10. 神経伝達物質系
神経伝達物質とは、ニューロン（神経細胞）同士の間の情報伝達に関わる分子のことです。
これらは神経系が進化する以前から存在していた分子たちに由来します。
アセチルコリン、生体アミン（エピネフリン、ノルエピネフリン、ドーパミン、セロトニン）、アミノ酸系の伝達物質（グリシン、アデノシンなど）、酵素的に修飾されたアミノ酸（グルタミン酸、GABA）などがこれに含まれます。さらに、さまざまな神経ペプチドもまた、原生生物（プロトゾア）の中にすでに発見されています。
これらの分子の多くは、後に動物において、神経細胞間の化学的通信を担う重要な役割を持つようになりました。神経伝達物質は、シナプス前部（ニューロンの終末）にある小胞内に貯蔵され、電気的なインパルス（活動電位）が到達すると放出されます。
放出された神経伝達物質は、シナプス後部（次のニューロンの膜）にある受容体に結合し、そのニューロンの電気的な興奮性を変化させます。
一般的なルールとして、軸索—体細胞間シナプス（axon-to-soma synapse）の大部分は抑制性であり、軸索—樹状突起間シナプス（axon-to-dendrite synapse）は興奮性です。軸索—軸索間シナプス（axon-to-axon synapse）は二重に抑制的であり、したがって逆に興奮性を持ちます。
神経伝達物質の作用は、
- 再取り込み（reuptake）
- 分解酵素による分解
- 拡散
といったプロセスによって終結されます。
特に再取り込みは、神経伝達物質の無駄を防ぐために極めて重要なメカニズムです。なぜなら、神経伝達物質を合成するコストは生物にとって非常に高いからです。
いくつかの神経伝達物質は、イオンチャネル型受容体を活性化させ、短く鋭い活動電位を生じさせます（これを「イオントロピック受容体」と呼びます）。
一方、他の神経伝達物質は、代謝型受容体（メタボトロピック受容体）に結合し、よりゆっくりとした応答を引き起こします。
脊椎動物における脳内での主要な神経伝達物質の合成は、発生的に古い脳部位、つまり爬虫類脳と呼ばれる領域に存在する核内で行われます。
発生学的に見ると、神経伝達物質受容体の発現は早期に始まり、生後2～4ヶ月頃にピークに達します。その後、成人期にかけて、受容体の密度は減少していきます。
すべての皮質領域において、これは共通のパターンです。
以下では、主要な（知られている）神経伝達物質系について簡単に述べます。ただし、これはあくまで簡略化した説明に過ぎません。神経伝達物質として機能する可能性のある物質はまだ多数あり、未発見のものも多いのです。
また、神経伝達物質受容体の種類も非常に多様であり、ニューロンの表面には異なる種類の受容体が密集して存在していることも珍しくありません。
10.1. アセチルコリン
アセチルコリンを大量に産生する神経核は、主に基底前脳（basal forebrain）に位置しています。
この領域は、海馬、皮質の各種機能、および中脳における運動制御と視床下部機能を調節しています。
発生の過程では、基底前脳から出るコリン作動性投射系が、初期の胎児期（大脳皮質前運動領域）において、皮質全体へと広がっていきます。
アセチルコリンは、栄養素コリンとアセチルCoA（アセチル補酵素A）から合成されます。
これは、コリンアセチルトランスフェラーゼ（choline acetyltransferase）という酵素の働きによるものです。
アセチルコリンは、2種類の受容体に結合します。
- ニコチン受容体（nicotinic receptor）
- ムスカリン受容体（muscarinic receptor）
ニコチン受容体は主に骨格筋に存在し、収縮の制御に関与します。一方、ムスカリン受容体は、主に内臓副交感神経の活動を調節します。
基底前脳のニューロンは、アルツハイマー病の進行に伴って次第に変性していきます。
これが、記憶喪失（海馬萎縮に関連）や、注意、覚醒の障害などを引き起こします。
10.2. カテコールアミン
カテコールアミンは、アミノ酸チロシンから合成されます。
チロシンは、脳内でL-DOPAに変換され、これは血液脳関門を通過できます。
L-DOPAはさらに脱炭酸化反応によりドーパミンに変換され、そこからさらに水酸化反応によってノルエピネフリン（ノルアドレナリン）に変換されます。エピネフリン（アドレナリン）は、さらにノルエピネフリンから変換されます。ただし、エピネフリンは末梢でより重要であり、脳内ではそれほど重要ではありません。
発生学的には、脳幹における単アミンニューロン群（モノアミン系）は、胚発生初期に生成されます。
カテコールアミン受容体は、人間の脳内に広範に分布しており、いくつかの受容体サブタイプが異なる領域に分布しています。
たとえば、ノルエピネフリンはα1、α2受容体およびβ1～β3受容体に結合します。
ドーパミンは、5種類の異なるドーパミン受容体に結合し、それぞれ異なる機能を持ちます。
カテコールアミンの効果は、
- シナプス間隙への再取り込み
- COMT（カテコール-O-メチルトランスフェラーゼ）による分解
- MAO（モノアミン酸化酵素、MAO-AおよびMAO-B）による分解
によって終了します。
COMTとMAOはどちらも遺伝子にコードされているため、多型性（遺伝的バリエーション）が存在します。
アドレナリンとノルアドレナリンはそれぞれ、信号伝達に特有の利点と欠点を持っており、これらは進化的にバランスをとるようになっています。
アドレナリン系の速さは、カテコールアミンの放出速度を決定づける要因となっています。
ノルエピネフリン合成ニューロンは、脳幹の青斑核（locus coeruleus）に豊富に存在し、脳の広範な領域（新皮質、視床下部、脊髄など）へ投射しています。
ノルエピネフリンは、覚醒や注意機能の維持にとって極めて重要な神経伝達物質です。
また、生物個体の生理的反応性（external responsiveness）を高める作用もあります。
精神科疾患においては、ノルエピネフリンの機能不全が、たとえば注意欠陥・多動性障害（ADHD）、身体化障害、痛み閾値の低下、衝動性などに関与していると考えられています。
黒質緻密部（substantia nigra pars compacta）に集中しているドーパミン作動性ニューロンは、線条体（caudate nucleus）へと投射しています。
ドーパミンの欠乏は、パーキンソン病の原因となることが知られています。
また、腹側被蓋野（ventral tegmental area, VTA）と呼ばれる領域にも、ドーパミン作動性ニューロンは豊富に存在しています。
このニューロン群は、辺縁系構造（limbic structures）および大脳皮質（cortical areas）に投射しており、二つの主な経路を形成しています。
- 中脳辺縁系経路（mesolimbic pathway）
- 中脳皮質経路（mesocortical pathway）
中脳辺縁系経路は、動機づけ行動（motivated behavior）にとって非常に重要です。
この経路においてドーパミンのターンオーバー（代謝回転率）が増加すると、報酬を受け取ることへの期待が高まります。
一方、報酬が予期されなかったり、得られなかった場合には、ドーパミンの活動は低下します。
このようにして、ドーパミン経路は報酬予測に関与しているのです。
運動機能に関しては、ドーパミンは運動皮質（motor cortex）にまで投射しています。
前頭皮質（frontal cortex）でのドーパミン活性の低下は、注意力の低下を引き起こす可能性があります。
また、ドーパミン活性が過剰である場合には、反復的で目的のない行動（stereotyped behaviors）を生じることがあります。
これらの行動は、しばしば薬物依存（drug-induced states）の一部として観察されます。
中脳辺縁系経路のドーパミン過剰は、陽性症状（positive symptoms）の発症、すなわち幻覚や妄想といった症状に関与していると考えられています。
一方、ドーパミン活性の機能的な低下は、統合失調症（schizophrenia）の陰性症状や認知機能障害に関連している可能性があります。
ポイントまとめ（斜体字部分）
ポイント1
「アセチルコリンの起源とアルツハイマー病」
- アセチルコリンは栄養素コリンとアセチルCoAから合成される。
- 基底前脳に存在するニューロンの変性がアルツハイマー病の原因のひとつ。
ポイント2
「カテコールアミンと神経疾患」
- カテコールアミン（ドーパミン、ノルエピネフリンなど）はアミノ酸チロシン由来であり、COMTとMAOによって分解される。
- パーキンソン病ではドーパミン減少、ADHDではノルエピネフリン機能低下が関連している。
