グルタミン酸による非シナプス性伝達の可視化解析

Imaging Non-Synaptic Transmission via Glutamate

はじめに

　グルタミン酸は脳における代表的な興奮性神経伝達物質である。従来からの考え方では，前シナプス終末から放出されたグルタミン酸は，シナプス間隙の中に限局して「点と点」のシナプス伝達，すなわちwired trasmissionを担うものとされてきた。実際，多くのグルタミン酸作動性シナプスは，グリア細胞であるアストロサイトの突起が緊密に巻き付くという特徴的な構造を示す¹⁾。さらにアストロサイトには，グルタミン酸の再取り込みを担うトランスポーターが豊富に発現している²⁾。以上の特徴により，グルタミン酸のシナプスからの漏れ出しが厳密に防がれているようにみえる。よってモノアミン伝達物質でみられるような，伝達物質がシナプスの外側に広く拡散することで行われる非シナプス性伝達，すなわちvolume transmissionは起こらないと考えられたわけである。

　しかしながら，グルタミン酸がシナプス間隙から漏れ出し，シナプス外領域に存在するグルタミン酸受容体を活性化することで，さまざまな脳機能に関与することを示唆する知見が多数存在する。このグルタミン酸によるvolume transmissionは「グルタミン酸スピルオーバー」と呼ばれる。本稿では，まずグルタミン酸スピルオーバーが担う機能を簡単に解説し，続いて蛍光イメージング法を用いた可視化解析について筆者らの取り組みを紹介する。

Abstract

　Glutamate is the major excitatory neurotransmitter in the mammalian brain. The conventional view is that glutamate mediates synaptically confined point-to-point transmission at excitatory synapses. However, glutamate has also been suggested to escape from the synaptic cleft and mediate volume transmission, which is often referred to as glutamate spillover. This non-synaptic transmission via glutamate has been implicated in the regulation of a variety of important neural and glial functions. Despite the immense potential physiological and pathophysiological importance of glutamate spillover, the spatiotemporal dynamics of extrasynaptic glutamate concentrations have been only inferred indirectly, and their characteristics remain elusive because of a lack of appropriate technology. The recent development of fluorescent glutamate indicators has enabled the quantitative analysis of glutamate spillover. With a hybrid-type fluorescent indicator, we succeeded in imaging glutamate spillover in brain slices and in vivo. Our results showed that glutamate spillover was locally induced by the spatiotemporal cluster of synaptic activities due to the summation of glutamate originating from neighboring synapses. We also showed that glutamate spillover had magnitudes and durations that were sufficient for activating high-affinity glutamate receptors. Moreover, we successfully observed sensory input-induced glutamate spillover in the cerebral cortex in vivo. Thus, the present study clarified the features of non-synaptic transmission via glutamate and, furthermore, made it possible to directly visualize synaptic activity in live animals.