ギャップ結合による神経細胞ネットワーク
Neuronal Network Linked by Gap Junctions
福

田

孝

一

Takaichi Fukudaａ要旨

九州大学大学院医学研究院神経形態学分野

神経細胞の中で，通常の化学シナプスによる間接的な結合だけでなく，ギャップ結合による直接的な結合をも利用している例があることが近年注目されている．しかし方法論的な制約から，神経細胞におけるギャップ結合の研究は長くその存在の証明にとどまり，
ネットワークとしての具体的な姿は不明なままであった．ごく最近の形態学・生理学・分子生物学研究は，神経細胞間ギャップ結合の解明に大きな進展をもたらしている．特に電子顕微鏡と共焦点レーザー顕微鏡を組み合わせた新しい方法によって，光学顕微
鏡レベルでギャップ結合を確実に同定することが可能となり，ギャップ結合ネットワークの 3 次元構造を広い視野で解析することが実現した．ギャップ結合を介して大脳皮質 GABA ニューロンが形成するネットワークは，側方に密で連続的な結合を形成し，脳における情報表現の機序における重要性が示唆される．

キーワード：ギャップ結合，インターニューロン，コネキシン 36，大脳皮質

1.

の 解 像 力（ 約 0.2 μm） を も っ て し て も， そ の す き 間（ 約
はじめに

0.02 μm）を見ることは不可能である．しかし彼は脳のあら話は 100 年前にさかのぼる．1906 年 11 月 11 日，ストッ

ゆる場所から美しい標本を作製し，おびただしい数の神経細クホルムで行われたノーベル医学生理学賞の受賞講演は，異胞を観察し，また発生の過程で脳の中を伸びていく軸索の形

例の展開となった．受賞者である二人の解剖学者，イタリア

態を詳細に検討した結果から，ニューロン説を確信する啓示のカミロ・ゴルジとスペインのラモニ・カハールは，神経細を得たのであった．

胞のネットワークの様式について全く異なる立場をとっていカハールの考えたニューロン説が正しかったことは，約たため，二人は真っ向から対立する二つの説をそれぞれ披露

50 年後の 1950 年代に，電子顕微鏡がシナプスの微細構造をして講演を終えたのである．ゴルジは彼の講演のほとんどを，明瞭に描き出したことにより，最終的な決着をみた．以後今既に時代遅れとなりつつあった網状説の頑強な擁護と，カ日に至るまで，あらゆる神経科学は，単位構造であるニューハールらが唱えるニューロン説への攻撃に宛てた．ゴルジのロンが，シナプスによる間接的な結合を仲立ちとしてネット主張によれば，神経細胞から伸びる軸索は互いに直接連絡しワークを形成しているというセントラルドグマを基盤として合いながら複雑な網目を形成し，信号はそのネットワーク内発展してきたといっても過言ではない．このことは，たとえを様々な方向に伝播することになる．一方カハールが考えたば神経生理学はシナプスにおける電気的応答を調べ，神経薬

神経細胞は脳を形作る単位構造（ニューロン）としての存在理学はシナプスにある受容体を主な標的とし，また精神医学であり，信号は樹状突起・細胞体から軸索へと一方向に流れはシナプス伝達の異常の是正を薬物治療の核心としてきたこて軸索終末に達すること，そして軸索終末と信号の受け手でとからも，容易に理解できるであろう．

ある細胞体・樹状突起との間にはすきまがあり，信号は何ら

しかしいつも単純なコースをたどるわけではないというのかの方法でそのすき間を越えて次のニューロンに伝達されるが，われわれの科学のあゆみの，むしろ一般的な姿である．

特徴を持つことを提唱した．脳の顕微鏡的構造を知っている

電子顕微鏡によるシナプス構造の同定からさらに 50 年の時

読者ならすぐお分かりのように，カハールは現在われわれがを経た今日，現代の形態学と生理学は，ゴルジが完全に間違っ知っている神経細胞のあり方を，驚くほどの正確さを持ってていたわけではなく，網状説が部分的には正しいかもしれな

見通していたわけである．実は現在の最高水準の光学顕微鏡

いことを，しだいに明らかにしつつある 1 ～ 4）．中枢神経内にはもうひとつのネットワークがあり，それは驚くほどの密度と広がりをもって，既知のニューロンネットワークと空間をａ〒 812–8582 福岡市東区馬出 3–1–1
TEL: 092–642–6053; FAX: 092–642–6059
E-mail: fukuda@a3rd.med.kyushu-u.ac.jp
2008 年 5 月 19 日受付
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共有している可能性が示されつつある 3,4）．本稿においては，われわれの最近の成果も含めながら，このギャップ結合が形成する新しいネットワークの構造と機能的意義について概説
顕微鏡 Vol. 43, No. 3（2008）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

を試みたい．
（なお文中で大脳皮質という言葉を用いる際には，新皮質と海馬を主な対象としている．）
2. 化学シナプスとギャップ結合（電気シナプス）
電子顕微鏡が明らかにした通常のシナプス（化学シナプス）の構造の詳細は成書に譲り，ギャップ結合との対比を理解する上で重要なポイントのみここで述べる．神経細胞から伸びる軸索は，標的細胞の上に接着する際に軸索終末（シナプス前終末）と呼ばれる膨らみを形成し，約 20 nm のごく狭いすき間（シナプス間隙）を隔てて相手と結合する（図 1a）．
軸索終末の中にある小さな袋（シナプス小胞）に含まれてい図 1 2 種類のシナプスの模式図．化学シナプス（a）の軸索終
末内にはシナプス小胞があり，その中に神経伝達物質（小さな黒丸）が含まれる．シナプス後膜に受容体タンパクが並ぶ．こ
こでは受容体タンパクがイオンチャンネルそのものである例を示す．ギャップ結合（b）では，隣接する 2 細胞の細胞膜をコ
ネクソンが架橋し，中央の小孔を通じて細胞質が直接連絡する．
図 4 に実際の電子顕微鏡写真を示す．

るグルタミン酸や GABA などの神経伝達物質は，軸索を伝わってきた活動電位が終末に達するとシナプス間隙に放出さことになる．head to head に会合したコネクソンが多数集まっ

れ，拡散の後，シナプスを受けるニューロン（シナプス後細て，細胞膜内にパッチ状の特殊な領域を形成したものが胞）の細胞膜上にある特異的な受容体に結合する．これによギャップ結合である．ギャップ結合は全身の様々な組織の細+り Na などの特定のイオンを通すチャンネルが開き，シナプ胞に認められ，分子量が約 1000 Da 以下の物質を通すことか

ス後細胞における電位変化が生じる．これが神経細胞間のシら，各種のイオンや代謝産物を隣接細胞間で共有することがグナル伝達における素過程であるが，そこでは終末に到来す可能になる．特に神経細胞や心筋・平滑筋のような興奮性細る電気シグナルがいったん化学物質によるシグナルに変換さ胞においては，電気信号がギャップ結合を通じて，直接的に，れた後，再びシナプス後細胞で電気シグナルに変えられるこ

遅延なく伝達されることになる．さらに中枢神経系の神経細とになる．重要な点は，ニューロン間の信号伝達がこのよう胞の場合は，後に述べるようにギャップ結合で連結したネッに間接的であること，さらに信号伝達の際には物質の放出・トワークの電気的活動がタイミングをそろえて行われる可能

拡散・受容体結合・チャンネル開閉などの過程により時間が性が出現してくる（活動の同期化；synchronization）．神経かかることである．すわなち，通常のシナプス伝達において細胞集団の発火のタイミングの同期性は，「情報」が神経細は，数ミリ秒の遅れ（シナプス遅延）が生じる．

胞活動の「何」に担われているかという現在の神経科学の根一方，電子顕微鏡を生物の組織構造の観察に応用しはじめた開拓者の中に，以上のような構造とは全く異なる結合様式

本問題に関わるテーマであり，ギャップ結合の機能的意義の項であらためて触れることにする．

が神経細胞間に存在する可能性を追究した者たちがいた．当時生理学者によって，二つの神経細胞間を極めて早く電気シ

3. 神経細胞におけるギャップ結合研究の初期の発展

グナルが伝わる例があることが知られており，そのような信

濱 5,6）らによる初期の研究は，無脊椎動物や魚類などの下号伝達を可能にする特殊なシナプス（電気シナプス）の存在

等な脊椎動物の神経系におけるギャップ結合の存在を明らかが予言されていた．1959 年，九州大学（当時）の濱清は，にした．それに続く 70 年代は中枢神経系の電子顕微鏡研究

渡米先のワシントン州立大学において，電気シナプスがあるの隆盛期であり，哺乳類の脳においても，いくつかの領域でに違いないと考えられていたミミズの巨大神経線維から標本

神経細胞間のギャップ結合が証明された 7）．たとえば齧歯類を作製し，二つの神経細胞の軸索間に，対向する細胞膜がギの下オリーブ核，前庭神経核，霊長類の新皮質 8）で，ギャッリギリまで接近しながらもある一定距離を隔てて対峙する特プ結合の存在を明瞭に示す美しい電顕写真が誌上をにぎわし別な領域が存在していることを，電子顕微鏡により突き止めた．しかし神経細胞間に存在するギャップ結合を電子顕微鏡

5）た ．さらに帰国後，同じように早い伝達が知られていたザでとらえることは，世界中でもわずか数名の先端的な研究者

リガニの神経細胞間にも同様の構造を見いだした 6）．濱がこたちによる，一種の職人芸的な要素が強かった．これは化学

れらの仕事で提示した電子顕微鏡写真は，電気シナプスの存

シナプスが脳の組織のいたるところにあり，誰にでもすぐ見在を，世界で初めて目に見える形でとらえたものであった．

つかるのとはかなり趣を異にする．さらに注意すべきことは，向かい合う細胞膜が接近して作るこの特殊構造は，現在ギャップ結合が，決して神経細胞一般に広く見られる結合様

ギャップ結合として知られているものである（図 1b）．ギャッ

式ではなかったことである．ギャップ結合は，脳の特定の領プ結合は，コネキシンと呼ばれる膜タンパク質分子が会合し域のある決まった種類の神経細胞に限って存在しているのでて作られる．6 個のコネキシンが集まって，中央に孔を持つある（その意義については 4 章で後述）．これらの事情から，

チャンネルタンパク（コネクソン）を作る．隣合う細胞膜に一連の見事な電顕像によって飾られた 70 年代の業績は，化

埋め込まれたコネクソンどうしが，その頭と頭をくっつけ合学シナプスとは異なった神経細胞連絡のあり方が，下等動物

うように会合して，一つのチャンネルを形成する．これによのみならずほ乳類の脳においても存在することを広く知らし

り，二つの細胞の細胞質がコネクソンを通して直接連絡する

めることには貢献したが，どちらかといえば例外的な現象と解説

ギャップ結合による神経細胞ネットワーク

189【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

して受け止められたようである．より進んで，ギャップ結合

渉顕微鏡像をモニター上に映すことにより，脳スライス内でが神経回路の中で果たす役割を具体的に考えるまでの材料と生きている無染色の神経細胞を，直視下に一個ずつパッチ電なるような知識は，まだ得られなかった．

極をあてることが可能になっていた．この方法のおかげで，このことには，電子顕微鏡研究それ自体が持つ制約が大き大脳皮質のインターニューロンのような，多数の神経細胞のく関係している．技術的な問題から，電子顕微鏡で観察する

中に散在性に混じる少数の神経細胞から効率良く細胞内記録ための標本は，非常に小さくしなければならない．さらに電を得ることが初めて実現した．やがて単一細胞からの記録は

子線を透過させてコントラストの良い像を得るために，切片2 細胞の同時記録へと進み，そこから二つのインターニューの厚さを 60 ～ 70 nm にする必要があり，そのことは必然的

ロン間に電気シナプスが存在することの「発見」に至る過程に，奥行き方向に長い距離にわたって構造をとらえていくこ

は，ある意味で必然であった．生理学者が二つのインターとを，物理的に非常に困難にする．これらの事情から，電子ニューロンに電極をあてた時，Sloper8） が 70 年代に電子顕顕微鏡観察はその高い解像力と引き換えに局所的なものとな

微鏡で示していた構造が始めからそこにあったからである．

らざるを得ず，神経細胞のネットワークを大きく 3 次元的に技術の進歩を待ち受けていたかのように，大脳皮質インター

見ていくことは，電子顕微鏡研究単独ではほとんど不可能なニューロン間の電気シナプスの同定は，時をそろえて，二つのである．

のグループによって同じ雑誌の同じ号に並んで発表され80 年代にはいり，そのような問題点を克服するべく，あた 13,14）．電子顕微鏡研究によって点と線のごとく命脈を保っ

らかじめゴルジ鍍銀法で染めた神経細胞を光学顕微鏡で観察てきた大脳皮質のギャップ結合研究は，約 30 年の時を経てし全体像を把握した後に，その神経細胞の局所を再度電子顕

初めて生理学から光があてられたことになる．電気シナプス

微鏡で直接見ていく手法（ゴルジ電顕法）が，生理学研究所が存在するペアでは，二つのインターニューロンの同期した（当時）の小坂俊夫によりラット海馬におけるギャップ結合

電気的活動が認められる（電気的カップリング）．電気的カッ

9,10）．小坂が見いだした重要な所見としプリングが見いだされたのは，生理学的特性から fast spiking（1）海馬と歯状回の神経細胞の中で，ギャップ結合の形て，cell と分類される GABA ニューロンのペアであったが，これ成が形態学的に確認できるのは，いわゆる抑制性インターは海馬や線条体で電子顕微鏡によりギャップ結合が同定されニューロンのみであり，興奮性の投射ニューロンである錐体ていた神経細胞と，まさに同じタイプのものであった．

の研究に応用された細胞や顆粒細胞には認められないこと，（2）ギャップ結合は4.2

軸索ではなく樹状突起間に存在すること，（3）樹状突起間の一方形態学からのアプローチは，生理学でそのような発見

結合は 2 細胞間にとどまらず，それぞれの樹状突起がさらにが行われつつあったこととは無関係に，むしろ形態学そのも他の神経細胞とギャップ結合を形成することにより，複数ののの新しい流れの中から始まった．90 年代半ばから使用が形態学によるギャップ結合ネットワークの解明

神経細胞が連鎖を形成していることがあげられる．さらに当一般化され始めた共焦点レーザー顕微鏡は，切片の深さ方向

時神経組織への応用が本格化されつつあった免疫組織化学染（z 軸方向）の高い解像度を実現することから，これを切片色を援用し，海馬の代表的なインターニューロンであるバスの x-y 方向の解像度にすぐれている高品質の対物レンズと組

ケット細胞が，樹状突起間にギャップ結合を形成しているこ

み合わせることにより，神経細胞のように 3 次元的な構造をとが見いだされた

11）．すぐあとで，同様の所見が基底核の線条体においても示された 12）．

もつ細胞の形態の詳細な解析に威力を発揮する．また z 軸方向に一定間隔で取り込んだデジタル画像ファイルを元にし80 年代の研究が明らかにした，ギャップ結合が抑制性て，各種の立体的観察が可能になる．他方，共焦点レーザー

ニューロンの樹状突起間に豊富に存在しているという事実

顕微鏡は基本的には光学顕微鏡であることから，広い視野では，現在大きな発展を見せている大脳皮質でのギャップ結合の観察にも適している．しかも光顕連続切片を貫いて伸びる性ネットワークの根幹とも言うべき性質である．しかしなが突起をトレースしていけば，奥行き方向にも無限に解析空間

ら中枢神経系におけるギャップ結合の解明は，現在の急速なが広がる．高解像力と広い視野の両立は，前に述べた電子顕展開期を迎えるまでの間，いったん 10 年の眠りにつくので微鏡の弱点である局所性を大きく補うことが期待できる．つある．

まり共焦点レーザー顕微鏡は，局所的な detail をより大きな構造の中で俯瞰的にとらえていく研究にとって，これまでで4. ギャップ結合研究の新たな展開きなかったことを可能にするポテンシャルを持っている．こ脳におけるギャップ結合研究の re-start は，新しい電気生のような見通しのもとに，われわれは海馬や新皮質のイン理学と電子顕微鏡研究，そして神経細胞に特異的に発現するターニューロン間のギャップ結合と，それによるネットワー

コネキシン遺伝子のクローニングという三つの方向から軌をクの解明に着手した．

一にして，しかもお互いが独立して，突如という感じで始まった．
4.1

電気生理学からのアプローチ

既に 90 年代から，赤外線 CCD カメラでとらえた微分干190

海馬や新皮質のバスケット細胞は，カルシウム結合タンパ
クの一つであるパルブアルブミン（PV）の抗体を用いて，免疫組織化学的に同定することができる 11）．バスケット細胞の大きな特徴は，錐体細胞の細胞体の近くに GABA 作動
顕微鏡 Vol. 43, No. 3（2008）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

性の抑制性シナプスを形成し（図 2c，d），それによって錐ると，果たしてそこにはギャップ結合が存在していた（図 4）．

体細胞における活動電位の発生を，発生源近傍で効果的に制観察を重ね，海馬内の中を横に広がる樹状突起ネットワーク

御することにある．神経解剖でよく用いられる冠状断方向のの形態学的性質に関して様々な検討を加えた結果，図 5b に海馬切片では，PV ニューロンの長い樹状突起が同じ方向に示すような構造が明らかになった 3,15）．

向かって長く伸びている様子がよく見える（図 2b）．共焦点

図 5a は，よく知られた海馬の基本回路である．大脳皮質

レーザー顕微鏡で細部を観察すると，近接する細胞から平行の各領域からの情報は，嗅内皮質（EC）を入り口として海して伸びている樹状突起の間にコンタクトが見られた．これ

馬に入ってくる．海馬内では，情報は 3 種類の興奮性ニューは 80 年代に明らかにされた樹状突起間のギャップ結合に相ロンを経由して一方向的に伝達され（歯状回顆粒細胞 DG →当する場所と考えられる．ところが思いがけない事に，海馬CA3 錐体細胞→ CA1 錐体細胞），その間になされる計算結果の白質（図 2b 中の A）に平行な連続切片（接線方向切片）が，海馬台（sub）を経て外に出力される．ちなみに学習・を PV に対する抗体で染めたところ，海馬の実質と白質の境

記憶の素過程と考えられるシナプス可塑性が，この基本回路

界部に，切片内を大きく横に広がる樹状突起の網のような構を構成する 3 種のニューロンのいずれにおいても同定されて造が出現した（図 3）3）．この接線方向切片は，海馬の中を横いる．では，新たに出現した構造（図 5b）は，この海馬のに広がる構造を一番よく見せてくれる切り方になるが，立ち基本回路とどのような関係にあるであろうか？まず以前から現れたこの網のような構造物がもしギャップ結合でつながっ

知られているように，個々の PV ニューロンが，一個あたりていれば，これまで知られている近接細胞間の連絡とは異数百個の錐体細胞（図 5b で p 層にある小さな卵形）の上に，なった，横方向へ大きく広がるネットワークが存在している

GABA による抑制性のシナプスを形成する（図 5b 小矢印）．

ことになる．

このことは，一個の PV ニューロンに由来する活動電位に共焦点レーザー顕微鏡で見る限り，新たに出現した横方向

よって，錐体細胞層（図 5 の p）にある数百の標的細胞集団

へ広がる網の継ぎ目は，樹状突起がお互いに直接コンタクトに同期的な抑制性シナプス後電位 IPSP を発生させることをしているように見える（図 3b–e）．早速電子顕微鏡で観察す意味する．この PV ニューロンどうしが，さらにギャップ結図 2 マウス海馬の PV 免疫陽性神経細胞．（a）冠状断での低倍像．P 錐体細胞層，G 歯状回顆粒細胞層．（b）錐体細胞層にある細胞体から伸びる樹状突起は，放線層（R）では主として縦方向に平行に走る．A 海馬白板（白質），O 上昇層，Lm
網状分子層．（c，d）錐体細胞層における PV（c）と GABA の合成酵素 GAD（d）の二重免疫組織化学染色像．PV 陽性ニューロンの細胞体の上に二重陽性の軸索終末（矢印）が多数存在することに注意．これらは他の PV ニューロンに由来する終末で，PV ニューロン間の抑制性相互シナプス結合に相当する．矢頭で示す二重免疫陽性終末は，反応陰性の錐体細胞細胞体を取り囲む軸索終末．Scale: a, 0.5 mm; b, 50 μm; c, d, 5 μm．文献 3）より許可を得て転載（© 2000 by the Society for Neuroscience）．

解説

ギャップ結合による神経細胞ネットワーク

191【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

存在が明らかになった．しかし新皮質が海馬と大きく異なる点は，海馬では錐体細胞がシート状に単一の層に集中しているのに対して，新皮質は 6 層に分かれ，各層を構成する細胞要素にも大きな違いがあることである．これは PV ニューロ
ンの樹状突起ネットワークの構造にも反映される．海馬のPV ニューロンでは，樹状突起の走向が比較的そろっていて（図 2b），ネットワークの構造としても，図式化しやすい（図5b 参照）．一方新皮質では，各層に分布する個々の PV ニュー
ロンから，樹状突起が立体的にさまざまな方向に伸び，それがお互いに大きく重なり合って，全体としては錯綜した無秩序的な様相を呈している．この無秩序性については 5 章の最後と 6 章で言及するように，次のステップでの検討に重要な意味をもつこととなる．
4.3 神経細胞特異的なコネキシン遺伝子のクローニング
ギャップ結合の構成タンパクであるコネキシンには多数の遺伝的に異なったタイプが知られている．その中で神経細胞に 特 異 的 な コ ネ キ シ ン 36（Cx36） が 1998 年 に 同 定 さ れた 17,18）．Cx36 は，発生に伴ってその発現量が大きく変化する．
マウス脳での Northern blot の検討では 18），胎生 14 日には既に発現が認められ，しだいに上昇して生後 1 ～ 2 週にピーク
図 3 マウス海馬の接線方向切片で認められる PV ニューロン
樹状突起の網状構造．
（a）海馬白板と上昇層の境界部（図 2 のA と O の境界部）を接線方向に切ると，多数の樹状突起が折り重なりながら横方向に大きく広がっている様子が観察できる．図 2 の冠状断ではほとんど認識できない事に注意．図の（b）樹状突起の網状
左上の枠で囲む部分の拡大を b に示す．
構造をステレオ画像で示す．矢印は樹状突起間のコンタクト
部位 3 箇所を示す．
（c–e）b で示すコンタクト部位を，それぞれ一枚の optical slice で見た像．共焦点レーザー顕微鏡の解像度で見る限り，樹状突起の直接の接触が示唆される．Scale: a,
50 μm; b–e, 1 μm．文献 3）より許可を得て転載（© 2000 by theSociety for Neuroscience）．

を迎える．3 週目に急速に減少し，以後 basal level（ピーク時の 8％）が成熟脳まで維持される．生後 2 週までの上昇は，興奮性の錐体細胞が一過性に Cx36 を発現してギャップ結合を形成するためであると考えられている 19）．成熟期でのbasal level での Cx36 の発現は，これまで説明してきたイン
ターニューロンによるものである．ギャップ結合が発生の初期に一過性に興奮性神経細胞に出現し，以後は抑制性神経細胞に限定されてくることの意義についてはいろいろな考え方があるが，ここでは，もし興奮性神経細胞間にギャップ結合が残存しているとすると，どのような事態が起こりうるかという問題を指摘しておきたい．ある皮質領域へ到来する興奮
性入力が，ギャップ結合を通じて興奮性の錐体細胞間に同期合（図 5b 白丸）を介して大きな樹状突起のネットワークを的に伝播されるとすると，それはとりもなおさず，epilepsy

形成していることになる．すなわち，ギャップ結合性樹状突のリスクを高めることにほかならない．実際の脳では，電気起ネットワークを作る PV ニューロンは，海馬の中で横方向的活動が活発化する 3 週目に，錐体細胞間のギャップ結合はに広い領域に渡って電気シナプスによって直接つながる形に速やかに消失するのである．

なる．後述するように，このようなネットワークに組み込まれている PV ニューロンは，ネットワークとしてのダイナ5.

ミックな活動を通じてリズムや同期的活動を生み出すと考え大脳皮質インターニューロンにおけるギャップ結合についられている．そしてこのリズムや同期性が，ひるがえって個々て，2000 年前後に生理学と形態学によって相次いで発表さの PV ニューロンから作られる同期的な IPSP を介して，海れた研究は，ネットワークの 3 次元的広がりの見積もりを馬の基本回路を構成する標的細胞集団に反映されるという図巡って，当初から大きく見解が分かれた．生理学では，記録式になる．

する 2 細胞の間の距離が短い時だけカップリングが得られる

隣近所かそれとも大きなネットワークか？

海馬で見られる構造は，新皮質においても本質的には同様

ことから，ギャップ結合は細胞体から 50 μm 以内の樹状突のものである 16）．新皮質の GABA ニューロンのうち，約起表面にしか存在しないと考えられていた．一方われわれは，50％を PV ニューロンが占めているが，その多くは海馬と類形態学的所見から，もっと遠いところにも多数のギャップ結似の性質を持つ．新皮質の PV ニューロンの樹状突起を共焦合があると考えざるをえない間接的証拠を得てきた 3,16）．し点レーザー顕微鏡と電子顕微鏡によって観察した結果，予想

かし電子顕微鏡観察は，ギャップ結合の存在を直接示す最も通りギャップ結合によって連結した樹状突起ネットワークの確実な方法であるものの，先に述べたようなその局所性から，

192

顕微鏡 Vol. 43, No. 3（2008）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 4 PV ニューロンの樹状突起ネットワークに存在するギャップ結合．（a）海馬白板と上昇層の境界部の免疫電顕像．交差する PV 陽性の二本の樹状突起（D）は，一方が図を垂直に貫く方向に走り，他方は図を水平に横切る方向にある．いずれも
化学シナプス（＊）を受けている．（b）a のコンタクト部位の拡大．白矢印の間で二本の樹状突起の細胞膜がぴったりとくっついてギャップ結合を形成している．
（c）免疫反応を施さない標本で，a と同様にギャップ結合を形成している二本の樹状突起を見た電顕像．
（d, e）c のコンタクト部位の拡大．d は b と同じ拡大率で示す．矢印の間にギャップ結合が認められる．矢頭は神経細胞のギャップ結合に特異的な裏打ち構造．e において対向する脂質二重膜と，両者の間の 3 nm の間隙（gap）に注意．
b ではこの間隙に DAB 反応産物が入り込み，明瞭なラインを形作る．Scale: a, c, 1 μm; b, d, e, 0.1 μm．文献 3）より許可を得て転載．（© 2000 by the Society for Neuroscience）

図 5 海馬の基本的神経回路（a），および GABA ニューロンが化学シナプスとギャップ結合を介して形成する“二重のネットワーク”（b）．詳細は本文参照．文献 15）より許可を得て転載．（© 2000 by Elsevier）

解説

ギャップ結合による神経細胞ネットワーク

193【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

ギャップ結合の 3 次元的な分布を大きなスケールで調べていしていた．これらの結果は，ギャップ結合が 50 μm 以内にくことは，非常に困難な課題であった．

のみ存在し，クラスター状に集まった神経細胞の coupling に

ギャップ結合が存在する部位の細胞体からの距離の問題
は，マクロな視点で見た場合に，ギャップ結合による細胞の関わっているであろうというそれまでの生理学による見方に大きな変更をもたらすものである．

連結とそれによるニューロン活動の束ねが，クラスター状に

このように非常に密で，しかも遠位樹状突起にも及んでい集まる少数のニューロンにとどまるのか，それともより大きるギャップ結合の分布は，大脳皮質の PV ニューロンが広範なネットワークとして成り立つのかという違いを意味し，さ囲に連結している可能性を示唆する．実際一個の PV ニュー

らにそれは，大脳皮質の情報処理のメカニズムに，いかに

ロンからトレースを開始し，Cx36 陽性コンタクト部位におギャップ結合がかかわりうるかという問題にも発展する．

いて出会う他のニューロン由来の樹状突起を次々にトレース

このギャップ結合の位置の問題についての直接的な解答

して見ると，そのような連鎖は途切れることなくどこまでもは，ギャップ結合研究の第三の要素であるコネキシンに注目続いていく様子が見てとれる（図 7）．しかも次々にトレーし，その分布を共焦点レーザー顕微鏡と電子顕微鏡により追スしていったニューロンのそれぞれについて，上述のように究することで，ようやく得ることができた 4）．図 6 はネコの平均 60 個のコンタクト部位が期待される．図 7 においてさ

18 野（視覚皮質）において，PV と Cx36 に対する二重免疫

まざま記号で位置を示したギャップ結合は，すべて連結する

組織化学染色を行った結果である．図 6a の矢印は，図の上相手がある．もし相手側の PV ニューロンを全部トレースし方の PV 陽性の細胞体から下降してくる樹状突起と，下方かて書き加えれば，途方もなく密なネットワークがそこに存在ら来る別の PV 陽性樹状突起とのコンタクト部位であり，上していることが理解できるであろう．

方の細胞体からは 250 μm 離れている．図 6b はこの部位のこのような密なネットワークが，新皮質のはたらきを考え拡大で，PV ニューロンの 2 つの樹状突起（＊）の間のコンる際の鍵構造である機能的カラムとどのような空間的関係性

タクト部位に一致して，Cx36 陽性の 2 つの点状の染色が認を持つかという問題はたいへん興味深いテーマである 4）．一められる．この Cx36 陽性の点状の構造はたいへん小さなも

般に新皮質の神経細胞は，機能的に同質の特徴を持ったもののであるが，はたしてこれが本当にギャップ結合に対応してが縦に並んでいて，幅 200 ～ 500 μm の柱状の単位構造（カいるであろうか？そこで PV を標識している蛍光色素のラベラム）を構成している．特に視覚野の方位選択性カラムでは，

ルを，PAP 法をうまく利用して電子顕微鏡で同定できる

特定の傾きを持った線分の光刺激に高い反応性を示す神経細diaminobenzidine（DAB）の標識に変換した．図 6c は黄色矢胞が柱状に配列している．PV ニューロンは，この方位選択

印で示すコンタクト部位を含む切片標本をエポンに包埋し，性カラムに依存しないランダムな分布をしていることがわ

薄切用にトリミングしたブロック表面の写真である．共焦点

かった．しかも個々のニューロンからは水平方向へ樹状突起

レーザー顕微鏡で観察した 2 本の樹状突起を電子顕微鏡下にが大きく広がり，異なる方位カラムを自由に横切り，かつお

同定し，2 つのコンタクト部位（1 と 2）を拡大すると，確互いに大きく重なり合っている．大事なことは，このようなかに間違いなくギャップ結合がそこに存在している（図樹状突起がギャップ結合により電気的に相互に連結している

6d1，d2）．すなわち，共焦点レーザー顕微鏡で Cx36 陽性のことである．すなわち，ギャップ結合ネットワークは単一の小さな点として観察される構造物は，電子顕微鏡的にも機能的カラム内にとどまるというよりも，密に重なり錯綜しギャップ結合に一致していることが確かめられた．同様の対な が ら 側 方 に 連 続 的 に つ な が っ て お り， 横 方 向 に応が 17 個のすべての Cx36 陽性の点状構造で得られた．こ

homogeneous に形成されていると考えられる．

れにより，以後は電子顕微鏡を用いなくても，Cx36 の免疫
組織化学染色像を共焦点レーザー顕微鏡で観察することに6.

よって，ギャップ結合の存在をとらえることが，初めて可能

最後に，ギャップ結合を介する「もう一つの神経細胞ネッになったわけである．

ギャップ結合性神経ネットワークの機能的意義トワーク」の機能的意義について考えたみたい．現在まで形

この新しい方法は，大きな威力を発揮する．まず二重蛍光

態学的にも生理学的にも詳しく調べられているのは，既に見標識した光顕連続切片を用いて一つの PV ニューロンの樹状てきた海馬と新皮質にある PV 陽性のバスケット細胞型イン突起の広がりを追跡すると，一個の PV ニューロンあたり約

ターニューロンが作るネットワークである．それゆえ考察は，60 個ものギャップ結合が存在することが明らかになった（図これらのニューロンについての理解を軸として進めることと

7，8a）．細胞体から近い所にも遠いところにもギャップ結する．

合が認められ，最も遠い例では細胞体から 380 μm 離れてい海馬と新皮質の PV ニューロンは，錐体細胞の細胞体近傍

た．さらに細胞体からの距離を 50 μm ごとに区切ったそれに抑制性の GABA 作動性シナプスを作ることで，錐体細胞

ぞ れ の shell の 中 に 何 個 ず つ 分 布 し て い る か と い う Shollの出力（活動電位の発生）を効果的に制御すると考えられて

analysis に よ る 検 討 で も（ 図 8b）， 細 胞 体 か ら 50 μm，いる．この場合 PV ニューロンは，単純に標的細胞の出力を100 μm，150 μm，および 200 μm までのそれぞれの区域に，抑えるというよりも，PV ニューロン側で起きるある時間的

全体の 37％，35％，18％，および 8％のギャップ結合が存在パターンを持った一連の発火活動によって，標的となる錐体

194

顕微鏡 Vol. 43, No. 3（2008）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 6 PV ニューロンの樹状突起コンタクト部位に局在する Cx36 陽性の点状構造がギャップ結合に一致することの証明．ネコ
18 野の 2/3 層．詳細は本文参照．Scale: A, 50 μm; B, 1 μm；右側パネル，0.1 μm．文献 4）を一部改変し，許可を得て転載．（©
2006 by the Society for Neuroscience）

図 7 ギャップ結合によって連結した樹状突起ネットワーク．ネコ 18 野 2/3 層．ここでは 8 個の PV ニューロンがお互いにギャッ
プ結合によって連結している．左上に結合関係とギャップ結合数を示す．それぞれのニューロンの樹状突起に沿う各種の記号は，すべてギャップ結合を示す．そのすべての場所で，結合する相手の PV ニューロンが存在しているが，その大部分は図には描かれていない．Scale, 150 μm．文献 4）から許可を得て転載．（© 2006 by the Society for Neuroscience）

細胞に IPSP のパターンを作り出し，それにより錐体細胞のわち，神経細胞が処理する情報の内容は，神経細胞活動の発発火のタイミングを制御すると考えられている 20）．この時

火頻度の多寡によるだけでなく（rate coding），その時間的間的制御という考え方の背景としては，神経細胞の情報表現構造にも含まれ（temporal coding），さらに同時に発火してのあり方をめぐる次のような最近の見方が基礎にある．すないる複数の細胞の空間的組み合わせも重要である（population

解説

ギャップ結合による神経細胞ネットワーク

195【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

続的に広がっているが，このことは，必ずしも広い範囲の
PV ニューロンの全体がシンチチウムとして機能しているということを意味しない．樹状突起を受動的なケーブルとして考える限り，その長さに沿って電気シグナルが減衰するからである．そうなると，密にランダムに折り重なりながらギャッ
プ結合によって広い領域にわたる連絡を形成する網状構造には，どのような機能的意義が考えられるであろうか？
前項で説明したように，視覚皮質の PV ニューロンは，方位選択性カラムに依存せず，無秩序的で密な樹状突起ネット
ワークを形成している．この空間的トポロジーの意義を考える際に，視覚皮質には方位選択性カラムだけでなく，動きの方向や縞模様の間隔など，視野にある物体が持つさまざまな特性に対応する異なったカラムが，複雑に重なり合いながらも同じ空間を共有しているという事情を想起することが理解を助けるであろう 26）．つまり，ギャップ結合性ネットワーク，
あるいはインターニューロン全般においてもそうであるが，それらは方位選択性カラムにおける情報処理に特化している
わけではない．PV ニューロンのギャップ結合ネットワーク
は，特定のカラムに束縛されずどのような組み合わせも可能
図 8 PV ニューロンの樹状突起に沿ったギャップ結合の分布の定量解析．ネコ 18 野 2/3 層．（a）一個の PV ニューロンの樹状突起をトレースし，他の PV ニューロンの樹状突起との間に認められたギャップ結合（白丸）をプロットした図．この細胞では 59 個のギャップ結合が，細胞体からいろいろな距離に分散して存在していた．
（b）a と同様の解析を行った 9 個の PV
ニューロンから得られた平均値．文献 4）を一部改変し，許可を得て転載．（© 2006 by the Society for Neuroscience）にする構造をとっており，それによりさまざまな内容が多彩に組み合わされた入力情報に対して flexible に対応することが可能となって，入力により今活性化されている領域の中で，種々の空間的パターンで発火している錐体細胞の 1 セット（アセンブリ）の時間構造を同期化させる役割が期待される．
情報を伝える主ニューロン（principal neuron：視床の relay
cell や新皮質の錐体細胞など）のネットワークには，末梢から中枢に至るまで，体性局在のような秩序立った結合関係がcoding）とする考え方である．

あり，さらに視床や大脳皮質内部の細胞構築にも，カラムな

実は大脳皮質の PV ニューロンは，錐体細胞だけでなく，どの秩序立った単位構造がある．対照的に抑制性インター

お互いの細胞体の上にも GABA シナプスを多数形成していニューロンは，情報伝達の担い手というよりも制御システム

る 21,22）（図 2c，d）．この相互抑制性回路は，in vivo で見られを構成すると考えられるが，ギャップ結合による密でランダる数十 Hz のリズミカルなニューロン活動の基礎にあると考ムな連続的構成を取ることによって，より自由で flexible な

えられているが 20），このような PV ニューロンがさらに樹状作動原理を制御系に与えているのではないかと推測される．

突起間のギャップ結合によるネットワークを作っていることになる．神経活動の時間的構造を考える際に，リズミカルな

7.

おわりに

活動に加えて，ニューロン活動の同期性という問題が注目さ脳におけるギャップ結合は，長く電子顕微鏡的による同定

れている 23）．リズムと同期性は，感覚，運動，認知などさを唯一の確実な手段として，その存在の証明に努力が注がれ

まざまな高次神経活動に伴って観察されており，temproalてきた．しかしごく最近の生理学・形態学・遺伝子クローニ

coding の一つの形として議論されてきた．その発生のメカニ

ングの進歩によって，神経細胞間に存在するギャップ結合のズムには不明な点が多いが，最近の研究から，GABA ニュー

解明が，さまざまな角度から飛躍的に進んでいる．われわれ

ロン特に PV ニューロン（もしくはバスケット細胞）の重要は電子顕微鏡と共焦点レーザー顕微鏡を組み合わせた新しい性を示唆する証拠が，繰り返し見いだされている．大脳皮質方法によって，光学顕微鏡レベルでギャップ結合を確実に同PV ニューロンは，化学シナプスを介する相互抑制性結合に定し，それが作るネットワークの 3 次元構造を広い視野で解よるネットワーク，ならびにギャップ結合による樹状突起析する方法を確立した．ギャップ結合によって神経細胞が形

ネットワークからなる二重のネットワークを作っており 15），

成する「もう一つのネットワーク」の大きな広がりが明らか

前者によるリズムの発生，そしてギャップ結合による同期性となりつつある．そこで得られた 3 次元構造は，大脳皮質神の促進，という働きが想定できる．Cx36 遺伝子のノックア

経細胞の集団的活動におけるリズムと同期性の実現に関連しウトマウスで行われた研究も24,25），この見解を支持している．

大脳皮質におけるギャップ結合ネットワークは横方向に連196

うる未知のネットワークが，大脳皮質の中に驚くほどの密度と広がりを持って内在していたことを示している．
顕微鏡 Vol. 43, No. 3（2008）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

文献1）Hestrin, S. and Galarreta, M.: Trends Neurosci., 28，304–309（2005）
2）Connors, B.W. and Long, M.A.: Annu. Rev. Neurosci., 27，393–418（2004）
3）Fukuda, T. and Kosaka, T.: J. Neurosci., 20，1519–1528（2000）
4）Fukuda, T., Kosaka, T., Singer, W. and Galuske, R.A.W.: J. Neurosci.,
26，3434–3443（2006）
5）Hama, K.: J. Biophys. Biochem. Cytol., 6，61–66（1959）
6）Hama, K.: Anat. Rec., 141，275–293（1961）（1999）
15）Fukuda, T. and Kosaka, T.: Neurosci. Res., 38，123–130（2000）
16）Fukuda, T. and Kosaka, T.: Neuroscience, 120，5–20（2003）
17）Condorelli, D.F., Parenti, R., Spinella, F., Sallinaro, A.T., Belluardo,
N., Cardile, V. and Circirarta, F.: Eur. J. Neurosci., 10，1202–1208（1998）
18）Söhl, G., Degen, J., Teubner, B. and Willecke, K.: FEBS Lett.,
428，27–31（1998）19）Peinado, A., Yuste, R. and Katz, L.C.: Neuron, 10，103–114（1993）20）Buzsáki, G. and Chrobak, J.J.: Curr. Opin. Neurobiol., 5，504–510（1995）

7）Sotelo, C. and Korn, H.: Int. Rev. Cytol., 55，67–107（1978）8）Sloper, J.J. and Powell, T.P.S.: Proc. R. Soc. Lond. B, 203，39–47（1978）
9）Kosaka, T. and Hama, K.: J. Comp. Neurol., 231，150–161（1985）10）Kosaka, T.: Brain Res., 271，157–161（1983）21）Sik, A., Penttonen, M., Ylinen, A. and Buzsáki, G.: J. Neurosci.,
15，6651–6665（1995）

11）Katsumaru, H., Kosaka, T., Heizmann, C.W. and Hama, K.: Exp.
Brain Res., 72，363–370（1988）
12）Kita, H., Kosaka, T. and Heizmann, C.W.: Brain Res., 536，1–15（1990）
13）Galarreta, M. and Hestrin, S.: Nature, 402，72–75（1999）
14）Gibson, J.R., Beierlein, M. and Connors, B.W.: Nature, 402，75–79

24）Deans, M.R., Gibson, J.R., Sellitto, C., Connors, B.W. and Paus, D.L.:
Neuron, 31，477–485（2001）25）Buhl, D.L., Harris, K.D., Hormuzdi, S.G., Monyer, H. and Buzsáki,G.: J. Neurosci., 23，1013–1018（2003）

解説

ギャップ結合による神経細胞ネットワーク22）Fukuda, T., Aika, Y., Heizmann, C.W. and Kosaka, T.: Neurosci. Res.,
26，181–194（1996）23）Singer, W.: Neuron, 24，49–65（1999）

26）Hübner, M., Shoham, D., Grinvald, A. and Bonhoeffer, T.: J.
Neurosci., 17，9270–9284（1997）

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