神経系におけるシナプス

「シナプス」という概念は19世紀末にC. シェリントンによって提唱されました。彼はこの用語を、軸索末端から効果器（ニューロン、筋線維、分泌細胞）への信号伝達を媒介する構造と定義しました。シナプスの研究が進むにつれ、形態学者、生理学者、生化学者、薬理学者はシナプスの多様性を明らかにする一方で、構造と機能における共通の特徴も発見しました。その結果、シナプスを分類するための原則が確立されました。

シナプスの分類における形態学的原則は、シナプスが2つの細胞のどの部分から形成され、受信ニューロンの表面（細胞体、樹状突起の幹または「脊柱」、軸索自体）にどのように位置しているかを考慮に入れます。したがって、シナプスは軸索-軸索型、軸索-樹状突起型、軸索-体型に分類されます。しかし、この分類はシナプスの機能的役割やメカニズムを説明するものではありません。

シナプスの形態学的構造

形態学的に、シナプスは2つの脱髄構造から構成される。1つはアクトン末端の肥厚したシナプス終末（シナプスプラーク）であり、もう1つは神経支配細胞の膜の一部であり、シナプス間隙を介してシナプス前膜と接触している。シナプスの主な機能は信号を伝達することである。信号伝達の方法によって、化学的シナプス、電気的シナプス、混合シナプスに分類され、それぞれ動作原理が異なる。

電気シナプスにおける興奮伝導のメカニズムは、神経線維における興奮伝導のメカニズムと類似しています。シナプス前終末のAPは、シナプス後膜の脱分極を確実にします。このような興奮伝導は、このタイプのシナプスの構造的特徴、すなわち、狭い（約5nm）シナプス間隙、広い膜接触面積、シナプス前膜とシナプス後膜を繋ぐ横方向の管の存在、そして接触面積における電気抵抗の低減によって可能になります。電気シナプスは、無脊椎動物および下等脊椎動物に最も多く見られます。哺乳類では、三叉神経中脳核のニューロン体間、前庭神経核の細胞体と軸索終末間、そして下オリーブの樹状突起の「棘」間に存在します。電気シナプスは、構造と機能が同一である神経細胞間で形成されます。

電気シナプス伝達は、シナプス遅延がないこと、双方向の信号伝達、シナプス前膜電位からの信号伝達の独立性、Ca2+濃度の変化に対する耐性、低温、ある程度の薬理作用、そして信号伝達に大きな代謝コストを必要としないため疲労が少ないことが特徴です。このようなシナプスのほとんどでは、「整流効果」が観察され、シナプス内の信号は一方向にのみ伝達されます。

興奮を直接伝達する電気シナプスとは対照的に、脊椎動物の神経系には化学シナプス（間接的な信号伝達を行うシナプス）がはるかに多く存在します。化学シナプスでは、神経インパルスによってシナプス前終末から化学伝達物質（神経伝達物質）が放出され、シナプス間隙（幅10～50 nm）を拡散してシナプス後膜の受容体タンパク質と相互作用し、シナプス後電位を生成します。化学伝達は、一方向の信号伝達とその変調（信号増幅、および1つのシナプス後細胞への多数の信号の収束）の可能性を保証します。化学シナプスにおける信号伝達過程の変調の可能性は、それらに基づいて複雑な生理機能（学習、記憶など）の形成を保証します。化学シナプスの超微細構造は、広いシナプス間隙、シグナル伝達を担うメディエーターで満たされたシナプスプラーク内の小胞の存在、そしてシナプス後プラーク内の多数の化学感受性チャネル（興奮性シナプスではNa+、抑制性シナプスではCl）によって特徴付けられます。このようなシナプスは、機能するために多大な代謝コストを必要とするため、電気シナプスと比較してシグナル伝達の遅延と疲労が大きいという特徴があります。

化学シナプスには主に 2 つのサブタイプがあります。

最初のサブタイプ（いわゆる非対称型）は、約30nm幅のシナプス間隙、比較的大きな接触面（1～2μm）、およびシナプス後膜直下の高密度マトリックスの顕著な蓄積を特徴とします。大きな小胞（直径30～60nm）がシナプス前プラークに蓄積します。2つ目のサブタイプの化学シナプスは、約20nm幅のシナプス間隙、比較的小さな接触面（1μm未満）、および中程度に顕著で対称的な膜圧縮を有します。これらは小さな小胞（直径10～30nm）を特徴とします。最初のサブタイプは主に軸索樹状突起の興奮性（グルタミン酸作動性）シナプスで、2つ目のサブタイプは軸索細胞の抑制性（GABA作動性）シナプスで代表されます。しかし、この区分はむしろ恣意的なものであり、コリン作動性シナプスは電子顕微鏡写真では直径 20 ～ 40 nm の軽い小胞として見られるのに対し、モノアミン作動性シナプス (特にノルエピネフリンを含む) は直径 50 ～ 90 nm の大きな高密度小胞として見られるからです。

シナプスの分類におけるもう一つの原則は、メディエーターとして用いられる物質（コリン作動性、アドレナリン作動性、プリン作動性、ペプチド作動性など）によるものです。近年、異なる性質のメディエーターが一つの終末で機能する可能性があることが示されていますが、このシナプス分類は依然として広く用いられています。