神経可塑性とは、変化し適応する脳の能力のことである。脳は驚くほど柔軟な器官である。私たちが成長し学習するにつれて、経験することは増え、脳細胞は進化する。このような構造的変化によって神経回路が形成され、過去に学んだことを新たな課題に応用できるようになる。
キーポイント
- 定義神経可塑性とは、新しい神経細胞の結合を形成し、脳の機能と適応に影響を与える脳の能力のことである。
- 機能大脳皮質の再編成を可能にし、新しい経験や学習、脳損傷からの回復に適応する。
- 影響慢性疼痛の管理、記憶と学習の強化に重要な役割を果たす。
- 強化：瞑想、新しい技能の習得、運動などの活動は、構造的可塑性を高める。
- 回復：脳科学において、怪我をした後のリハビリテーションに欠かせない。
- 生涯プロセス：生涯を通じて継続し、発達中の脳の回復力を促進する。
人間の脳は、驚くべき回復の旅を成し遂げることができる。脳卒中患者が読み書きを学び直したり、スポーツ選手が外傷性脳損傷後に細かい運動能力を取り戻したりする話はよく耳にする。これらの偉業は、私たちの神経系の強力な可塑性によって可能になっている。
中枢神経系（脳と脊髄）は、すべての思考、運動、感情、記憶の根源であり、要するに人間の経験である。神経可塑性を理解することは、私たちの脳とその他の神経系のダイナミックな性質を理解することである。そこから、私たちはこの潜在能力をどのように活用できるかを垣間見ることができるだろう。
神経可塑性とは何か？
神経可塑性（Neuroplasticity）とは、脳の並外れた変化能力を表す包括的な用語である。神経可塑性の他の用語は、脳の可塑性、神経の可塑性、神経細胞の可塑性などである。人間の脳が可塑的であることは、分子レベルから行動レベルまで、さまざまなレベルで明らかになっている。
「神経可塑性とは、外在的または内在的な刺激に対して、その機能、構造、結合を再編成することによって反応する神経系の能力と定義される。 神経可塑性は、健康な場合と同様に、脳疾患全体にわたって、重要な機能的役割だけでなく、治療的役割も担っている。ジャーナル・オブ・ニューロサイエンス.
ニューロン（神経細胞）は、動的な環境に応じて遺伝子発現パターンを編集することができる。このような変化は、神経細胞が互いに連絡を取り合うシナプスに変化をもたらす。ニューロンが発火すると、軸索からシナプス間隙に神経伝達物質が放出される。神経伝達物質は他のニューロンの樹状突起上のレセプターと結合し、その作用を活性化または抑制する。神経伝達物質を放出するニューロンはシナプス前ニューロンであり、神経伝達物質を受け取るニューロンはシナプス後ニューロンである。
神経可塑性には構造的なものと機能的なものがある。構造的可塑性とは、脳物質の量や樹状突起の数など、神経系における物理的変化を指す。機能的可塑性とは、神経経路の強さなど、ニューロン間の相互作用の変化を指す。
私たちが経験するシナプスの変化は、活動依存的可塑性と呼ばれる。活動依存性可塑性には機能的なものと構造的なものがあり、神経可塑性の中心に位置し、学習、記憶、治癒、適応行動などのより高度な機能に必要である。これらの変化は、急性のもの（短期的なもの）もあれば、長期間持続するものもある。
なぜ神経可塑性が重要なのか？
神経可塑性がなければ、私たちは成長し、学習し、環境に適応することができない。私たちの人生や経験のストーリーは、脳の構造やネットワークを変化させる。
神経可塑性はまた、疾病状態や感覚障害への適応においても重要な役割を果たしている。脳の可塑性の変化は、アルツハイマー病、パーキンソン病、不安障害、うつ病、心的外傷後ストレス障害、薬物中毒など、多くの疾患と関連している。
脳の機能的適応性がいかに驚異的であるかを説明するために、パーキンソン病患者を対象とした研究では、黒質（SN）ドーパミンニューロンのかなりの部分が失われるまで、運動症状は現れないと推定されている。控えめに見積もっても、その閾値は神経細胞の30％とされているが、症状が現れる前に最大70％の神経細胞が失われていることが研究で明らかになっている。
もうひとつの例は、生まれつき失明している人、あるいは人生のごく早い時期に失明した人を対象とした研究である。この研究では、点字を読むとこれらの患者の視覚野のニューロンが活性化することを発見し、神経ネットワークが「触覚」信号の中継に適応したことを示唆している。他の研究では、盲目患者の聴覚処理も同様に視覚野を活性化することがわかった。
神経可塑性の科学
神経可塑性の背後にある科学を理解するためには、細胞および細胞内レベルを調べる必要がある。私たちが自分の行動を適応させるのと同じように、他のニューロンと相互作用した後、ニューロンがどのように変化するかを見ていく。機能的可塑性の「一緒に発火し、一緒に配線する」原則に入る前に、まず神経発生を通して構造的可塑性を探る。
神経発生
私たちの多くは、生まれたときに決められた数のニューロンを持っており、ニューロンが損傷するたびに、そのボードから1つずつ消えていくのだ、と聞いたことがあるだろう。この考え方は、成人の脳におけるニューロンの数が比較的安定していることを反映しているとはいえ、時代遅れである。
神経新生は新しいニューロンの生成である。神経新生の割合は、胎児期から幼児期にかけては高いが、10代後半から成人期にかけては急激に低下する。成人の脳構造で神経新生が明確に確立されているのは、学習と記憶に重要な脳の領域である海馬の歯状回（DG）だけである。
動物モデルやヒトモデルでの研究から、海馬の神経新生は多くの認知機能や気分関連機能にも関与していることが示唆されている。新しく生成されたこれらのニューロンは、恐怖、不安、ストレス、パターン認識、空間記憶、注意などに関与している可能性がある。
海馬ほど確立されてはいないが、脳の他のいくつかの領域でも、低レベルの成体神経新生が起こりうることが研究で示唆されている。具体的には、大脳皮質の新皮質（高次機能）、線条体（運動と報酬経路）、嗅球（嗅覚処理）などで成体神経新生が起こる可能性がある。
神経新生は、生涯を通じて認知能力を維持し、いくつかの神経学的状態に適応する上で極めて重要である。しかし、ヒトの脳における神経新生の能力は加齢とともに低下し、成人の神経新生は脳の特定の領域でのみ起こる。脳の可塑性の主力は、脳回路の再配線であり、新しいニューロンの生成ではない。
共に発火し、共に配線する
カナダの心理学者ドナルド・ヘブは、シナプス前ニューロンがシナプス後ニューロンを繰り返し活性化させると、両者の結びつきが強くなると提唱した。他の科学者たちは、このヘッブ学習理論に "fire together, wire together"（一緒に発射し、一緒に配線する）というニックネームをつけた。これは素晴らしいニモニックだが、神経接続に対するタイミングの影響を単純化しすぎていることを忘れてはならない。
ヘブ学習は、スパイク・タイミング依存性可塑性（STDP）についての我々の理解の基礎を形成しており、2つのニューロン間の刺激のタイミングが、結果を決定する上で重要であると述べている。シナプス前ニューロンがシナプス後ニューロンの直前に発火すると、シナプス後ニューロンがシナプス前刺激によってより容易に活性化できるようになる。
しかし、シナプス前ニューロンがシナプス後ニューロンの直後で発火すると、結合は弱まり、シナプス後ニューロンは活性化しにくくなる。実際に2つのニューロンが同時に "一緒に発火 "した場合、その結合の強さは変わらない。
これまでのところ、このメカニズムの最も一般的なモデルは、長期増強（LTP）として知られる現象を含んでいる。LTPにおいて中心となる神経伝達物質は、古典的な興奮性神経伝達物質であるグルタミン酸である。シナプス後膜に存在するNMDAグルタミン酸受容体がLTPを媒介する。マグネシウムイオンはベースラインでNMDA受容体をブロックする。
シナプス後細胞膜が活性化すると、NMDA受容体はマグネシウムイオンを排出します。これによりカルシウムイオンがNMDA受容体を通過できるようになります。そしてカルシウムイオンは、典型的なグルタミン酸受容体であるAMPA受容体の分布を変化させ、その膜発現を増加させます。こうして、シナプス後ニューロンはグルタミン酸に対してより敏感になり、活性化しやすくなる。
LTPは長期抑圧（LTD）という関連概念と連動している。LTDは、シナプス前ニューロンの発火が弱すぎてシナプス後ニューロンを活性化できない場合や、シナプス後ニューロンがシナプス前ニューロンより先に発火し始める場合に生じる。
LTDは急性ストレス反応に関与していることが示唆されており、神経変性疾患で起こるシナプスの消失の根底にある可能性がある。例えば、アルツハイマー病の病態には、LTPの減少とLTDの増加が関与している。しかし、LTPが常に良いわけではなく、LTDが常に悪いわけでもない。コカインのような薬物は、LTP/LTD経路の決定因子を変化させ、その使用によってLTPが異常に刺激され、LTDが阻害されるため、中毒を引き起こす。
LTP/LTDに依存する神経可塑性経路は、シナプスを再構築する。シナプス可塑性は、私たちが記憶を形成し、学習し、過去の経験に基づいて将来の行動を適応させる能力の根底にある。
神経可塑性と学習
学習の過程は、生物が過去の経験を新しい状況に適用するときに起こる。したがって、学習は記憶の形成と密接な関係がある。研究者たちは、脳の可塑性と記憶形成を結びつけるために、記憶エングラムと呼ばれるものを探し求めた、
記憶エングラムは、細胞内変化と行動変化の橋渡しをする。記憶エングラムに関する最も確かな証拠は、恐怖条件付けに関する研究から得られた。恐怖条件付けとは、嫌悪刺激と対になった中立刺激に対する生物の学習反応を指す。
例えば、研究者はマウスに聴覚刺激、例えば特定の曲を聞かせた後、マウスが固まるような足ショックを与えた。やがて、マウスは足裏ショックを与えずに聴覚刺激に反応しても固まるようになった。この研究では、足へのショックが扁桃体のニューロンを活性化させ、同じニューロンが聴覚刺激に反応して活性化し始めたこともわかった。従って、神経経路の細胞レベルの変化が行動の変化を説明したのである。他の条件付け研究でも、海馬、扁桃体、大脳皮質が関与する同様の記憶エングラムが見つかっている。
他の研究者たちは、光遺伝学的手法を用いて、マウスの特定の脳領域でLTPとLTDのプロセスをオン・オフさせた。その結果、シナプス可塑性を光遺伝学的に操作して扁桃体を標的にすると、特定の恐怖条件付け反応の神経回路網を不活性化し、その後再活性化できることがわかった。言い換えれば、シナプス可塑性と学習の間に直接的なつながりがあることがわかったのである。
明示的な記憶の形成など、より高度な学習過程には、より複雑なメカニズムが関わっている。それにもかかわらず、シナプス可塑性、つまり新しい結合を付け加えたり、余計な結合を切り捨てたりして、脳が自分自身を再配線する能力は、私たちが学習し成長する能力の中心となっている。
神経可塑性とストレス
ストレスは、身体全体に広範な影響を及ぼす生理的状態である。慢性的なストレス下では、神経細胞の形態が変化する。この現象は海馬で顕著である。学習・記憶機能に加え、海馬は視床下部-下垂体-副腎（HPA）軸と相互作用し、ストレス反応を調節している。
慢性ストレス下では、海馬の錐体細胞は樹状突起を後退させる。シナプス後神経細胞は樹状突起を介して刺激を受けるため、樹状突起の収縮はシナプス伝達の有効性を低下させ、海馬体積の減少につながる。内側前頭前野のニューロンもストレスに対して同様の反応を示す。扁桃体の神経細胞は慢性ストレス下では逆の変化を示し、海馬の損傷を増強する。
しかし、ニューロン形態におけるこの有害な変化は可逆的である。脳の可塑性を示す明らかな例として、ストレス要因が緩和されるとすぐに、ストレスによって失われたシナプスが新しいシナプスに置き換わる。神経可塑性を刺激することを目的とした薬剤は、樹状突起の後退を防ぎ、神経新生を促進することができる。ストレスによって誘発される神経炎症もシナプスの変性に寄与するが、いくつかの抗炎症薬は神経新生を回復させるようである。
神経可塑性とうつ病
先に述べたように、神経伝達物質はニューロン間の伝達物質として働く分子である。セロトニンは気分調節に不可欠な神経伝達物質である。選択的セロトニン再取り込み阻害薬（SSRI）は、セロトニン受容体を標的とする抗うつ薬の一種である。これらの薬はシナプスからセロトニンが除去されるのを防ぎ、より長く効果を持続させる。研究によると、SSRIはうつ病に伴う脳灰白質の減少を逆転させ、シナプス可塑性と神経新生を増加させる可能性がある。
セロトニンを介した神経可塑性の増強は、脳由来神経栄養因子（BDNF）と呼ばれる分子と関連している。BDNFは興奮性と抑制性のシナプスシグナルを制御するため、神経可塑性に不可欠である。抗うつ薬はBDNFの発現を活性化し、脳の可塑性を高める。さらに、海馬にBDNFを直接注入すると、抗うつ効果が得られ、セロトニン作動性神経新生が促進され、樹状突起の成長が増加することが研究で明らかにされた。
ヒトにおける画像研究では、うつ病患者は海馬を含むいくつかの脳構造において容積が減少していることが示されている。気分の調節障害に加えて、このことは認知能力に影響を及ぼす可能性がある。抗うつ薬は、おそらく神経新生に依存した機序によって、海馬の減少を救うことができる。身体運動、瞑想、呼吸法、学習など、うつ病に対する薬物以外の介入も、神経可塑性に影響を与えることが示されている。
神経可塑性を利用する
脳の可塑性は加齢とともに減少するが、成人の脳は依然として再配線を繰り返している。抗うつ薬など、神経可塑性の低下に影響されるいくつかの症状に対しては、薬理学的アプローチが存在する。しかし、ヨガ、マインドフルネストレーニング、食事療法、運動療法など、神経可塑性を高める非薬理学的な戦略も数多くある。これらの戦略は一般に、ストレスと神経炎症を軽減することを目的としている。
ヨガ、瞑想、呼吸法
先に述べたように、ストレスは神経可塑性に大きな役割を果たす。ストレスを軽減する精神的・身体的運動は、神経可塑性の力を利用するのに役立つ。例えば、ヨガ、太極拳、深呼吸は、ストレスや神経炎症マーカーを減少させることが、さまざまな研究で明らかにされている。これらの運動は、急性および慢性ストレスの影響を緩和し、痛みを軽減し、睡眠の質を改善することができる。
マインドフルネス・トレーニングや瞑想は、灰白質と白質の密度を高めることができるという研究結果もある。さらに、一般的な学習とエンリッチメントは、成人の神経新生の主要部位である海馬のDG領域における神経新生を増加させる。
マインドフルネスは、脳を構造レベルで再配線し、全体的な利益をもたらすことができる。さらに、マインドフル・トレーニングは集中力と集中力を高め、活動依存的な脳の可塑性を促進する。つまり、身体的エクササイズとガイド付きメンタルエクササイズは、ストレスによる神経炎症を抑え、集中力を向上させ、相乗的に神経可塑性を高めるのである。
食事、サプリメント、身体運動
多くの天然化合物や薬草に神経学的な効果があるようだ。一般的にサプリメントとして販売されているものにイチョウ葉があるが、これは海馬での神経新生とシナプス形成を促進し、BDNFの産生を増加させる。
抗酸化物質には抗炎症作用と神経保護作用もある。抗酸化物質は、酸素代謝の自然な副産物によって引き起こされる損傷である酸化ストレスから神経系を保護する。抗酸化物質は通常、体内で十分に生成されるが、ブルーベリー、クランベリー、ダークチョコレート、ピスタチオなどのレスベラトロール含有食品でこれを補うことができる。
運動も神経可塑性をサポートする。高強度の運動は海馬の神経新生を促し、中程度や低強度の運動はニューロンの生存と記憶を向上させる。研究では、運動は脳への血流を増加させることによっても海馬の神経新生を促進することが示唆されている。
ただし、強度の高い運動や過度の運動は、酸素代謝を増加させ、体本来の抗酸化物質が酸化ストレスに十分に対抗できなくなるという注意点がある。マラソンのような運動は、酸化ストレスと炎症を増加させ、免疫機能を抑制することが研究で示されている。しかし、高強度の運動の前後に抗酸化物質やマルチビタミンを補給することで、こうした欠点を防ぐことができる。
結論
神経可塑性とは、特定の刺激によって中枢神経系が変化する可能性のことである。神経可塑性の2つの主要な道筋は、神経新生と活動依存性シナプス可塑性である。神経可塑性は学習、記憶、気分の調節に極めて重要である。神経可塑性の低下や変化は、多くの神経変性疾患や神経心理学的疾患の病因に関わっている。神経可塑性はストレスに敏感であるため、肉体的・精神的ストレスを軽減するエクササイズは、神経可塑性を促進し、より健康的な脳を育てるのに役立ちます。
よくある質問
神経可塑性とは何ですか？
神経可塑性（しんけいかそせい）とは、新しい経験に適応するために脳の構造や機能を変化させる能力のことです。学習、記憶形成、神経学的な病気や怪我からの回復に関与しています。
神経可塑性の例とは？
私たちは新しい経験をすると、学んだことを将来の行動に適応させることがよくある。こうした変化は行動だけでなく、脳の構造やシグナル伝達経路も変化する。脳の可塑性は、切断された手足の神経の喪失に脳が適応するため、幻肢痛が起こる理由でもある。
神経可塑性の2つの主なタイプとは？
神経可塑性には構造的なものと機能的なものがある。構造的神経可塑性とは、脳とニューロンが物理的に変化することである。例えば、神経新生によって新しいニューロンが成長したり、既存のニューロンが新しい樹状突起を成長させたりする。機能的神経可塑性とは、脳の神経ネットワークを変化させ、機能的な結果を生み出したり変化させたりすることである。
何が脳の可塑性を高めるのか？
神経系の可塑性は、ストレスや炎症を減少させるアプローチによって、直接的に保護・強化することができる。例えば、ヨガ、学習、マインドフルネスの実践、抗酸化物質、運動などが挙げられる。
神経可塑性は、神経生物学の包括的な分野や神経伝達物質の役割とどのように関係しているのですか？
神経可塑性とは、経験や学習に基づいて形を変え、進化する脳の驚くべき能力に注目したものである。この適応現象は、より広範な神経生物学の研究の中でも専門的なトピックである。さらに、脳の化学伝達物質である神経伝達物質は、神経可塑性が包含する変化や調整を促進する上で不可欠である。
参考文献
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0896-6273(13)00932-X
成人の神経新生の妥当性を再調整する - ScienceDirect
セロトニンと神経可塑性-うつ病における分子的、機能的、構造的病態生理の関連性 Kraus, Christop
精神疾患と神経因性疼痛における神経炎症への統合的アプローチ - Diana I Lurie, 2018
(PDF) 神経可塑性を利用する：最新のアプローチと臨床的将来
抗炎症作用と抗酸化作用に焦点を当てた自律神経系に対する運動トレーニングの効果 - PMC
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