位の伝播を抑制するものもあるようです。 <

参照元:https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E6%8A%91%E5%88%B6%E6%80%A7%E3%82%B7%E3%83%8A%E3%83%97%E3%82%B9

大脳皮質では約20%の神経細胞がGABAを伝達物質としてもつGABA作動性抑制性神経細胞です。中枢神経系においてはGABA作動性神経細胞が広範囲に存在しており、グリシン作動性神経細胞は主に脳幹部及び脊髄に存在しているようです。

私的なコメント

シナプスと呼ばれる連絡部分ですが、このシナプスの間隔は、20〜30ナノメートルしかありません。(ナノは10億分の1)
わずかなすき間のシナプス間を、電気シグナルで飛びこえることはできず、化学シグナルとして、情報を伝えています。

なぜ、人間という生物の場合、シナプスなしの電気シグナルのままで伝えないのでしょうか。

 

もし、シナプスという小さなすき間がない場合、電気シグナルで情報は一気に脳全体に均等に同じように伝わったと思います。今まで見てきたように、脳は、その各部分で高度な機能を発揮しています。もし、均等に情報が伝わるならば、単一の反応になり豊かで幅広く考えることはできなかったでしょう。脳の色々な場所で活動している神経伝達物質はおよそ100数種らしいです。はっきりと確認されているものは、およそ25種類ですが、さまざまな神経伝達物質が存在し、様々な場所で様々な作用を発揮したことで、人間の脳は進化したと思います。約700万年の時間をかけて、記憶と学習という作業が確立するように、シナプスも進化したのでしょう。

 

一口メモ

脳全体の神経細胞から出ている軸索や樹状突起をすべてつなげると、100万kmもの長さになるそうです。

シナプスは細胞ひとつにつき100個から10万個、平均して1万個ほど存在しているらしいです。

脳には神経細胞のほかに「グリア細胞」があり、神経細胞に栄養を運ぶなどの役割をもち、その数は神経細胞の10倍以上。

米国の科学雑誌『サイエンティフィック・アメリカン』は、脳のメモリの記憶容量は2.5ペタバイト(1ペタバイト=100万ギガバイト)あると推測しています。

脳の消費電力は約20ワット(薄暗い電球程度)。これはスーパーコンピュータの約5万分の1。

脳の活動のエネルギー源はブドウ糖

エネルギー源のブドウ糖を体にグリコーゲンとして蓄えておけるのは約8時間

脳で消費されるエネルギーは成人男子で1日約500kcal。体全体の消費エネルギーの20%にあたります。

脳には体全体に流れる血液量の約15%が運ばれ、全身の酸素量の約20%を消費しています。

人間の脳の質量は体重の2%程度

脳の重さは成人男性1350〜1500g、女性1200〜1250g

アインシュタインの脳は1230gで成人男性の平均よりも少ない

ゾウの脳の重さは約4700g。マッコウクジラの脳は9000gほどもある

動物知性の指標として、全体重のうち脳の重さが占める割合を示す数値を「脳化指数」といいます。

脳化指数は、ヒト0.89、イルカ0.64、チンパンジー0.3、ゾウ0.22、カラス0.16、イヌ0.14、ネコ0.12

「人間の脳は10%しか使われていない」という説は迷信。脳は常にフル活動しています。

昆虫や甲殻類などの無脊椎動物は脳を持っていません。

脊椎動物の脳は、どの生物でも基本構造は脳幹、小脳、大脳で同じ。違うのはそれぞれの大きさです。

普通の健康的な脳には約2000億個の神経細胞があり、その神経細胞は数百兆個のシナプスによってつながっている。それぞれのシナプスはマイクロプロセッサのような働きをし、数万個のシナプスは1つのニューロンをほかの神経細胞につなぐことができる。大脳皮質だけでも、約125兆個のシナプスがある。これは1500個の銀河系を満たす星の数に匹敵する。

1つのシナプスは、それ単体でただのオン/オフスイッチというより、記憶装置と情報処理の両要素を伴うマイクロプロセッサとして機能しているようです。。そしてシナプス1つで、分子レベルの極小サイズのスイッチを1000個程度持っている可能性があります。1つの人間の脳が持つスイッチの数は、地球上にあるすべてのコンピュータやルータ、そしてインターネット接続よりも多いようです。