すきまを渡る

電気から化学へ

軸索の末端は膨らんだ形をしており、この部分をシナプス終末と呼ぶ。内部には神経伝達物質という化学物質を詰めた小さな袋——シナプス小胞——が多数たくわえられている。活動電位がここまで伝わってくると、電気の話はいったん区切りを迎える。

終末に活動電位が到達すると、膜に埋め込まれた電位依存性のカルシウムチャネルが開き、外側に多いカルシウムイオンが内側へ流れ込む。この急激なカルシウム濃度の上昇が引き金になって、シナプス小胞が終末の膜に引き寄せられ、膜と融合する。融合した小胞は中身を外へ放出する。この過程を開口放出（エキソサイトーシス）と呼ぶ。

電気は、いったん化学の言葉に翻訳されてから、隣へ渡される。

放出された神経伝達物質が飛び出す先が、送り手と受け手のニューロンのあいだにあるわずかな隙間、シナプス間隙だ。その幅はおよそ20から40ナノメートルというごく狭いものだが、電気を通す橋渡しはできない。電気信号はここでいったん途切れ、化学物質という別の乗り物に姿を変えて、この隙間を渡っていく。

放出から受け手に届くまでの時間は1ミリ秒に満たない。神経伝達物質は拡散という単純な物理現象にしたがって隙間の中を広がっていき、向かい側の膜にたどり着く。

終末の中でも、小胞が実際に膜と融合する場所はごく限られた一角に決まっており、これを活性帯と呼ぶ。すべての小胞がいつでも放出できる状態にあるわけではなく、活性帯のすぐそばで待機している一群だけが、カルシウムの合図に応じてただちに放出される。

放出し終えた小胞はやがて回収され、中身を詰め直されて再び待機列に戻っていく。配達員が荷物を積んでは出発し、空になった台車を持ち帰ってまた荷を積む——そんな地味な補充作業が、終末の中で絶えず繰り返されている。

一回の活動電位で融合する小胞の数は、決して多くはない。一つひとつの小胞に詰まっている神経伝達物質の量もほぼそろっており、放出はいわば決まった単位でしか起こらない。この単位が積み重なった総量として、受け手側の反応の大きさが決まる。強い刺激に対してより大きな反応が起きるのは、一個あたりの中身が増えるからではなく、融合する小胞の数そのものが増えるからだ。

受け取る側で、何が起きるか

受け手側の膜には、神経伝達物質の形に合わせた受容体というたんぱく質が並んでいる。神経伝達物質が受容体に結合すると受容体の形が変わり、埋め込まれたイオンチャネルが開く。ここで信号はふたたび電気に戻る。イオンが流れ込むことで受け手側の膜電位が変化し、この変化が次の判定材料として使われていく。

役目を終えた神経伝達物質は、そのまま隙間に残り続けるわけではない。分解酵素によって分解されるか、送り手の終末に埋め込まれた輸送体によって回収され、ふたたび小胞に詰め直されて再利用される。この後者の仕組みを再取り込みと呼ぶ。神経伝達物質がどれだけ長く隙間にとどまるかは、この分解と再取り込みの速さで決まっており、次の章で扱う薬の多くは、実はこの再取り込みや分解の速さに介入することで効き目を発揮している。

受け手側で起きる電位変化は、興奮性なら興奮性シナプス後電位、抑制性なら抑制性シナプス後電位と呼ばれる。活動電位とちがい、これらは全か無かではなく、届いた神経伝達物質の量に応じて大きさが連続的に変わるアナログな信号だ。しかも一つの電位変化はすぐに減衰し、放っておけば数ミリ秒のうちに静止電位へ戻ってしまう。閾値を越えるかどうかを決める勝負は、この短い時間の中で行われている。

押す入力と、引く入力

神経伝達物質はすべてが同じ向きに働くわけではない。脳でもっとも多く使われている興奮性の神経伝達物質はグルタミン酸で、これが受容体に結合すると受け手側の膜電位はプラス方向、つまり閾値に近づく方向へ動く。逆にGABA（ギャバ）と呼ばれる神経伝達物質は抑制性で、結合すると膜電位はマイナス方向、閾値から遠ざかる方向へ動く。

抑制性の入力は、興奮の邪魔をする厄介者のように聞こえるかもしれないが、実際には脳の働きに欠かせない部品だ。車にアクセルしかなければ止まれないのと同じで、興奮を伝えるだけの回路は、放っておけばあっという間に暴走してしまう。

GABAによる抑制は、この暴走を抑えるブレーキの役目を果たしている。実際、GABAによる抑制がうまく働かなくなると、興奮が際限なく広がり、てんかん発作のような過剰な興奮状態が起きることが知られている。抑制は興奮の反対物ではなく、興奮を制御可能な形に保つための、もう一つの必要な入力なのだ。

一つのニューロンは、興奮性と抑制性の両方を、多くの場合は別々の送り手から同時に受け取っている。ある瞬間の膜電位は、この二種類の入力がどちらに傾いているかをそのまま映した結果にすぎない。興奮と抑制のつり合いは個々のシナプスだけでなく、脳全体の活動水準を一定に保つうえでも働いており、このつり合いが崩れることは、てんかんに限らず、さまざまな神経の不調に共通してみられる特徴でもある。

足し合わせて、閾値を越えるか

一つのシナプスから届く入力だけでは、膜電位はわずかにしか動かず、閾値にはとても届かない。一つひとつの入力は、それ単独では何も起こせないほど小さい。しかも前の章で見たとおり、膜には漏洩チャネルがあり、電位のわずかな揺れは放っておけばすぐに漏れ出して静止電位へ戻ってしまう。だからこそ、複数の入力がどれだけ近いタイミングで重なるかが決定的な意味を持つ。

そこで重要になるのが足し合わせだ。同じ場所に短い間隔で入力が立て続けに届くと、前の入力による電位変化が収まりきらないうちに次の入力が重なり、電位の変化はより大きく積み上がっていく。これを時間的加重と呼ぶ。一方、別々の場所にある複数のシナプスからほぼ同時に入力が届いた場合も、それぞれの電位変化が足し合わされる。これを空間的加重と呼ぶ。

実際のニューロンは、興奮性と抑制性を合わせて数千ものシナプスから同時に入力を受け取っている。軸索の付け根にある軸索小丘は、これらすべての入力を電位の変化として足し合わせ、その合計が閾値を越えるかどうかを判定している。多数決に近い計算だと考えるとわかりやすい。賛成（興奮性）が反対（抑制性）を上回り、その差が一定のところを越えたときにだけ、活動電位という結論が出る。

使うほど、通りやすくなる

シナプスは、いつも同じ強さで信号を伝えているわけではない。同じ二つの細胞のあいだにあるシナプスでも、使われ方によってその伝わりやすさは変化していく。

送り手の発火と受け手の発火がくり返し同時に起きると、そのシナプスは伝わりやすくなっていく。受容体の数が増えたり、受容体そのものの感度が上がったりすることで、同じ量の神経伝達物質でもより大きな電位変化を起こせるようになる。この現象を長期増強（LTP）と呼ぶ。「同時に発火した細胞どうしは結びつきを強める」というこの考え方は、ヘッブ則として知られている。

逆に、長く使われないシナプスや、送り手と受け手の発火のタイミングがそろわないシナプスは、しだいに伝わりにくくなっていく。これを長期抑圧（LTD）と呼ぶ。

よく踏まれる山道が踏み固められて歩きやすい一本道になっていくように、くり返し使われるシナプスは信号の通りやすい経路になっていく。逆に、人が通らなくなった道がやがて草に埋もれてわからなくなっていくように、使われないシナプスは伝える力を失い、やがて配線そのものが整理されていく。強さの変化はゆっくりと、しかし確実に、その二つのニューロンのあいだの関係を書き換えている。

この現象を最初に予言したのは、心理学者ドナルド・ヘッブだ。「同時に発火した細胞は結びつきを強める」という一文は、のちにヘッブ則と呼ばれ、学習や記憶の土台となる考え方として広く受け入れられている。

同時に発火した細胞どうしが、結びついていく。

あるシナプスが強まるかどうかは、送り手が発火した瞬間に受け手も発火していたか、というタイミングの一致にかかっている。いわば個々のシナプスは、二つの細胞の発火が同時だったかどうかを検出する装置として働いている。記憶がどのように脳に刻まれるのかという話は、第3部で改めて取り上げる。

第1部で見た、使われた結合が残り使われない結合が消えていくという回路レベルの刈り込みは、実はこのLTPとLTDという、一つひとつのシナプスでの強さの変化が数えきれないほど積み重なった結果にほかならない。スケールこそ違え、話は地続きだ。ミクログリアが最終的に刈り取るのは、こうして弱まりきったシナプスだと考えられている。

電気信号を化学信号に変え、また電気信号に戻す——この変換の主役が神経伝達物質だ。次の章では、グルタミン酸やGABAだけでなく、ドーパミンやセロトニンといった、それぞれ異なる性質を持つ神経伝達物質の顔ぶれを見ていく。