化学シナプスとは｜ニューロン間の神経伝達物質による仕組みと分類
化学シナプスの仕組みと神経伝達物質の役割、分類を図解でわかりやすく解説。脳とニューロンの情報伝達を基礎から学べる入門ガイド。
化学シナプスとは、神経伝達物質と呼ばれる化学物質を使って信号を伝達するシナプスのこと。体のいたるところに存在しています。特に中枢神経系や脳に多い。
神経細胞は電気信号を使って情報を伝達する。この信号は活動電位と呼ばれています。人間の脳には860億個のニューロンがあると言われています。ニューロンは単独では活動しません。他のニューロンと接続して、お互いにメッセージを伝える必要があります。電気信号は、単独ではニューロン間のギャップを通過できません。そのため、神経細胞から次の神経細胞へと信号を渡すために、神経伝達物質が必要となります。この意味で、電気信号を直接次のニューロンに渡す電気的シナプスとは異なる。化学的シナプスは、機能と構造によってさらに分類される。
化学シナプスの構造と基本的な仕組み
化学シナプスは大きく分けて、シナプス前終末（発信側）、シナプス間隙（シナプス間隙＝シナプスクリフト）、およびシナプス後膜（受信側）から構成されます。主な流れは以下の通りです。
- 活動電位がシナプス前終末に到達すると、電位依存性カルシウムチャネルが開き、カルシウムイオンが流入します。
- カルシウムの上昇により、シナプス小胞が膜と融合して神経伝達物質を放出（エキソサイトーシス）します。
- 放出された神経伝達物質はシナプス間隙を拡散して、シナプス後膜上の受容体に結合します。
- 受容体の種類に応じて、イオンチャンネルが開閉して膜電位が変化（興奮性または抑制性のシナプス後電位）し、次のニューロンの活動に影響を与えます。
- 伝達が終わると、神経伝達物質は再取り込みや酵素分解によって除去されます。
受容体のタイプ（動作の違い）
- イオンチャネル型受容体（イオン作動性）：リガンドが結合すると素早くイオンが流れ、速い応答（ミリ秒単位）を生じます。例：グルタミン酸受容体（AMPA）、GABA受容体（GABA_A）など。
- 代謝型受容体（Gタンパク質共役受容体、メタボトロピック）：Gタンパク質やセカンドメッセンジャー経路を介して緩やかな・持続的な効果をもたらします（数十ミリ秒〜秒以上）。例：ムスカリン性アセチルコリン受容体、ドーパミン受容体など。
神経伝達物質の主な種類と役割
- グルタミン酸：中枢で主要な興奮性伝達物質。学習や記憶に重要。
- GABA（γ-アミノ酪酸）：主要な抑制性伝達物質。過剰興奮の抑制に関与。
- アセチルコリン：末梢では筋接合部の伝達、脳では注意や記憶の調節に関与。
- ドーパミン、セロトニン、ノルアドレナリン：気分、報酬、覚醒、運動制御など多様な機能を持つモノアミン系。
- 神経ペプチド（エンドルフィンなど）：長時間持続するモジュレーションを行うことが多い。
放出後の除去には、シナプス前終末への再取り込み（トランスポーター）や、アセチルコリンエステラーゼなどの酵素分解が関わります。
分類（機能と接続様式）
- 機能的分類：興奮性シナプス（EPSPを生じる）と抑制性シナプス（IPSPを生じる）。
- 構造的/接続様式：軸索‐樹状突起性（axon‑dendritic）、軸索‐細胞体性（axon‑somatic）、軸索‐軸索性（axon‑axonic）など。
- 方向性：化学シナプスは基本的に一方向（シナプス前→シナプス後）だが、神経回路の全体では再帰的な結合が存在する。
電気的シナプスとの違い
電気的シナプス（ギャップ結合）はイオンが直接流れるため極めて速く、双方向性の伝達が可能です。一方、化学シナプスは伝達遅延（通常1〜5ミリ秒程度）があるものの、受容体や伝達物質の違いにより多様で可塑的な制御が可能です。
可塑性と臨床的意義
- 可塑性：化学シナプスは活動に応じて強さが変化します（長期増強＝LTP、長期抑圧＝LTD）。これが学習や記憶の基盤と考えられています。
- 疾患との関連：シナプス機能の異常は多くの神経・精神疾患と関連します。例として、重症筋無力症（神経筋接合部のアセチルコリン受容体への自己抗体）、パーキンソン病（ドーパミン不足）、うつ病（モノアミン系の異常）、てんかん（興奮性／抑制性バランスの崩れ）などがあります。
- 薬理学的介入：多くの薬物はシナプス伝達を標的とします（例：SSRIはセロトニン再取り込み阻害、ベンゾジアゼピンはGABA_A受容体を増強）。
まとめると、化学シナプスは神経系の情報伝達において中心的な役割を果たし、多様な受容体・伝達物質・可塑性機構によって精密な信号処理と調節を可能にしています。これらの性質が、感覚・運動・認知・情動など幅広い脳の働きを支えています。
化学的シナプスの代表例
構造
典型的な化学的シナプスの構造は、3つの部分に分かれています。
- シナプス前末端は通常、軸索上にある。この端子から神経伝達物質がシナプス間隙に放出される。シナプス前末端は、シナプス伝達の最初の部分であるため、「前」という接頭語がついています。
- シナプス後細胞のシナプス膜は、通常、次のニューロンの樹状突起上にある。この膜は、神経伝達物質をシナプス後のニューロン（信号を受け取るニューロン）に吸収する。シナプス後細胞は伝達プロセスの最後の部分であるため、「ポスト」という接尾語がついています。
- シナプス間隙とは、2つの膜の真ん中にある部分のことです。この空間は、細胞外マトリックス（extra-＝外部、cellular＝生きた細胞）と呼ばれるタンパク質で満たされており、主に2つのニューロンをつなぎ合わせる役割を果たしている。
2種類の化学的シナプス
- タイプIのシナプスは、人間の脳内でより一般的な化学的シナプスである。これらのシナプスは、次のニューロンを興奮（トリガー）させます。このシナプス伝達が起こると、次のニューロンは活動電位を発生させます。これらのシナプスは通常、シナプス後細胞の樹状突起に見られます。シナプス前末端は、伝達を送るニューロン（シナプス前細胞）の軸索上に見られます。タイプIのシナプスは左右対称の形をしている。
- タイプIIのシナプスは、人間の脳ではあまり見られない。これらのシナプスは非対称な形をしています。抑制する。次のニューロンに活動電位を引き起こす代わりに、これらのシナプスは活動電位を止める。タイプIのシナプスよりも数が少ない。
質問と回答
Q: 化学的シナプスとは何ですか?
A: 化学的シナプスとは、神経伝達物質を用いてニューロン間の信号を伝達するシナプスのことです。
Q: 化学的シナプスはどこにあるのですか?
A: 化学シナプスは全身に存在し、特に中枢神経系と脳に多く見られます。
Q: ニューロンはどのように情報を伝達するのですか?
A: ニューロンは活動電位と呼ばれる電気信号を通して情報を伝達します。
Q: 平均的な人間の脳には何個のニューロンがあると推定されますか?
A:人間の平均的な脳には、860億個のニューロンがあると推定されています。
Q: なぜニューロンは他のニューロンとつながる必要があるのですか?
A: 神経細胞は、他の神経細胞との間でメッセージを伝達するために、他の神経細胞と接続する必要があります。
Q: なぜ神経伝達物質が化学シナプスに必要なのですか?
A: 神経伝達物質は、電気信号だけではニューロン間のギャップを通過できないため、1つのニューロンから次のニューロンへ信号を伝達するために化学的シナプスで必要とされます。
Q: 化学シナプスは電気シナプスとどう違うのですか?
A: 化学的シナプスは神経伝達物質を用いてニューロン間の信号を伝達し、電気的シナプスは電気信号を直接次のニューロンに伝達します。
百科事典を検索する