脳細胞がどのように通信して人間が適応できるようにするか

コンテンツ

• キーポイント
• オリゴデンドロサイト前駆細胞
• オリゴデンドロサイト
• アストロサイト

キーポイント

• 脳の適応は、同期を維持しながら細胞に伝達されるニューラルネットワークのニーズに依存します。
• オリゴデンドロサイト前駆細胞は、神経活動の増加に応答するために神経線維と密接な関係を形成します。
• オリゴデンドロサイトは神経活動を監視し、脳の構造を変化させて神経信号を加速または減速します。
• アストロサイトは、ニューロンとオリゴデンドロサイトの間の中間コミュニケーターとして機能します。

適応性は、私たちの種の特徴である可能性があります。大きな脳、長い脚、道具を作る能力ではなく、急速に変化する環境で新しいスキルや行動をすばやく学ぶ能力です。適応性により、私たちはわずか60、000年前にアフリカを離れて以来、地球上のほぼすべての環境で繁栄し、生息することができました。

私たちの適応能力のほんの一例は、中枢神経系、またはCNSとして総称される脳と脊髄の組織に見られます。数百万年前に2種類の細胞の間に形成された関係から生まれた、CNSの動的なデュオ（軸索とミエリン）は、それに課せられた要求を満たすために急速に適応します。

ダイナミックデュオシリーズの第3弾です。パート1では、軸索とミエリンの関係がどのように脳の処理能力の向上を可能にするかについて話しました。パート2では、ミエリンがニューラルネットワークを調整する方法について説明しました。パート3では、ミエリンがニューラルネットワークのニーズにどのように適応するか、つまり必要な伝導速度の微調整が軸索からオリゴデンドロサイトにどのように伝達されるかについて説明します。これは適応性髄鞘形成と呼ばれるプロセスであり、CNS内の可塑性の一形態を表しています。

以下は、適応髄鞘形成の3つの提案されたメカニズムであり、それぞれがさまざまなレベルの実験的サポートを備えています。この分野での研究が進むにつれて、あるメカニズムへのサポートが増えても、必ずしも他のメカニズムの役割が否定されるわけではありません。生物学のすべてのものと同様に、それは厄介です。すべてのメカニズムが適応ミエリン変化をある程度サポートするように機能している可能性があります。そして、支配するメカニズムは、脳の状態や状況に応じて変化する可能性があります。

オリゴデンドロサイト前駆細胞

CNSでは、ミエリンはオリゴデンドロサイトによって産生されます。これらのタコのように見える細胞は軸索の管の間に寄り添い、それらの腕はそれらの中心体から離れて伸びて、長くて細い神経線維のセクションを同心円状に包みます。

オリゴデンドロサイトは、OPCとしても知られるオリゴデンドロサイト前駆細胞から発生します。 OPCはCNS全体に存在し、分化した後継者（オリゴデンドロサイト）と同様に、軸索に近接しています。

OPCは、シナプスと呼ばれる軸索と密接な関係を形成します。シナプスは、ニューロンからの電気信号が別の細胞に伝達される接合部です。ニューロン-ニューロンシナプスは最も広く知られており、最初に発見されました。ただし、ニューロンは他の脳細胞ともシナプスを形成します。軸索とOPCの間のシナプスはそのような例の1つです。

軸索-OPCシナプスは、グルタミン酸と呼ばれる神経伝達物質によって媒介されます。電気インパルスが軸索に沿って伝わると、カルシウムイオンが軸索とOPCの間の空間へのグルタメートの放出を引き起こします。 OPCの受容体は神経伝達物質に結合し、細胞の生存と新しいミエリンの形成に必要なタンパク質の産生を促進します。

以前は裸の軸索上の新しいミエリンは、電気インパルスがより速く伝わるのを可能にします。 OPCは、神経活動に応答し、ミエリンを生成するオリゴデンドロサイトに発達することにより、神経回路網の活性化された非常に活性な部分が伝導速度を上げることを可能にします。

オリゴデンドロサイト

一部のオリゴデンドロサイトでは、軸索-OPCシナプスは、細胞が成熟してミエリンを生成するときに持続します。この段階で、シナプス機構は軸索に最も近いミエリンの層に制限されます。

このシナプス（現在は軸索ミエリンシナプスと呼ばれています）は、ミエリン自体を主要な場所に配置して、ニューラルネットワークのニーズを監視および応答します。

神経活動はそれらの軸索からのグルタメートの放出を引き起こし、それはミエリンの内面の受容体に結合し、ミエリン内のカルシウム変動を引き起こします。

ミエリン内に存在するカルシウム感受性タンパク質は、電気インパルスをスピードアップするために追加のミエリンラップを促進することができます。または、同心円状のラップを一緒に保持しているタンパク質を分解することができるタンパク質をトリガーすることによって、インパルスを遅くすることができます。

アストロサイト

アストロサイトと呼ばれる別のタイプのグリア（非神経細胞）は、CNSダイナミックデュオがニューラルネットワークの変動するニーズに適応するのを助ける上で重要な役割を果たします。

OPCよりも繊維状のプロセスを持つオリゴデンドロサイトよりも星型であるアストロサイトは、ニューロンのすべての部分と接触しています。さらに、星状細胞はOPC、オリゴデンドロサイト、ミエリンに十分に近いため、それらの活性はこれらの細胞や構造に即座に影響を及ぼします。

神経活動は、星状細胞が作り出すタンパク質に影響を与えます。これらのタンパク質のいくつかは、PDGF、FGF、LIFなどのオリゴデンドロサイトへのOPCの発達を刺激することが知られているタンパク質である可能性があります。

これらの細胞はまた、活動的な脳領域への血流を増加させることにより、ミエリン生成に対するエネルギー障壁を取り除きます。

おそらく、適応性髄鞘形成において星状細胞が果たす最も直接的な役割は、ミエリン分解を防ぐタンパク質の産生と分泌によるものです。

テントを地面に固定して吹き飛ばさないようにするために杭が使用されているため、ミエリンの各層はタンパク質によって軸索に固定されています。プロテアーゼと呼ばれる分解タンパク質は、これらのタンパク質アンカーを切断し、ミエリンの層を剥ぎ取ることができます。

アストロサイトは、これらのプロテアーゼがミエリンを分解するのを防ぐ中和タンパク質を生成します。そして星状細胞は神経活動に応じてそれらを作り出します。

これは、ミエリンを微調整するための完璧なメカニズムです。ニューロンが非アクティブである場合（ニューラルネットワークの一部が単に使用されていないため、または適切に同期されていないため）、アストロサイトは刺激されて中和タンパク質を生成せず、プロテアーゼがミエリンを分解します。その結果、電気インパルスの速度が遅くなります。

活動的なニューロンは反対の効果を生み出します：星状細胞は中和タンパク質を生産するように刺激され、ミエリンの分解を防ぎ、その完全性を維持します。電気インパルス速度が維持されます。

Dutta DJ、Woo DH、Lee PR、Pajevic S、Bukalo O、Huffman WC、Wake H、Basser PJ、SheikhBahaei S、Lazarevic V、Smith JC、Fields RD（2018）結節周囲星状細胞によるミエリン構造と伝導速度の調節。 Proc Natl Acad Sci 115：11832–11837。

Hasel P etal。 （2017）ニューロンとニューロン活動は、アストロサイトの遺伝子発現を制御して、それらの発達と代謝を調節します。 Nat Commun 8：15132。

Lehmann N、Villringer A、Taubert M（2020）共局在化した白質の可塑性と脳血流の増加は、長期的な運動学習に対する有酸素運動の有益な効果を仲介します。 J Neurosci 40：2416–2429。

MacVicar BA、Newman EA（2015）脳内の血流の星状細胞調節。コールドスプリングハーバーパースペクトバイオル7。

Micu I、Plemel JR、Caprariello AV、Nave K-A、Stys PK（2018）軸索骨髄性神経伝達：中枢神経系における細胞シグナル伝達の新しいモード。 Nat Rev Neurosci 19：49–58。

Stadelmann C、Timmler S、Barrantes-Freer A、Simons M（2019）中枢神経系のミエリン：構造、機能、および病理学。 Physiol Rev 99：1381–1431。