神経回路
From Wikipedia, the free encyclopedia
初期の研究
神経ネットワークに関する初期の論述は、ハーバート・スペンサー『Principles of Psychology』第3版（1872年）、テオドール・マイネルト『Psychiatry』（1884年）、ウィリアム・ジェームズ『Principles of Psychology』（1890年）、ジークムント・フロイト『Project for a Scientific Psychology』（1895年執筆）に見出される[3]。ニューロン学習の最初の法則は、1949年にヘッブがヘッブの法則として記述した。すなわち、シナプス前活動とシナプス後活動のヘッブ的な対応付けは、シナプス結合の動的特性を実質的に変化させ、それによって信号伝達を促進したり抑制したりする。
1959年、神経科学者ウォーレン・マカロックとウォルター・ピッツは、神経ネットワークの処理に関する最初の研究を発表した[4]。彼らは、人工ニューロンのネットワークが論理的、算術的、記号的機能を実装できることを理論的に示した。その簡略化された生物学的ニューロンのモデルは、今日一般にパーセプトロンあるいは人工ニューロンと呼ばれる。これらの単純なモデルは、神経の加算（すなわち、シナプス後膜における電位が細胞体で加算される）を扱っていた。後のモデルは興奮性および抑制性のシナプス伝達も扱うようになった。
ニューロン間の接続
脳内におけるニューロンの接続は、人工ニューラルネットワークのコネクショニスト的神経計算モデルで用いられる人工ニューロンの接続よりもはるかに複雑である。ニューロン間の基本的な接続の種類はシナプスであり、化学的シナプスと電気的シナプスの両方が含まれる。
シナプスの形成により、ニューロンは何百万もの重複し相互連結する神経回路へと結合される。シナプス前タンパク質であるニューレキシンがこの過程の中心的な役割を担う[5]。
ニューロンが働く一つの原理は神経加算である――シナプス後膜におけるシナプス後電位は細胞体で加算される。軸索小丘におけるニューロンの脱分極が閾値を超えると活動電位が生じ、それが軸索を伝わって末端に到達し、他のニューロンへ信号を伝達する。興奮性および抑制性のシナプス伝達は、主として興奮性シナプス後電位 (EPSP) と抑制性シナプス後電位 (IPSP) によって実現される。
電気生理学的レベルでは、個々のシナプスの応答特性を変化させる様々な現象（シナプス可塑性と呼ばれる）や、個々のニューロンの応答特性を変化させる現象（内在的可塑性）が存在する。これらはしばしば短期可塑性と長期可塑性に分けられる。長期のシナプス可塑性は記憶の最も可能性の高い基盤としてしばしば主張される。通常「神経可塑性」という用語は、活動や経験によってもたらされる脳の変化を指す。
接続は時間的および空間的な特性を示す。時間的特性は、活動依存的に絶えず修正されるシナプス伝達の効率、すなわちスパイクタイミング依存可塑性を指す。いくつかの研究により、この伝達のシナプス効率はシナプス前ニューロンの活動に応じて短期的に増大（促通）または減少（抑制）することが観察されている。長期増強 (LTP) や長期抑圧 (LTD) によるシナプス効率の長期的変化の誘導は、興奮性シナプス後電位とシナプス後活動電位の開始の相対的タイミングに強く依存する。LTP は一連の活動電位によって誘導され、多様な生化学的応答を引き起こす。最終的には、これらの反応がシナプス後ニューロンの細胞膜における新しい受容体の発現を引き起こしたり、リン酸化を通じて既存の受容体の効率を増加させたりする。
活動電位が軸索の特定の部分を通過した後は、電位依存性ナトリウムチャネルの m ゲートが閉じるため、後方への活動電位の伝播（バックプロパゲーション）は生じない。これによって h ゲートの一過性の開口が細胞内ナトリウムイオン (Na+) 濃度を変化させることが妨げられ、細胞体方向への活動電位の発生が阻止される。ただし一部の細胞では、樹状突起の分岐を通じて神経バックプロパゲーションが生じ、シナプス可塑性や計算に重要な影響を及ぼす場合がある。
脳内のニューロンは、シナプス後の筋細胞の収縮を刺激するために神経筋接合部への単一の信号を必要とするが、脊髄では発火を生じさせるために少なくとも75個の求心性ニューロンが必要となる。この描像は、ニューロン間の時定数の変動によってさらに複雑になる――一部の細胞は他の細胞より広い時間帯にわたって EPSP を経験しうるからである。
発達中の脳のシナプスでは特にシナプス抑制が広く観察されているが、成体脳では促通に変化すると推測されている。
発達
神経接続は主にグリア細胞によって構築・維持される。グリア細胞の一種であるアストロサイトはシナプス形成への影響で示唆されている。ラットの網膜神経節細胞 (RGC) 培養においてアストロサイトの存在はシナプス成長を増加させ、アストロサイトがこの過程に寄与していることを示唆している。シナプスとアストロサイトの間のシグナルを通じて、神経回路の発達に伴いシナプスの数が調節される。加えて、それらは回路全体とシナプス自体のホメオスタシス的可塑性を維持するためのタンパク質を放出する[6]。
発達の臨界期における幼少期の逆境 (ELA) は回路網に影響を与えうる。複数の逆境的な人生イベントに晒された人々は、恐怖の知覚と認知を形成する接続性の変化を経る。ELA を経験しない人々と対比すると、扁桃体の体積が小さくなり、それが感情制御の問題と関連する可能性がある。また、若年期のストレスは、海馬・内側前頭前皮質 (mPFC)・眼窩前頭皮質 (OFC) の間に既に存在した接続を不可逆的に修正しうる。これらの脳領域間の相互作用は適切な認知機能に不可欠である。ELA は回路網を再構築することにより、通常のワーキングメモリ・学習記憶・その他の遂行機能に対するリスクをもたらす[7]。
回路の種類
神経回路の一例は、海馬における三シナプス回路である。もう一例は、視床下部と辺縁葉を結ぶパペッツ回路である。皮質-大脳基底核-視床-皮質ループにはいくつかの神経回路が含まれる。これらの回路は皮質・大脳基底核・視床の間で情報を運び、再び皮質へと戻す。大脳基底核内の最大の構造である線条体は、それ自身の内部マイクロ回路を持つとみなされている[8]。
脊髄内の神経回路にはセントラル・パターン・ジェネレータと呼ばれるものがあり、リズミカルな行動に関わる運動指令の制御を担う。リズミカルな行動には歩行、排尿、射精などがある。セントラル・パターン・ジェネレータは異なる脊髄介在ニューロンのグループから構成される[9]。
神経機能の広範な領域を担当する神経回路には、主に4つのタイプがある。発散回路、収束回路、リバーベレーション回路、および並列後放電回路である[10]。回路はまた、フィードフォワード興奮、フィードフォワード抑制、側方抑制、相互抑制の各形式に分類することもできる。発散回路と収束回路はフィードフォワード興奮の一種である。フィードフォワード興奮とは、ニューロン信号がとる伝達経路の様式を指す。それは情報の下流方向への転送を伴う[11]。
発散回路では、1つのニューロンが多数のシナプス後細胞とシナプスを形成する。それらの細胞のそれぞれがさらに多くの細胞とシナプスを形成する可能性があり、1つのニューロンが数千の細胞を刺激することが可能になる。これは、単一の運動ニューロンからの初期入力によって数千の筋線維が刺激される様に例示される[10]。収束回路では、多数の供給源からの入力が1つの出力に収束し、1つのニューロンまたはニューロン集団に作用する。このタイプの回路は、異なる供給源からの多数の入力に応じて適切な呼吸パターンを出力する脳幹の呼吸中枢に例示される[10]。
リバーベレーション回路は反復的な出力を生成する。あるニューロンから他のニューロンへの直線的な信号伝達の途中で、経路上のニューロンの1つが発火元のニューロンに信号を送り返すことがある。最初のニューロンが発火するたびに、経路下流の他のニューロンが再び発火して信号を送り返す。これによって最初のニューロンが再刺激されると同時に、伝達経路もその出力まで続いていく。結果として得られる反復パターンは、1つ以上のシナプスが機能しなくなるか、他の供給源からの抑制入力が停止させない限り継続する。このタイプのリバーベレーション回路は、呼吸筋に信号を送って吸気を引き起こす呼吸中枢に見出される。回路が抑制信号によって中断されると筋肉は弛緩し、呼気が生じる。このタイプの回路はてんかん発作に関与している可能性がある[10]。
並列後放電回路では、1つのニューロンが複数のニューロン鎖に入力する。各鎖は異なる数のニューロンで構成されるが、それらの信号は1つの出力ニューロンに収束する。回路内の各シナプスは信号を約0.5ミリ秒遅延させるため、シナプスが多いほど出力ニューロンまでの遅延が長くなる。入力が停止した後も、出力はしばらく発火し続ける。このタイプの回路には、リバーベレーション回路のようなフィードバックループはない。刺激停止後も継続する発火は「後放電」と呼ばれる。このタイプの回路は、特定の反射の反射弓に見出される[10]。
研究方法
神経回路とネットワークの活動を調査するために、様々な神経画像法技法が開発されている。脳の構造や機能を調査するための「脳スキャナ」または機能的神経画像法の利用は一般的であり、高解像度の画像により脳損傷をより良く評価するための単なる手段として、あるいは異なる脳領域の相対的活動を検査するために用いられる。そうした技術には、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI)、脳陽電子放射断層撮影 (脳PET)、CT スキャンなどがある。機能的神経画像法は、通常、被験者が特定の課題を行っている間に脳のスキャンを撮り、特定の脳領域の活性化がその課題とどのように関連するかを理解しようとするために、特定の脳画像技術を用いる。機能的神経画像法、特に fMRI では、神経活動と密接に関連する血行動態的活動を（BOLD 造影を用いて）測定する。PET、および脳波法 (EEG) も用いられる。
コネクショニストモデルは、表現・情報処理・信号伝達に関する種々の仮説の検証プラットフォームとして機能する。例えば人工ニューラルネットワークのようなモデルでのレージョン研究では、ネットワークがどう振る舞うかを見るためにノードの一部を意図的に破壊し、いくつかの細胞集合の働きに関する重要な洞察を得ることができる。同様に、神経学的疾患における神経伝達物質の機能不全（例えばパーキンソン病患者の大脳基底核におけるドーパミン）のシミュレーションから、特定の患者群で観察される認知欠損のパターンの背後にある機構への洞察が得られる。これらのモデルからの予測は患者において、あるいは薬理学的操作を通じて検証することができ、そうした研究は今度はモデルに情報を提供して、過程を反復的にする。
神経生物学におけるコネクショニスト的アプローチと単一細胞アプローチの現代的なバランスは、長期にわたる議論を経て達成された。1972年、バーロウは「単一ニューロン革命」を宣言した。すなわち、「我々の知覚は、圧倒的多数が沈黙している非常に大きな集団から選ばれた比較的少数のニューロンの活動によって引き起こされる」というものである[12]。このアプローチは、2年前に提唱されたおばあさん細胞の概念によって刺激された。バーロウはニューロン教義の「5つのドグマ」を定式化した。近年の「おばあさん細胞」やスパース符号化現象に関する研究は、これらの発想を発展・修正している[13]。単一細胞実験では、内側側頭葉（海馬とその周辺皮質）に頭蓋内電極を用いた。人工ニューラルネットワークへの応用を伴う測度集中理論（確率的分離定理）の近年の発展は、高次元の脳における小さな神経集合の予想外の有効性に数学的な根拠を与える[14]。
臨床的意義
ニューロンや神経ネットワークの変化によって引き起こされる神経回路の破綻は、精神疾患や神経変性疾患の病因となりうる。大脳基底核の修飾はパーキンソン病のような疾患としばしば関連している[15]。さらに、大脳基底核内に位置する黒質のドーパミン作動性ニューロンおよび線条体からの中型有棘ニューロンにおける樹状突起スパインの消失も見られる。カルシウムイメージングなどの方法により、ドーパミン受容体 D1 と D2 が樹状突起スパインの消失と形成の調節に関与していることが同定されている。ニューロンにおける樹状突起スパインの消失は、シナプス可塑性・学習・記憶発達・全般的な認知機能に負の影響を及ぼす[16]。
アルツハイマー病の初期段階および軽度認知障害の個人においては、シナプスの除去や典型的な樹状突起スパイン構造への変化が観察されている。樹状突起形態の異常には、神経突起への損傷とスパイン消失が含まれる。これは軸索まで及び、進行性の萎縮過程を引き起こしうる。β-セクレターゼ、γ-セクレターゼ、アミロイド斑などのアルツハイマー病関連タンパク質の発現水準の変動もまた、樹状突起スパイン密度を変化させる。これらのタンパク質への近接がさらに樹状突起の不同性に寄与する[16]。