シナプス（Synapse）とは、ニューロン（神経細胞）どうし、またはニューロンと筋肉・腺などとのあいだで、情報を受け渡す「つなぎ目」のことです。多くのシナプスでは、電気の信号をいったん化学物質（神経伝達物質）に置きかえて、すき間の向こうへ届けています。
簡単な説明
小さな川の向こう岸にいる友だちへ、ボールを投げて伝言する場面を思い浮かべてください。
神経細胞の中では信号は電気として走りますが、細胞のあいだにはごくわずかなすき間（川）があります。そこで送り手は化学物質（ボール）を投げ、受け手は受容体（グローブ）でキャッチして、また電気の信号に戻します。この受け渡しの場所がシナプスです。グローブに合うボールしか取れないように、受容体も決まった物質にしか反応しません。
川に橋がかかり、信号がそのまま渡れるタイプもあり、電気シナプスといいます。
よく使うつなぎ目は伝わりやすくなり、使わないつなぎ目は弱まったり消えたりします。覚える・上達するといった変化は、このシナプスの変化と結びついていると考えられています。
由来
19世紀の終わり、神経系は網のように一続きだというCamillo Golgiの網状説と、独立した細胞（ニューロン）の集まりだというSantiago Ramón y Cajalのニューロン説が対立していました。独立した細胞なら、そのつなぎ目に名前が必要です。
この語は1897年、Michael Fosterの『生理学教科書』第7版で登場しました（当初の綴りはsynapsis）。神経系の巻を手伝ったCharles Sherringtonが名前の必要を感じてFosterに相談し、Fosterの友人の古典学者Arthur Woolgar Verrallがギリシア語の「触れ合わせる（συνάπτω）」から提案した語だと、Sherrington自身が後年の手紙で述べています。Tansey（2022）も功績は主にSherringtonにあるとしており、検定では「Sherrington（1897年）が命名」と覚えましょう。
| 年 | 人物 | できごと |
|---|---|---|
| 1906年 | C. Golgi・S. Ramón y Cajal | 対立する二人がノーベル生理学・医学賞を共同受賞 |
| 1921年 | Otto Loewi | カエルの心臓の実験で、神経の作用が化学物質で伝わることを示す |
| 1949年 | Donald O. Hebb | 『行動の機構』で、学習によるシナプスの強化を仮説として提示 |
| 1973年 | T. V. P. Bliss & T. Lømo | ウサギの海馬で長期増強（LTP）を報告 |
Loewiの実験は、アセチルコリン（Acetylcholine）の記事で詳しく解説しています。
具体的な説明
化学シナプスで信号が伝わる順番
信号を送る側をシナプス前ニューロン、受ける側をシナプス後ニューロン、あいだのすき間をシナプス間隙といいます。
- 活動電位が軸索の端（軸索終末）に届く
- 電位依存性のチャネルが開き、Ca²⁺（カルシウムイオン）が流れこむ（放出の合図。Na⁺ではない）
- シナプス小胞が膜と融合し、中の神経伝達物質を間隙に放出する（開口放出）
- 伝達物質がシナプス後膜の受容体に結合し、イオンの流れが変わる
- 受け手の膜電位が変化する。脱分極ならEPSP（興奮性シナプス後電位）、過分極ならIPSP（抑制性シナプス後電位）
- 伝達物質は再取り込み・酵素による分解・拡散で取り除かれ、伝達が終わる
EPSP・IPSPと加重
EPSPやIPSPは活動電位と違い全か無かの法則に従わず、大きさが段階的に変わります。一つのEPSPは小さく、発火には入力を足し合わせる加重が必要です。
| 種類 | 足し合わせ方 |
|---|---|
| 時間的加重 | 同じシナプスから、短い間隔で続けて入力がくる |
| 空間的加重 | 別々の場所にある複数のシナプスから、同時に入力がくる |
EPSPとIPSPを差し引きした結果が閾値を超えたときに、受け手の活動電位が生まれます。
化学シナプスと電気シナプス
| 化学シナプス | 電気シナプス | |
|---|---|---|
| 伝え方 | 神経伝達物質と受容体 | ギャップ結合を通してイオンの電流が直接流れる |
| 速さ | わずかな遅れ（シナプス遅延）がある | 遅れがほとんどない |
| 向き | 前から後への一方向 | 双方向のものが多い（一方向に流れやすい整流性のものもある） |
| 得意なこと | 興奮・抑制の切りかえ、強弱の調節、学習による変化 | 速い反応、多くの細胞の活動をそろえる |
脳のシナプスの多くは化学シナプスです。電気シナプスは、Furshpan & Potter（1959）がザリガニの巨大運動シナプスで示しました。
シナプス可塑性：使うと変わるつなぎ目
シナプスの伝わりやすさが経験によって変わる性質をシナプス可塑性といいます。Hebb（1949）は、細胞Aがくり返し細胞Bの発火に関わると、AからBへの伝達の効率が高まるという仮説を立てました（ヘッブ則）。Bliss & Lømo（1973）は、麻酔したウサギの海馬で、くり返し刺激のあと反応が30分から10時間も大きいままになる長期増強（LTP）を報告しました。LTPは記憶の細胞レベルのモデルとされ、しくみはグルタミン酸（Glutamate）の記事で解説しています。
発達とシナプスの刈り込み
ヒトの大脳皮質では、乳幼児期にシナプスがいったん多めに作られ、子ども時代から思春期にかけて減っていきます。これをシナプスの刈り込みといいます。
実験や観察の方法と結論
方法 Huttenlocher（1979）は、新生児から90歳までの21人の死後脳を用い、前頭葉の中前頭回・第3層のシナプスをリンタングステン酸法という染色で見分けて、1立方ミリメートルあたりの密度を年齢ごとに比べました。
結果 シナプス密度は乳児期に増え、1〜2歳で最大となり、成人の平均より約50％高くなりました。2〜16歳のあいだに減少し、16〜72歳の成人期はほぼ一定、74〜90歳ではわずかに低下していました。
その後の研究 Huttenlocher & Dabholkar（1997）では、ピークは聴覚野で生後3か月ごろ、前頭前野では生後15か月より後で、刈り込みは聴覚野では12歳までに終わり、前頭前野では思春期の半ばまで続きます。
結論 ヒトの脳は「作りすぎてから減らす」順序で発達し、その時期は領域によって異なり、聴覚野より前頭前野のほうが遅いことがわかりました。
例文
「SSRIは、シナプス間隙のセロトニンの再取り込みを妨げて、その作用を強める薬です。」
「練習で上達するのは、関係する回路のシナプスの伝達効率が変わるためだと考えられています。」
疑問
Q: 刈り込みでシナプスが減るのは、脳が衰えているということですか？
A: いいえ。刈り込みは成長の一部で、多めに作ったつなぎ目を整理して回路を効率よくすると考えられています。
Q: 電気シナプスのほうが速いのに、なぜ脳では化学シナプスが中心なのですか？
A: 化学シナプスは興奮も抑制も起こせ、信号の強さや伝わりやすさを経験に応じて変えられるからです。
Q: シナプスはSherringtonが発見したのですか？
A: いいえ。Sherringtonは名前をつけた人です。つなぎ目という考えの土台はCajalのニューロン説でした。
理解度を確認する問題
問題1. 化学シナプスにおける伝達の順序として、最も適切なものはどれか。
- A. 活動電位の到達 → 伝達物質の放出 → Ca²⁺の流入 → 受容体への結合
- B. 活動電位の到達 → Ca²⁺の流入 → 伝達物質の放出 → 受容体への結合
- C. 活動電位の到達 → Na⁺の流入 → 伝達物質の放出 → 受容体への結合
- D. Ca²⁺の流入 → 活動電位の到達 → 伝達物質の放出 → 受容体への結合
正解：B 活動電位が軸索終末に届くとCa²⁺が流れこみ、それを合図に伝達物質が放出されます。Aは放出とCa²⁺流入が逆です。Cはまぎらわしいですが、Na⁺の流入は活動電位をつくる動きで、放出の引き金ではありません。Dは合図（Ca²⁺流入）が活動電位より先で、順序が逆です。
問題2. シナプスに関する研究者と業績の組み合わせとして、最も適切なものはどれか。
- A. Ramón y Cajal ― 神経系は網のように一続きであるとする網状説を唱えた
- B. Loewi ― ザリガニの巨大運動シナプスで、電気的な伝達を示した
- C. Huttenlocher ― ヒトの前頭葉のシナプス密度が幼児期に最大となり、その後減少することを示した
- D. Hebb ― ウサギの海馬で長期増強（LTP）を初めて詳しく報告した
正解：C Aは逆で、Cajalはニューロン説、網状説はGolgiです。BはFurshpan & Potter（1959）の業績で、Loewiはカエルの心臓で化学的な伝達を示しました。DはBliss & Lømo（1973）で、Hebb（1949）は仮説を立てた人です。
問題3. シナプス後電位に関する記述として、最も適切なものはどれか。
- A. EPSPは全か無かの法則に従うため、一つ生じればシナプス後ニューロンは必ず発火する
- B. IPSPはシナプス後膜を過分極させ、活動電位を起こりにくくする
- C. 時間的加重とは、別々の場所にある複数のシナプスからの入力が同時に足し合わされることである
- D. 化学シナプスでは、シナプス後ニューロンからシナプス前ニューロンへも同じように信号が伝わる
正解：B IPSPは膜を過分極させ、閾値から遠ざけます。Aは誤りで、シナプス後電位は全か無かの法則に従わず、一つのEPSPでは発火しないことが多いです。Cは空間的加重の説明で、時間的加重は同じシナプスからの続けての入力です。Dは誤りで、化学シナプスは一方向です。
関連キーワード
- ニューロン（Neuron）
- 神経伝達物質（Neurotransmitter）
- 長期増強（Long-Term Potentiation）
- シナプスの刈り込み（Synaptic Pruning）
- グルタミン酸（Glutamate）
- アセチルコリン（Acetylcholine）
- 海馬（Hippocampus）
- 前頭前野（Prefrontal Cortex）
関連論文
まずこの1本
Huttenlocher, P. R.（1979）Synaptic density in human frontal cortex — Developmental changes and effects of aging. Brain Research, 163(2), 195–205.
シナプス密度が1〜2歳で最大となり、2〜16歳で減ることを示した論文です。試験対策としては、ピークは乳幼児期で、成人期ではないこと、刈り込みは発達の過程であること、前頭前野の刈り込みは思春期まで続くこと（Huttenlocher & Dabholkar, 1997）を押さえましょう。
https://doi.org/10.1016/0006-8993(79)90349-4その他の参考文献
Tansey, E. M.（2022）“The synapse: people, words and connections.” Neuronal Signaling, 6(2).
概要 「シナプス」という語の誕生から化学伝達が認められるまでの歴史をたどった総説です。
解説 Sherringtonが最初「syndesm」を考え、Verrallが「synapse」を提案した経緯がわかります。
https://doi.org/10.1042/NS20220017ほそめがねのひとこと
シナプスの伝達の順番（活動電位→Ca²⁺→小胞→受容体）は、覚えにくかったですか？ どこでつまずきましたか？
覚え方
①伝達の順番：「殿下、袋受けて片づけ」。でん＝活動電位、か＝カルシウム（Ca²⁺）流入、ふくろ＝シナプス小胞（袋）の放出、うけ＝受容体、かたづけ＝再取り込み・分解です。
②EPSPとIPSP：「E（Excitatory）は元気、I（Inhibitory）はいやいや」。Eは脱分極で発火しやすく、Iは過分極で発火しにくくなります。
③加重：「時間は同じ人が連打、空間は大勢で一斉に」。
④刈り込み：「植木は伸ばしてから刈る」。1〜2歳ごろ多めに伸ばし、思春期までに刈りそろえます。前頭前野は遅れて刈る枝です。
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