2016.1.21

経験や学習による高度化

電気通信大学講義

運動・言語

感覚器

脳機能発現におけるグリア細胞の役割

外部への出力外部からの入力

自己組織化
Self organization

工藤佳久

東京薬科大学・名誉教授

大切なのは神経同士のつながり「シナプス」の数だ

脳力の可能性ニューロンの数 約1000億個 （1011）
一つのニューロン上のシナプスの数

約10000個 （104）

神経伝達物質の種類 約20種 2×10受容体の種類

Axon

約100種類102

組み合わせ 1011 × 104 × 2 × 10 × 102 = 2 X 1018

さらに可塑性をかけると、∞ !!

大脳皮質のNeuron network

1Until the end of the 20th century

脳の機能はニューロンの研究で解明できる

NeuronGlia

Blood vessel

Neuron centric concept
Major components in the brain

Rudolf Virchow (1821-1902)

この空間は何だ？

1856年頃Virchowが顕微鏡で見たであろう脳の組織
新潟大学名誉教授・生田先生より

2

Rudolf Virchow: brain contains glial cells (1858)

Nerven kitte （Nerve cement)
Text and Pictures

Neuroglue

Neuroglia

神経糊 神経セメントGlia

細胞病理学（1858）

Glial cell （膠細胞） 膠（ニカワ）Golgi染色法が脳科学研究を加速した！

Otto Deiters:

カルミン酸色素

海馬のニューロン
Golgiによる染色
Camillo Golgi (1843-1926)

網状神経説(1871)
Golgiによるオリゴデンドログリアの発見(1834 – 1863)

1860

A

B

脳内でのグリア細胞の形を初めて認めた（ダイテルス細胞）
M. Von Lennhossek （1863-1937）(アストロサイトと命名）

3

Rio-Hortegaが脳にアメーバ型の細胞を発見
Satiago Ramon y Cajal

海馬のニューロン(1852-1934)

ゴルジの網状説を否定（神経単位説）アストロサイト

Rio-Hortega (1882-1945)

Microglia
Satiago Ramon y Cajal は自分の教科書に“Astrocyte”という言葉を初めて使った(1909)

Rio-Hortegaが1919年に脳内に存在するオリゴデンドログリアと伴にミクログリアを発見

海馬の神経回路が推理されている
破門

Pio Del Rio Hortega (1882-1945)

不仲
Saniago Ramon y Cajal(1852-1934)
1906年ノーベル生理学賞
Camillo Golgi (1843 -1926)

Cajal
この図にはグリア細胞は一切含まれていない

4

Major glial cells visualized by different methods

オリゴデンドロサイト

12

ヒトが歩く速さ (1 m/sec: 3Km/hr)

無髄神経線維Astrocyte (Goldi stained)

新幹線の速さMicroglia (GFP)

100m/sec (360Km/hr)

有髄神経線維7?
これらのグリア細胞は何のためにあるのだ？

Oligodendrocyte (LY)

ミクログリアオリゴデンドロサイトは神経軸索における活動電位の伝達効率を高める

アストロサイトNo dynamic activities !

Electrode

末梢運動神経軸策切断後、運動ニューロン細胞体の周囲に集まるミクログリア
障害を受けた神経細胞の除去

Kuffler, Nicholls,Orkand
J.Neurophysiology 29:768-787(1966)
Resting membrane potential (about -90 mV)

深い静止膜電位を持つが通電してもダイナミックな変化なし
電気生理学的には全く無反応である。

5

アストロサイト （アストログリア）
Astrocyte (Astroglia )グリア細胞にとって暗黒の時代が続いた
発見以来100年以上
しかし、地道な研究は続けられていたNeurochemistry (神経化学）
GFAP (Glial fibrillary acidic protein)

ヨーロッパグリア会議(ユーログリア）のロゴの抗体を使って染め出したアストログリア

Classic features of astrocyteMaintenance of brain structure
Blood brain barrier
Energy metabolism
bloodHomeostasis
vesselDisposition of neurotransmitters
Repairing of brain damage
GlucoseGlutamine
GliosisGlutamate
Neuron ： Glia
Phagocytosis
LactateHuman1 : 10 Neuron
Cytokines

Nematode 1 : 1

Axon

Euroglia Meeting

Glutamate transport and metabolism
H+Na+Na+
SNAT3Glutamine

SNAT1

Glutamine
Glutamine

H+3Na+
GLT1, GLAST

Glutamate
K+

EAAT3

GlutamateK+

Glutamate

SynapseGlutamate

GLAST: EAAT1
GLT1: EAAT2

Astrocyte: Astroglia

Neuron6Glucose traffics and metabolism in the brain
lacticacid

Blood vesselMCT1星の様な形をした細胞
MCT2

GLUT1

glucose
GLUT1

MCT4cycle

pyruvateglucoseglucoselactic acid

ATP TCAlactic acid
GLUT3pyruvate

lactic
MCT2acid

lactic acid

NeuronAstrocyte

形態学的誤解GLUT: Glucose transporter
MCT : Monocarboxylate transporter

ニューロン間を埋めるセメント
生理学的誤解活動電位を出せない！不活性な細胞

情報処理には関与しない
脳の看護師、管理薬剤師、管理栄養士
脳機能の総合調節担当

Human

アストロサイト(グリア）の数
Bass et al (1971)

Rat
ヒル 線虫 カエル マウス ラット ネコ

ヒト

進化と伴に存在比が増大

50 mm

Nedergaad, M. et al. (2003)

Nedergaard et al. (2006)

7

一個のアストロサイトが14万個のシナプスを保持する

Golgi 落射光（生田先生より）濱先生よりスター！

astrocyte was revealed
by Ca2+ imaging

New profile ofカルシウムイメージングがアストロサイトを表舞台に引き出した！

アストロサイトはアストロではない！
グリア細胞物語の図318

可塑性研究のターゲット 海馬の長期増強現象

生理現象光学測定とカルシウム計測の重要性
1980年代前半まで

記録
刺激

Baudry and Lynch (1980)
2+が関与する
長期増強現象の成立に細胞内Ca
Bliss and Lomo 19751980年代後半より

３００

反応（％）

２００

1990年代前半より

細胞内カルシウム濃度の計測が必要だ
１００－１０

１２
３
時間

４

1990年代後半より

Aequorin (下村 脩先生）
＊Photon counting
電位感受性色素＊Photodiode Array＊ΔF/Fo ～ １％
カルシウムイメージング＊Quin2, Fura2, Fluo3(Prof. R. A. Tsein)＊acetoxymetyl ester＊高感度ビデオカメラ
GFPConfocal Microscopy
GFP / FRET
Multiphoton Microscopy
超高感度デジタルカメラ

コン
ピ
ュ
ー
タとその周辺機器の発
達

５KMG

メ
モ
リー
容量の驚
異的な増大T

340 nm 励起

Fura-2 で染色された海馬の培養細胞

Ca2+計測装置 (1986年頃)

9p286

手塚 治虫の絶筆
ネオ・ファウスト
1989.4 単行本発刊

手塚 治虫 「ネオファウスト」よりBrit.J.Pharmacol. 89: 191-198 (1986)

グルタミン酸が神経細胞のカルシウムを上昇させることを証明した最初の論文

０2010W30

W20GLU

2.01.5
G 10-5M

E18H6

海馬ニューロンのグルタミン酸に対する応答

1.00.50-10

細胞内カルシウム濃度が上昇する
Glutamate 10 mM01020304050607010OP

Synaptic input

R

Hippocampal slice loaded with fura-2

SCalcium concentration dynamics during LTP

Before stimulation

50 Hz 2 sec
20 sec later

180 sec later

Fura-2 free acid injected hippocampal neuron

11グルタミン酸受容体の多様性
脳のシナプスの７０％はグルタミン酸を使っている
1988年
フランス人研究者
Barryさん登場

t-ACPD

AMPA受容体 NMDA受容体
単一ニューロン内でのCa2+濃度の計測
Miyakawa et al. (1990)

Fura-2 Fluorometry

MAP2

NMDA

MAP2/GFAPNa+Ca2+ 効果器→Ca2+

Type 1 Astrocytes cultured in ADM (with bFGF & EGF)

Glutamate

Thimerosal

t-ACPD
3.0
2.5

340/380GFAP

GPCR2.01.5
1.050 mm0.5t-ACPD 30 m M (2 min)Europ. J. Neurosci. 3: 1146 -1454 (1991)
J. Pharmacol. Sci. 92:245-251 (2003)

Oscillatory calcium increase in astrocytes(Calcium waves)

12

FI

030

Glutamate spillover

mGluR1, 5
テタヌス刺激でCa2+上昇応答した細胞はアストロサイト
しかも、G-タンパク共役型グルタミン酸受容体を介していた！
60
W- 60 sec
W-10

Ｃａ2+GqIP3Astrocyte

Effect of t-ACPD (100 mM) on hippocampal slice

Synapse1) Is there enough spillover of glutamate during
synaptic transmission?
2) Is there reproducible Ca2+ increase in astrocytic during
tetanic stimulation?

Glutamate transport and metabolism
H+Na+
SNAT3

Glutamine

手がかりは遊離されたグルタミン酸を取り込む仕組みにあった。

Na+
SNAT1

Glutamine
Glutamine

H+3Na+
GLT1, GLAST

Glutamate
K+

EAAT3

GlutamateK+

Glutamate

SynapseGlutamate

Glutamate transporter
Glutamate2- 1Na+
3
H+
1

細胞内K++

GLAST: EAAT1
GLT1: EAAT2

Astrocyte

Neuronグルタミン酸取り込みに比例して細胞内電位が増大する！

13

Transporter potential detectedby voltage sensitive dye (電位感受性色素）

Gluatamate transport potential
single stim.

RH155

DHK

CNQX/APV

Normaltrain stim.
シナプス伝達においてはかなり
Astrocyte
多量のグルタミン酸の漏れがある！

presynaptic terminal

synaptic potential
transporter potential

20 mecKojima et al. J. Neurosci. (1999)

blockedglutamate receptors
postsynaptic neuron

0.05%
10msecCa2+ increasein an astrocyte
during tetanic
stimulation

fluo-4 free acidS

Patch pipette

CA1
CA3

漏れ出したグルタミン酸でアストロサイトの細胞内Ca2+は上昇するか？

10 mm

テタヌス刺激でCa2+オシレーションは生ずるか？

14

Glutamate spillover

mGluR 5

Ｃａ2+
2.4

Ca2+

Gq
IP3

Glutamate release?

2.0

Ca2+
1.6

Astrocyte

synapse1.20510152025Time (sec)

海馬スライス培養標本における検証30

アストロサイト内のCa2+濃度上昇がニューロンに影響を与えるか？

ニューロンには無効

Glia

Neuornt-ACPD=GFAP + NeuN

DHPG → Glu
GFAP + S100b*GFAP

S100b

アストロサイトを活性化するとニューロンが活動する

DHPGGlu15さらに確認！

異なった培養条件で育てたスライスにおける可塑性反応
pepsp slope(%)

Neuronal cells
Cell 1
Cell 2Cell 31) 自発20 sec

2) CCPA

3) DHPG

F/F0=0.5bWith serum

300aa200b1004) Glutetanus

1 mV5 msec

0２３1) 自発3002) CCPAによる遊離ブロック

pepsp slope(%)１03) mGluR5刺激4) グルタミン酸刺激1020(min)Without serum

200aba tetanus

b10000Astrocyte morphology in different culture condition
Horse serum

GFAP+ S100b

1020(min)アストログリアの突起との直接接触が海馬錐体細胞のスパインの安定化と成熟を制御する
東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科
細胞生物学分野 岡部繁男

Serum freeA

B

タイムラプス顕微鏡での観察結果から、アストログリアとの接触がスパイン構造の安定化と成熟に重要であることが明らかになった。

SR101

EMby Prof.Okabe

二光子顕微鏡によるアストログリアの突起（緑）と海馬錐体細胞の樹状突起（赤）の同時タイムラプス観察。
A. XYZスタックからの三次元再構成像により両者の接触に様々な形態がある事がわかる。
B. 1時間おきの観察により、両者の接触部位がダイナミックに変化する事がわかる。

16

Tripartite synapse

グルタミン酸GABA
GLASTATPgap junction
IP3
ATP

ノルアドレナリン
hemi-junction
GLT1

action potential
IP3
セロトニン

mGluR5Ca-oscillation
Glu

Glu

mGluR5 ATP

ATPK

GluR

カルシウムオシレーション

mGluR5
IP3Glu
Na

ヒスタミン

MATs
ドーパミン

GluR
GluT

Information processing in "glia-neuron networks"

アセチルコリン

ChT

アストロサイトには多様な神経伝達物質受容体やトランスポーターが発現している

広範囲調節系としてのグリア細胞機能の位置づけ
セロトニン作動性

ヒスタミン作動性

コリン作動性新皮質

ノルアドレナリン作動性

視床
新皮質

新皮質

新皮質
視床

視床
視床下部

小脳

視床
海馬

海馬

脳幹網様体
視床下部
青斑核

小脳

脊髄
睡眠-覚醒サイクル、恐怖反応

縫線核群
脊髄
覚醒時に規則的に活動し、脳機能を賦活
新皮質

視床

視床下部
小脳

内側中隔核
マイネルト核橋中脳被蓋複合体

脊髄

記憶学習、睡眠覚醒サイクル

ドーパミン作動性

視床下部
黒質
腹側被蓋野

小脳

視床下部

小脳

結節乳頭核
(視床下部）

覚醒状態の維持、摂食行動の抑制

睡眠覚醒サイクルの原動力？

脊髄黒質：随意運動の開始
腹側被蓋野：報酬系として多様な機能に関与

17

マルチパータイトシナプス！

アストロサイトに発現している受容体とトランスポーター
アストロサイトが遊離するグリオトランスミッターと神経栄養因子

ニューロン
ギャップジャンクション
カルシウムウェーブ

グリオトランスミッター
グルタミン酸促進

ヘミジャンクション

GABA
グルタミン酸広範囲調節系
ニューロン終末部

ATP

抑制

シナプス前

GLAST

ATP

ノルアドレナリン

D-セリン

GLT1

NMDA受容体活性化

アストログリアグルタミン酸グルタミン酸シナプス後

G-タンパク質共役型レセプター
グルタミン酸ATP

カルシウムオシレーション

神経栄養因子NGF, BDNF, GDNF
Neurotrophins
FGF, ADNF, IGFs

グルタミン酸トランスポーター

カルシウムシグナル

セロトニン

ATP

イオンチャネルレセプター

MATs

ヒスタミン

GluT

広範囲調節系伝達物質

ドーパミン
アセチルコリン

ChT

アストロサイトの活性化は細動脈を拡張させる
ニューロン
二光子イメージング
で見た脳の細動脈とアストロサイト内カルシウム濃度の関係

アストロサイト
細動脈

血液カル
シウ
ム
増加率

細動
脈
横断面

ニューロン アストロサイト

血管

細動脈横断面の増加率

Ca2+増加率Takano et al. Nature Neurosci.9:159-161 (2006)

Next

18

アストロサイトと脳脊髄液流量
睡眠時に増大する

自然睡眠

麻酔薬睡眠

アストロサイトのサイズが変化して細胞間スペースが増大する
Xie L., et al. Science (2013)

脳機能発現

アクアポリン４によって髄液流がコントロールされる

精神神経疾患の発症

グリア回路

ニューロン回路
神経伝達物質

Ca2+

成長因子

活動電位

サイトカイン

遅いが広範囲の情報（アナログ）

高速でピンポイントの情報（デジタル）

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