1.2 機能的神経解剖学
DARLENE S. MELCHITZKY, M.S., AND DAVID A. LEWIS, M.D.
人間の感情、認知、行動特性の幅広い範囲は、中枢神経系（CNS）全体に分布するニューロンネットワークにおける特定の活性化パターンの結果として生じます。これらの活性化パターンは、特定の脳構造間の接続によって媒介されます。したがって、精神障害に見られる感情、認知、行動プロセスの障害の神経生物学的基盤を理解するには、人間の脳におけるこれらの構造とその接続の機能的組織化を支配する主要原理を把握する必要があります。本章では、これらの解剖学的原理の一部をレビューし、精神障害に特に関連する神経系の機能回路においてそれらを説明します。
脳組織化の原理
細胞
人間の脳には約10¹¹個の神経細胞またはニューロンが含まれています。一般的に、ニューロンは形態学的に4つの領域から構成されています（図1.2-1）：
- 細胞体（ソーマ） – 核を含み、ニューロンの代謝中心と考えることができる
- 樹状突起 – 細胞体から生じ、広範囲に分岐し、他のニューロンからの入力の主要な受容域として機能する突起
- 軸索 – 細胞体の特殊化した部分（軸索小丘）から生じる単一の突起で、他のニューロンに情報を伝達する
- 軸索終末 – 軸索の末端近くの細かい分岐で、一般的に他のニューロンの樹状突起や細胞体と接触（シナプス）を形成し、神経伝達物質を放出し、ニューロン間コミュニケーションのメカニズムを提供する
人間の脳のほとんどのニューロンは、単一の軸索と複数の樹状突起を生じるという点で多極性と考えられています。異なる脳領域のニューロンには多数の分類体系がありますが、ほぼ全てのニューロンは投射ニューロンまたは局所回路ニューロンのいずれかと考えることができます。
投射ニューロンは長い軸索を持ち、末梢から脳へ（感覚ニューロン）、ある脳領域から別の脳領域へ、または脳から効果器官へ（運動ニューロン）情報を伝達します。対照的に、局所回路ニューロンまたは介在ニューロンは短い軸索を持ち、脳の明確な領域内で情報を処理します。
ニューロンは含有する神経伝達物質によっても分類できます。例えば、黒質のニューロンはしばしばドーパミン含有量によって分類されます。しかし、一部のニューロンは神経伝達に使用される複数の物質を含有する場合があります。解剖学的研究における神経伝達物質含有量によるニューロンの同定は、ニューロンの構造をその機能の特定の側面と関連付ける手段を提供します。しかし、神経伝達物質はニューロンの活動に定義された効果を持つ一方で、精神障害で障害されるような複雑な脳機能は、ニューロンアンサンブルの協調的活動によって媒介されます。したがって、行動、感情、認知状態に対する神経伝達物質（または神経伝達物質の作用を模倣または拮抗する薬理学的薬剤）の効果は、それらが影響する神経回路の文脈内で見る必要があります。
グリア細胞
ニューロンに加えて、脳には数種類のグリア細胞が含まれています（表1.2-1）。
アストロサイト
アストロサイトは最も多数のグリア細胞クラスで、原形質性または繊維性として分類されます。
原形質性アストロサイトは灰白質にのみ位置する大きな細胞で、多くの細かく精巧な突起を持ちます。対照的に、繊維性アストロサイトは複雑でない突起を持つより小さな細胞で、白質にのみ存在します。
原形質性アストロサイトは多くの機能を果たすことが実証されています：
- 血液脳関門の形成への参加
- シナプス間隙からのグルタミン酸とγ-アミノ酪酸（GABA）の除去
- 細胞外カリウム（K⁺）濃度の緩衝
ニューロンと血管との密接な接触は、原形質性アストロサイトがニューロンのエネルギー要求をサポートする可能性があることを示唆しています。例えば、エンドフィートと呼ばれる原形質性アストロサイトの特徴的な突起は、血管の基底膜を覆っています。これらのエンドフィートは血液からグルコースを抽出し、それを乳酸に変換してニューロンが取り込んでエネルギー基質として使用するために放出するようです。エンドフィートは脳血流の調節にも役割を果たす可能性があり、原形質性アストロサイトは神経血管橋と呼ばれています。
これらの調節機能に加えて、原形質性アストロサイトは2つの異なる方法でシナプス神経伝達に関与しています：
- 三者間シナプス – シナプス周囲アストロサイト突起は様々な神経伝達物質受容体を発現し、これらの受容体はシナプス前軸索終末からの神経伝達物質の放出によって刺激されます。活性化されたグリア細胞はその後、シナプス後ニューロンを刺激できるグリア伝達物質を放出します。この特徴により、アストロサイトはグルタミン酸性/興奮性およびGABA性/抑制性神経伝達の両方を調節できます。
- 構造的ネットワーク – 個々のアストロサイトの重複しないドメインを含むことが示されているアストロサイトの構造的ネットワークによって神経伝達が調節されます。海馬と大脳皮質では、個々のアストロサイトが独自のドメインを持ち、最も遠位の突起のみが隣接するアストロサイトの突起と交差しています。
繊維性アストロサイト
繊維性アストロサイトの細胞体は白質内に均等に分布し、原形質性アストロサイトとは異なり、その突起は重複します。一部の突起は血管、上衣細胞、軸索、ランヴィエ絞輪と接触するエンドフィートを形成します。繊維性アストロサイトは神経膠の伝統的な支持的役割を果たすようです。
オリゴデンドロサイトとシュワン細胞
それぞれCNSと末梢神経系に見られるオリゴデンドロサイトとシュワン細胞は、膜性突起を軸索の周りに密な螺旋状に巻きつける小さな細胞です。結果として生じるミエリン鞘は、軸索に沿った活動電位の伝導を促進します。衛星オリゴデンドロサイトは灰白質に優先的に見られ、その神経周囲の位置は、ニューロンを取り囲む環境の調節に関与している可能性があることを示唆しています。
ミクログリア
第3のグリア細胞クラスであるミクログリアは、マクロファージから派生し、歴史的にはニューロンの死と傷害から生じる残骸を除去する清掃者としてのみ機能すると考えられていました。しかし、過去10年間の研究により、ミクログリアは神経新生とシナプス機能も調節することが実証されています。例えば、ミクログリアは出生後発達中の樹状突起スパインのシナプス剪定に関与しています。さらに、ミクログリアはシナプス接続の状態を常に監視し、必要に応じて新しい情報を統合することによって、ニューロンネットワークの機能を調節する能力を持つ可能性があります。
精神障害におけるグリア細胞の変化
グリア細胞の変化は精神障害の病態生理に寄与する可能性があります。例えば、死後ヒト脳組織の立体学的研究により、統合失調症患者の背側前頭前皮質およびうつ病患者の膝下内側前頭前皮質におけるグリア細胞数の変化が明らかになっています。さらに、うつ病患者の前頭前皮質における脳血流の減少は、アストロサイトのエンドフィートによる血管被覆量の減少と関連している可能性があります。睡眠障害は多くの精神障害と併存する可能性があり、したがって正常な睡眠中のグリンパティック系を通じたニューロンおよびグリア老廃物の除去がこれらの障害で障害される可能性があります。統合失調症の推定感受性遺伝子の一部はグリア細胞で選択的に発現しますが、グリア細胞数の変化が疾患プロセスを反映するのか、疾患治療の結果なのかは依然として不明です。
