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解剖・栄養生理学
解剖・栄養生理学 神経系の生理 参考書: 山本ら 第4、7～8章 藤田 pp227～277 Mader 第13章 この講義で身に付けること • ニューロンの解剖および活動電位の伝導メ カニズムを理解する • 中枢神経と末梢神経の解剖とメカニズムを 理解する • 脳の解剖と機能を理解する • 認知症・うつと葉酸の関係を学ぶ 神経の概要 求心路 知覚情報 遠心路 運動コマンド 中枢神経 知覚神経 運動神経 受容器 効果器 自律神経 体性運動神経 交感神経 消化器系 以外を活発化 動悸 息切れ 瞳孔散大 副交感神経 ペアになって 反対の作用 消化作用促進 排尿・排便 その他は抑制 中枢神経と末梢神経 • 神経は中枢神経系（CNS)と末梢神経系 （PNS)に分類される • CNSは脳と脊髄ホメオスタシスの維持 • PNSは神経線維刺激を情報として脳 に伝えその反応を末端に伝える • 2種類の細胞に分類できる – 神経細胞(ニューロン) – グリア細胞(支持細胞) ニューロンとは? • • 神経系の構成・機能的単位である神経細胞 細胞体・軸索・樹状突起で構成されている – 樹状突起：外部からの情報を受け取る興奮する – 軸索を通って終末に運ばれて(興奮伝導)興奮を伝 える(興奮伝達) • • • 神経を伝わっている信号＝神経の興奮 神経に沿って興奮が伝わること＝興奮の伝導 伝導の速度は計算可能 – 1m/secから100m/secまで様々 • 神経などを興奮させる環境の変化＝刺激 ニューロン(神経細胞)の種類 1) 感覚ニューロン(感覚神経細胞)：捉えた刺 激を感覚としてCNSに伝える 2) 運動ニューロン(運動神経細胞)：脳からの 指令を筋や腺(効果器)に伝える 3) 介在ニューロン(介在神経細胞)：CNS内 で情報を神経細胞から神経細胞に伝える ニューロンの種類と構造 http://www.geocities.jp/ululu_o_ululu/report-07-0101.jpg 支持細胞(グリア細胞) • 中枢神経に4種類 – 上衣細胞：脳室内での脳脊髄液の循環や脳室から脳 実質への物質輸送 – アストログリア(アストロサイト)：栄養補給、ダメージの 修復、ホルモン生産 – ミクログリア：破損した神経細胞や老廃物の除去 – オリゴデンドログリア(稀[希]突起膠細胞・オリゴデンド ロサイト)：髄鞘を形成し栄養補給と神経細胞の維持 • 末梢神経に2種類 – 衛星細胞：神経節で神経細胞の核周部を覆う – シュワン細胞：末梢神経に存在。髄鞘を分泌 髄鞘(ミエリン鞘)とシュワン鞘 • 軸索にはオリゴデンドログリアやシュワン細胞が巻き つく – 中枢神経：オリゴデンドログリア – 末梢神経：シュワン細胞 • 髄鞘(ミエリン鞘)：オリゴデンドログリアやシュワン細胞 の細胞膜が巻きついて形成 • シュワン鞘：シュワン細胞の細胞質が取り巻く部位 • ミエリン(スフィンゴ脂質) 髄鞘の主成分絶縁能力 が高い – 髄鞘と髄鞘の間ランビエ絞輪 – 興奮の伝導と神経線維が成長するための通路 髄鞘の有無と存在部位 • • 1) 2) 3) 4) 髄鞘のあることを有髄、シュワン鞘のあることを 有鞘という 神経細胞によって軸索が髄鞘やシュワン鞘で 覆われているかに違いがある 無髄無鞘線維：中枢 無髄有鞘線維：末梢 有髄無鞘線維：中枢 有髄有鞘線維：末梢 灰白質 自律神経(節後線維) 白質 体性神経(運動・知覚) 静止電位と活動電位 • ニューロンには「興奮」か「静止」のどちら かの状態しかない(全か無かの法則) • 軸索の内部が外部と比べてマイナス(-)に 帯電している状態＝静止時静止電位 • 特定の強さの刺激を受けると興奮する • 興奮するかしないかの境界値＝閾値 • 興奮によって起きる軸索の細胞膜の極性 (電位差)の変化＝活動電位 電位差のメカニズム • 軸索の細胞膜を挟んでイオンの分布に違 い – 軸索の外部ではNa＋濃度が高い – 軸索の内部ではK+濃度が高い • 濃度の違いを一定に保つメカニズム – ナトリウムーカリウムポンプ(能動輸送) – Na＋とK+は常に拡散で細胞膜を透過して行く が、細胞膜はK+に対してより高い透過性を持 つ常に外部により多い＋イオンが存在する – ーに荷電したイオンが軸索の細胞質に存在 興奮の伝導 • 活動電位が起きると 1) Na＋チャネルが最初に 開く軸索内の電荷が －から＋に変化する(脱 分極) 2) Ka＋チャネルが開く 軸索内の電荷が－に 戻る(再分極) 軸索 活動電位 軸索 http://stevebambas.com/AP%20210%20Neurons%20Images/AP%20210%20Action%20Potential%20Two.jpg 跳躍伝導 • 有髄神経線維には髄鞘が巻かれている – 電気を通さないので電流はランビエ絞輪だけ 流れる – ↑伝導スピード＆脱分極の面積が少なくてす むエネルギー節約 http://im-ctu.com/essay/media/6/20080902-ランビエ絞輪二.png 神経線維の種類 種類 A α β γ δ B C 直径 20～12 14～8 8～2 3～1.5 3 1 伝導速度（m/sec) 120～60 80～30 55～15 30～6 15～3 0.8～0.3 髄鞘 機能 有髄 運動および知覚 有髄 自律神経節前線維 無髄 自律神経節後線維、 皮膚感覚の一部 • 伝導速度による分類方法 • 直径の違いによる分類方法もある 教科書 p99 軸索輸送と変性 • ニューロン内部ではタンパク質などが生産され て終末に向けて輸送される(軸索輸送) – 逆行する物質もある • 神経が切断されると2～3日で軸索の消失一 週間後にシュワン細胞による中空管の形成＆ 切断2～3日後から切断部での再生の開始 (ウォーラーの変性) • 細胞体に近い部位で切断が起こると変性が細 胞体に達するニューロンの完全な消失 シナプスでの伝達 • 他の樹状突起や細胞体に面している軸索 の先端軸索終末 • 面している領域＝シナプス – シナプス前膜(要素)・シナプス間隔・シナプス 後膜(要素) • 活動電位は神経伝達物質を使いシナプス を渡る＝伝達 – 広範囲に広がる発散とシナプスが集約するこ とによる集中 統合 http://www2j.biglobe.ne.jp/~fkamiya/HB/images/F1206b.jpg シナプスでの伝導メカニズム 軸索終末 活動電位 Ca2+チャンネル http://www.colorado.edu/intphys/Class/IPHY3430-200/image/11-13.jpg 中枢神経と 末梢神経 • 中枢神経(CNS) – 脳と脊髄 • 末梢神経(PNS) – CNSの外に存在する 神経と神経節 – 神経＝軸索の束 – 脳神経(12対)＋脊髄 神経(31対) – 体性神経系(知覚神 経＋体性運動神経) と自律神経系 坂井、橋本、2011、p77 CNS：脳と脊髄 －髄膜と脳脊髄液の解剖－ 坂井、橋本、2011、p115 –脳脊髄液で生産・貯蔵される 静脈に排水できなくなると障害発生 灰白質と白質 坂井、橋本、2011、p79 灰白質：細胞体と無髄神経線維 白質：有髄神経線維 有髄神経線維が束になって伝導路を形成 ニューロンの密集体はPNSにも存在神経節 脊髄 後正中溝 後索 後根入口 前灰白質(前柱) 脊髄神経(前根・後根) 後中間溝 後灰白質(後柱) 側索 前索 後根神経節 軟膜 脊髄神経節 クモ膜 三層 構造 硬膜 前正中裂 http://www.mypsychologyblog.com/wp-content/uploads/2010/03/SpinalCord.jpg 脊柱管の中に脊髄が伸びている • 坂井、橋本、2011、p86 • 椎骨の間から脊髄神経(末梢 神経の一部：31対)が伸びる 知覚ニューロン(求心路・上行 路)と運動ニューロン(遠心路・ 下行路)が存在する • ベル・マジャンディの法則 – 求心路(知覚)は後根から – 遠心路(運動)は前根から • 求心路・遠心路は経路過程で 交差する脳が支配する体の 部位は左右逆 • 反射の中枢 無条件反射(条件反射と区別) • • • • • 反射中枢が脊髄にあるもの＝脊髄反射 先天的に持っている定期的反応 体性反射と自律性反射 反射弓：受容器求心性神経反射中枢遠 心性神経効果器 反応が起きるまでの時間＝反射時間 • 例：膝蓋腱反射・対光反射(瞳孔の収縮の 確認)で延髄の異常を確認(呼吸と循環を 司る部位) – 異常があるときでは反応が違う診断 条件反射 • 条件反射：条件付け (経験)することで起 きる反射 – 酸味の食品を見ると 唾液が出る • イワン・パブロフが 犬を使って実証した • 1904年ノーベル生 理学・医学賞受賞 Ivan Petrovich Pavlov 1849 -1936 http://iespinardelarubia.centros.educa.jcyl.es/sitio/upload/img/Pavlov.jpg 脳の構造 • 大脳・間脳・小脳・ 脳幹に分類 • 左右の脳は脳梁で 連絡 – 左脳は言語機能 と計算機能 – 右脳は認知・立 体的構成の把握 • 血液脳関門 • ブドウ糖のみをエ ネルギー源として 利用 坂井、橋本、2011、p114 脳毛細血管の選択的透過性 • 機械的保護は頭蓋骨・髄膜・髄液 • Blood-Brain-Barrier(血液脳関門)で血液 からの有害物質を防いでいる – タイト(密着)結合：隣接する細胞膜のタンパク質同 士の結合不浸透性の確保 – アストロサイト • 通過可能：水・酸素・二酸化炭素・グル コースなど • 通過不可：色素・Na+・K+・Mg2+や有害物 質(アルコールやニコチンなど一部を除く) アルコール • GABA(抑制伝達物質)やグルタミン酸(興奮性 伝達物質)の受容体と結合脳機能の抑制 – 判断能力・運動能力の低下 – 脳萎縮の推進 • 純アルコール摂取が20gを超えると死亡率が 増加するとの報告がある 平成19年度厚生労働科学研究｢わが国における飲酒の実態ならびに飲酒に関連する生活習慣病、公衆衛生上の諸問題とその 対策に関する総合的研究｣ 脳の機能解剖学的分類 まとめて大脳と呼ぶ場合もある http://kaoru.to/brainadv/brainarea02.png •大脳皮質：大脳の表面を覆ってい る灰白質感覚・随意運動・意識の 中枢 •古皮質と新皮質(大脳実質の90％) 大脳の解剖 •白質：有髄神経線維 •感覚・運動・連合野 間の情報交換の場 •左右の大脳半球間 での情報交換 •基底核：白質の下層に ある灰白質運動指令 の統括 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/Brain_diagram_ja.svg 中心溝に沿って切ると運動野(前方)と 感覚野(後方)に分けられる 坂井、橋本、2011、p119 大脳は3層構造 扁桃体 海馬 http://www.flyfishingdevon.co.uk/salmon/year2/aggression/amygdala-hippocampus.jpg • • • 坂井、橋本、2011、p118 大脳皮質：灰白質の層(細胞体の密集領域) 大脳辺緑系：感情・欲求の中枢、海馬は空間や短期 記憶と関連、扁桃体は記憶の固定と関連 大脳基底核：大脳皮質からの情報を受けて運動調節 間脳 • • • 脳幹に含めることもある(大脳との関係が深い) 視床と視床下部が含まれる 視床：嗅覚以外の感覚を司る・記憶や情動にも 関与していると考えられている – 感覚情報を集めて大脳に送られる(高次脳機能の 門番) • 視床下部：本能行動・自律神経の中枢 – ホメオスタシス(体温・温熱・摂食・飲水・情動・性行 動・循環器と消化器・ホルモン分泌)を司る • • 下垂体：内分泌腺 松果体：メラトニンの分泌(概日リズムと関係) 狭義での脳幹は中脳・橋・延髄 • 中脳 – 伝導路の中継点 – 視覚・聴覚・感覚・姿勢・排尿(抑制)調節の反射 • 橋 – 小脳と他のCNSの橋渡し – 呼吸や視覚・聴覚・排尿(促進)の反射中枢 • 延髄 – 心臓・呼吸・血管運動・消化器・発汗調節の反射中 枢 • 紋様体(脳幹の中央部にある構造) – 脳幹を通る灰白質と神経線維のネットワーク – 不必要な情報をふるいにかける役割も持つ • • 間脳：視床、視 床下部 脳幹： 間脳と脳幹 – 情報の橋渡し – 生命活動を維 持する中枢 中脳 – 呼吸・体温調 節・血圧調節 – 脳神経が集まっ ている • • 後脳：橋と小脳 菱脳：延髄と橋 間脳 後脳 橋 延髄 菱脳 http://facstaff.gpc.edu/~jaliff/brastem2.gif ラットによる研究結果 各群8匹の実験でHFCS(異性化糖)の長期摂取が 体重増加と腹部脂肪の増加が見られた(オスでより 顕著な結果) Bocarsly et al. Pharmacol Biochem Behav 2010 Cha SH, et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008; 105(44):16871-16875. 小脳 • • • 橋と延髄の背側に ある 随意筋の調節と協 調 速い運動に対して の平衡・姿勢維持・ 運動の調和 小脳 http://www.memorylossonline.com/glossary/images/cerebellum.jpg 脳死と植物状態の違い • 脳死：大脳から延髄の機能が喪失した状 態でも心機能は働いている状態 – 自発呼吸や反射が消失 • 植物状態：大脳の機能のみが喪失した状 態心機能・呼吸機能・反射は見られる • • • • • • • • • • • • 嗅神経： 視神経： 動眼神経: 滑車神経: 外転神経： 三叉神経： 顔面神経： 内耳神経： 舌咽神経： 迷走神経： 副神経： 舌下神経： PNS: 脳神経は12対 坂井、橋本、2011、pp82-83 脊髄神経は31対 • • 前根(遠心路)と後根(求心路)が 合わさって脊髄神経になる 脊髄神経は前枝と後枝に分か れる – – – – – – 前枝は太く神経叢を形成する 頚神経(8対[C1 – C8]) 胸神経(12対[T1 – T12]) 腰神経(5対[L1 – L5]) 仙骨神経(5対[S1 – S5]) 尾骨神経(1対[C0]) 坂井、橋本、2011、p84 皮膚の分節(皮膚節) • • 知覚神経の帯状支配領域 発生の過程で神経が分節化しても、 当初支配した皮膚や筋肉を支配し 続ける – (C1~C4)頚神経叢・横隔神経 – (C5~T1)腕神経叢 – (T1~T12)肋間神経 – (L1~L4)腰神経叢 – (L5~S3)仙骨神経叢(下腿を支 配する坐骨神経がここから出る) 坂井、橋本、2011、p85 「自律神経の二重支配」 • • • • • 神経節が存在 – CNSから神経節 ＝節前神経 – 神経節から臓器 ＝節後神経 交感神経：エネルギー 消費、ストレス対応 副交感神経：エネル ギーの蓄積 節前神経・節後副交感 神経はコリン作動性 節後交感神経はアドレ ナリン作動性 http://www.healthaid.jp/image/healthaid/healthy2/healthy4.gif プリオン病 • 脳に空洞が出来てスポン ジ状になる疾患 • 牛海綿状脳症(BSE)やク レイビー(羊)、クロイツ フェルト・ヤコブ病(ヒト) • タンパク質物質であるプ リオンの異常が原因とす る説が有力 • 感染経路 – 遺伝子の突然変異 – 外部からの感染 • 肉骨粉 http://sciencelife.uchospitals.edu/2010/01/29/linkage-129-the-prions-job-antivax-smackdown/#more-1867 十分な睡眠による脳の発達 • • Taki et al. Neuroimage. 2011 5－18歳の子供 290名の睡眠習 慣と脳における 白質と灰白質の 体積をMRIを使 い調査 睡眠時間が長 い子供ほど海 馬の灰白質の 体積が多い傾 向が見られた 朝ごはんが脳に与える影響 Taki et al. Plos One, 2010、川島隆太 講演スライド • 5－18歳までの男女(各145名)に対してMRIを実施 • 年齢、性別、SESなどを調整した後でも、朝食にごはん を食べる子供のほうが脳内の灰白質の割合が高かった • 成長期ほど割合の差が大きくなった • GIの違い(低GI食の方が安定したグルコースを供給) 食育と認知機能 東北大学 川島隆太教授 講演スライド 認知症とうつ • 認知機能障害 – 脳血管型とアルツハイマー型 • ビタミンB摂取不足と血中ホモシステイン(アミノ酸 の一種)値の上昇が認知力の低下と関係(Tucker et http://alzheimersinfo.info/ al. Am J Clin Nutr, 2005) • 血中ホモシステインの上昇はうつの発症とも関係 (Almeida et al. Arch Gen Psychiatr, 2008; Nanri et al. EJCN, 2010) 魚油と脳生理 • • • • • 魚油は多価不飽和脂肪酸のドコサヘキサエン 酸(DHA)とエイコサペンタエン酸(EPA)が多い DHAはシナプス膜の流動性を高める⇒情報伝 達機能が高まる – 老化によるシナプス機能の回復 DHAを多く摂取⇒学習能力やIQ向上(脳機能の 発達に関与) DHAの血栓・動脈硬化予防による血流量増加 やシナプス膜機能の変化⇒認知症改善 脳神経系機能の維持・向上にはDHAの総摂取 量が一日に1.0gは必要 葉酸と認知症・うつ予防 • 葉酸の効果 – ホモシステインの増加予防 から血管の損傷を防ぐ – アミロイド前駆体を合成す る遺伝子を抑制 • 2010年日本人の食事摂 取基準 http://www.miyakenvora.com/img/horensou.jpg – 成人(推奨量)240μg/日 – 耐容上限量：1300～ 1400μg/日 http://www.eiyoukeisan.com/calorie/img/gram/kaisou/nori_yaki_3.JPG 葉酸は寝たきり高額医療費の ３大病因を予防 （ 遺体 伝質 子 ） 野 菜 嫌 い 脊 椎 二 分 症 、 低 体 重 児 うつ病 血中ホモシステインの上昇 認知症 脳梗塞 骨 粗 鬆 症 心筋梗塞 推奨量240μgは高齢者、15%の遺伝子多型で不足 副学長講義スライド ホモシステインが高いと脳梗塞が5.5-7.5倍に増加 6 気づかない脳梗塞 *** 7 ** 5 脳 梗 塞 の 発 見 頻 度 8 症状のある脳梗塞 *** * 6 4 5 3 葉酸欠乏による 4 3 2 2 1 1 0 厚 労 省 の 葉 酸 策 定 基 準 は 13 0 <6.8 6.9-8.1 8.2-10.2 ≥10.3 ホモシステイン (nmol/ml) 副学長講義スライド <6.8 6.9-8.1 8.2-10.2 ≥10.3 ホモシステイン (nmol/ml) Araki et al. Geriatr Gerontol Inter 2003; 3: 15-23 葉酸添加に対する国際的な動き 2年間の坂戸市葉酸プロジェクトで坂戸市医 療・介護費を合計で約22.3億円節減 国枝寛： 日本公衆衛生学雑誌 学会抄録集56 ：167 (2009)