[論文レビュー] Basic Neural Units of the Brain: Neurons, Synapses and Action Potential

Jiawei Zhang|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Cellular transport and secretion参考文献 7被引用数 37

ひとこと要約

この論文は基本的なニューロン単位—ニューロン、シナプス、アクションポテンシャル—の構造、タイプ、シグナル伝達機構を網羅したチュートリアル的概要を提供します。

ABSTRACT

As a follow-up tutorial article of [29], in this paper, we will introduce the basic compositional units of the human brain, which will further illustrate the cell-level bio-structure of the brain. On average, the human brain contains about 100 billion neurons and many more neuroglia which serve to support and protect the neurons. Each neuron may be connected to up to 10,000 other neurons, passing signals to each other via as many as 1,000 trillion synapses. In the nervous system, a synapse is a structure that permits a neuron to pass an electrical or chemical signal to another neuron or to the target effector cell. Such signals will be accumulated as the membrane potential of the neurons, and it will trigger and pass the signal pulse (i.e., action potential) to other neurons when the membrane potential is greater than a precisely defined threshold voltage. To be more specific, in this paper, we will talk about the neurons, synapses and the action potential concepts in detail. Many of the materials used in this paper are from wikipedia and several other neuroscience introductory articles, which will be properly cited in this paper. This is the second of the three tutorial articles about the brain (the other two are [29] and [28]). The readers are suggested to read the previous tutorial article [29] to get more background information about the brain structure and functions prior to reading this paper.

研究の動機と目的

• 脳の細胞レベルの構成（ニューロン、シナプス、神経膠細胞）とそれらが神経信号伝達において果たす役割を紹介する。
• ニューロンの構造、分類（形態と機能）、結合性を説明する。
• シナプスの構造、シナプス小胞、神経伝達物質、およびシナプス小胞サイクルとリサイクルを説明する。
• 膜電位、イオンチャネル、ポンプ、およびアクションポテンシャルの発生を論じる。

提案手法

• 入門書および既存文献からの基礎的な神経科学概念の調査と統合。
• ニューロン形態（細胞体、樹状突起、軸索、髄鞘、ランビエ結節）と支持グリア細胞の詳細な解説。
• 化学シナプスと電気シナプスの構造と伝達機構の説明。
• ドッキング、プライミング、融合、エンドサイトーシスを含むシナプス小胞サイクルの段階的解説。
• 膜電位の維持、イオンチャネル、およびアクションポテンシャルの発生についての考察。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニューロンのコアとなる構造要素は何であり、それらは信号を処理・伝達するためにどのように相互作用するのか？
• RQ2 シナプスは電気信号を化学信号へ、そして再び電気信号へ変換する際にどのように機能し、シナプス小胞と神経伝達物質はどのような役割を果たすのか？
• RQ3 ニューロンにおけるアクションポテンシャルの発生と伝導を支える機構は何か？
• RQ4 グリア細胞は神経伝達と可塑性にどのように寄与するのか？

主な発見

• ニューロンは体細胞体、樹状突起、および単一の軸索で構成され、興奮性に影響を与える軸索丘、髄鞘、ランビエ結節などの特殊構造を持つ。
• シナプスは化学的および電気的な形態を取り、シナプス小胞と神経伝達物質がシナプス間隙を介した化学的シグナル伝達を媒介する。
• シナプス小胞は小胞輸送、充填、ドッキング、プライミング、融合、エンドサイトーシスを経て循環し、迅速な神経伝達物質の放出とリサイクルを可能にする。
• 膜電位はイオン勾配とイオンチャネル／ポンプによって生成され、グレーデッドポテンシャルと全か無かのアクションポテンシャルが信号を伝搬する。
• グリア細胞は豊富に存在し、単なる支持以上に脳の信号伝達と可塑性に積極的に関与することがますます理解されてきている。
• 脳内の信号伝達の過程は、サブ秒のスケールで電気的信号伝達から化学的信号伝達へ、そして再び戻る変換を含む。