2017年12月

2017年12月21日

双極細胞

双極細胞
（Bipolar cell)

○双極細胞とは

双極細胞は、網膜に存在し、いくつかの視細胞（錐体細胞、桿体細胞）からの信号を処理して神経節細胞へと伝える細胞である。視神経の光応答シグナルを受け取って活性化するオン型と、シグナルがない場合に活性化するオフ型の、二種類が存在する。

図１　網膜の細胞
　青：視細胞（円柱型桿体細胞・錐型錐体細胞）
　赤：水平細胞　
　橙：双極細胞　
　緑：アマクリン細胞　
　黄：神経節細胞

○受容野

受容野とは、ある細胞ないし集団が担う受容の領域である。例えば目全体の受容野は、見えている現実世界の領域のことであり、レンズを頂点として、前方に無限に広がる円錐型をしている。一つ一つの双極細胞は幾つかの視細胞のシグナルをまとめて受容しているが、担当する視細胞達が光を受けている領域が、双極細胞の受容野である。一細胞あたりの受容野が小さければ小さいほど解像度は高い。双極細胞は中心窩の付近で最も密であるから、そこが視力を決定する。

○オフ中心とオン中心

オフ型の双極細胞は、又の名をオフ中心型ともいう。

すなわち、受容野の中心がオフで周縁部がオンの時に活性化されるが、受容野の中心と周縁部がともにオフであるときは抑制される。オン中心型はこの逆であり、中心がオンで周縁がオフの時に活性化する。この仕組みによって目はコントラストを認識し、境界をはっきりと認識することができる。この機構には、水平細胞も大きく関与する。

→水平細胞

○オン、オフの分子機構

オン型、オフ型の差を生み出す分子機構においては、視細胞からの神経伝達物質であるグルタミン酸の受容体の違いが重要である。視細胞は光を浴びると膜が過分極を起こしてグルタミン酸の放出量が低下するが、双極細胞はこれを検知している。

まず、オン型の双極細胞は受容体としてmGluR6を持っている。mGluRは代謝型グルタミン酸受容体と呼ばれるグループに属したGPCRである。mGluR6はGiと共役しており、グルタミン酸を受容するとアデニル酸シクラーゼの活性を低下させ、cAMP濃度を下げる。cAMPはPKAを活性化し、PKAはCaチャネルをリン酸化し、開くことで脱分極を起こす働きがあるため、mGluR6は興奮を抑制する向きに働く受容体である。

視細胞が光を受けてグルタミン酸の放出量が減ると、この抑制効果が小さくなるため、興奮が下流へ伝わっていく。

一方、オフ型の双極細胞に存在する受容体はAMPA/KA型である。AMPA/KA型はチャネル共役型受容体であり、グルタミン酸と結合すると陽イオンチャネルを開いて脱分極を起こす。視細胞が光を受けてグルタミン酸が減るとこのチャネルが閉じるため、興奮は抑制される。

図3　光を受けたときの双極細胞の過分極・脱分極の関係

○双極細胞の種類

桿体双極細胞と、3種類の錐体双極細胞が存在する。錐体双極細胞はオン中心型、オフ中心型ともに存在する一方で、桿体双極細胞はオン中心型のみが存在する。錐体双極細胞は直接に神経節細胞にシグナルを伝えるが、桿体双極細胞はアマクリン細胞を介する、という違いもある。

○まとめ

・双極細胞は、視細胞の信号を神経節細胞に伝える細胞

・オフ中心型とオン中心型の二種類が存在する。

・グルタミン酸受容体の違いによって、オフ中心・オン中心の機能が支えられている。

〇関連項目
・水平細胞
・桿体細胞
・錐体細胞

〇参考文献
・滋賀大学「痛みと鎮痛の基礎知識」
（http://www.shiga-med.ac.jp/~koyama/analgesia/basic-eye.html）
・東京女子大学「生物学特論」　第１２回　講義資料
(http://www.cis.twcu.ac.jp/~asakawa/MathBio2010/lesson12/）
・下垂体脊椎動物網膜の水平細胞から錐体への情報伝達に関する研究の進歩　高橋恭一
・Wikipedia「受容野」
・脳科学辞典「受容野」

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2017年12月20日

錐体細胞

錐体細胞
（Cone cell)

○錐体細胞とは

錐体細胞とは、網膜の中心窩付近に存在し、色を検知する円錐型の視細胞である。もう一つの視細胞である桿体細胞は暗所にて働く一方で、錐体細胞は明所で働く。光の三原色に対応する三種類の細胞があり、色を検出することができる。色素としてフォトプシンを持つ。

図１　錐体細胞
光は図の下側から差し込む。１と示されている領域に色素が存在する。

○中心窩

中心窩とは、網膜の中央部に存在する直径1mmほどの窪みである。錐体細胞と神経節細胞が密に存在し、視野の中央に対応して視力を決定する。中心窩の周りではキサントフィルと呼ばれる黄色い色素が存在し、黄斑と呼ばれている。

中心窩にはわずかな光を検知する桿体細胞が存在しないため、暗い星を見る際は目線をそらすのが良いとされる。桿体細胞は黄斑や中心窩の外側に存在することで、広い視野で物体の動きなどを検知することができる。

図２　眼球

○フォトプシン

　錐体細胞が持つ色素、フォトプシンは、桿体細胞のロドプシンと同様、オプシンというGPCRとシス型レチナールとが可逆的に共有（シッフ塩基）結合した物質である。シス型レチナールが光を浴びてトランス型に変化するとオプシンから外れ、フォトプシンが活性体（メタII体）となり、Gタンパク質のトランスデューサーを介してホスホジエステラーぜを活性化する。ホスホジエステラーぜはcGMPの濃度を下げることで過分極(膜電位の低下)を誘発し、下流にシグナルを伝える。

　フォトプシンは活性体であるメタII体の崩壊がロドプシンに比べて早いため、シグナルの増幅は小さく、錐体細胞の感度は低くなる。逆にメタII体の生成や回復も早いため、桿体細胞に比べて素早い光応答や、素早い順応が可能である。

○錐体細胞の種類

光の三原色に対応して、錐体細胞には赤錐体、緑錐体、青錐体の三種類が存在する。それぞれの吸収波長に応じてL錐体.M錐体.S錐体ともいい、それぞれ別のフォトプシン(GPCR)を持っている。ロドプシンが一種類しかないのに対して人が三種類のフォトプシンを持つのは、わずかなアミノ酸配列の違いで吸収波長が変化していることに起因する。

図３　吸光スペクトル
S、M、Lはそれぞれ錐体を表し、Rは桿体を示す。

○錐体細胞と進化

人の遠い祖先にあたる爬虫類は4種類の色素を持っているが、かつて夜行性であった哺乳類は色覚を必要とせず、2種類にまで退化してしまった。青を検知するS錐体と、赤を検知するL錐体である。いまから3000万年前に霊長類の祖先がL錐体が変化したM錐体（緑錐体）を獲得したため、現在のヒトは三色覚である。この形質は、果実を採るのに優位であったと言われている。

M錐体は性染色体のX染色体上にあるため、はじめはそれをホモ接合で持つ女性のみが三色覚を保有していた。ある時に相同組み換えがおこってX染色体上にM錐体の遺伝子が二つ重複して乗るに至り、男性も三色覚となったという。

○色覚異常

色覚異常は、少なくとも一種類の錐体細胞を欠損している人が持っている障害である。全て、もしくは二種類の錐体細胞を欠損すると、一色覚となる。一色覚は珍しいが、ミクロネシアのピンゲラップ島で多くみられる。これは、かつて台風で住民が壊滅した時の生き残りである20人の中に一色覚の人がいたためだと考えられている。

一種類の錐体細胞を欠損した人は二色覚と呼ばれている。よく見られるのは、M錐体を損失した赤緑型色覚異常であり、男性に多い。先述のようにM錐体はX染色体上にあるため、X染色体を一本しか持たない男性は、その染色体がM錐体を欠損する場合に色覚異常となる。一方で、女性は二本とも欠損している場合にのみ色覚異常となるため、その割合は低い。

「色盲」が問題となった事件としては、香淳皇后の家系に「色盲」がいるとして山縣有朋が婚姻に反対した、宮中某重大事件が有名である。

○関連項目

・桿体細胞

〇参考文献

・錐体と桿体の光応答特性を生み出す視物質の性質とその分子内機構　今井啓雄

・Wikipediaの各項目

　ロドプシン

　フォトプシン

　錐体細胞

　中心窩

　色覚異常

・脳科学辞典
　受容野
　ロドプシン

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2017年12月19日

桿体細胞

桿体細胞
(Rod cell)

○桿体細胞とは

桿体細胞は、眼球の網膜に存在し、明かりを検出する細胞である。色素としてロドプシンを持っているが、一種類であるため、色を認識することはできない。暗所において機能し、明所に働く錐体細胞とともに、まとめて視細胞と呼ばれている。網膜は眼球の基底に存在する膜であるが、その表（外界）側に神経が走っており、桿体・錐体細胞はそれよりも内側に所在する。色素が存在する外節、ミトコンドリアなどがある内節、シナプス領域からなり、円柱型である。外節は扁平な袋状の円板膜と呼ばれる構造をしており、膜上にロドプシンが刺さる。一次繊毛が変形してできたこの構造によって、神経細胞層を透過してきた光を効率よく吸収することができる。

桿体細胞

図１：桿体細胞（Wikipedia)

○ロドプシンとレチノール

ロドプシンは視細胞に存在する色素であって、深青色に吸光ピークを持つため、補色によって視紅と呼ばれる。7回膜貫通型Gタンパク質共役型受容体のオプシンと、オプシンに可逆的に共有結合するレチナールから成る。レチナールはビタミンA（レチノール）が酸化されてできるアルデヒドであるため、ビタミンAの欠乏は夜盲症をもたらす。レチノールからレチナールへの酸化反応は、網膜に豊富に存在するアルコール脱水素酵素が担う。メタノールを飲むと失明するのは、メタノールからアルコール脱水素酵素によって生成されるホルムアルデヒドが有毒なためである。

ビタミンAから合成されたレチナールはビタミンAと同じくトランス型を取るが、酵素イソメラーゼによってシス型となり、オプシンに収納される。ロドプシンに光が当たるとレチナールはシス型からより安定なトランス型に変化し、オプシンから外れる。この時、ロドプシンはメタロドプシンⅡという活性体となっている。

図２：レチノール
末尾のアルコールがアルデヒドになったものがレチナールである。

○シグナル伝達

一分子のメタロドプシンⅡはGタンパク質であるトランスデューシンを介してホスホジエステラーゼを活性化し、細胞内のcGMPが分解される。網膜には環状ヌクレオチド依存性Na,Caチャネルが存在しており、cGMP濃度が低下すると閉じるため、過分極が起こる。通常状態における桿体細胞はやや脱分極状態にあり、シナプス末端から双極細胞へ、神経伝達物質のグルタミン酸が放出されている。過分極はこのグルタミン酸の量を減らし、双極細胞→神経節細胞へと、下流の神経へシグナルを伝えることができる。

図３　網膜の構造
　視細胞は一番下層の視細胞外節層で光を受容し、シグナルを外核層→内核層（双極細胞）へと伝える。

○シャットダウンと回復

光を受容した桿体細胞は、間もなく元に戻り、新たな光を吸収する必要がある。その機構として、メタロドプシンⅡとGタンパク質の不活化や、cGMPの合成促進が行われている。メタロドプシンⅡはロドプシンキナーゼによってリン酸化され、さらにアレスチンというタンパク質に結合することで、Ｇタンパク質の活性化能を失う。そのGタンパク質は、GAP(GTPase Acivating protein)の働きを受けて不活性型に変化する。cGMPに関しては、細胞内Ca濃度の低下で活性化されるグラニル酸シクラーゼによって合成される。合成されたcGMPはチャネルを開いて脱分極を引き起こし、桿体細胞をもとの不活状態に戻す。アレスチンによるロドプシンの不活化が強力であるため、ヒトの桿体細胞の回復には30分程度の時間がかかる。

〇関連項目
・錐体細胞

〇参考文献

・視細胞の光受容メカニズム　今元泰

・ロドプシンｰ脳科学辞典(https://bsd.neuroinf.jp/wiki/ロドプシン)

・桿体細胞-Wikipedia (https://ja.wikipedia.org/wiki/桿体細胞)

・Rod cell-wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Rod_cell)

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2017年12月01日

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最終更新：2019年1月20日

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