中枢神経(脳と脊髄)の基本構造と役割分担

中枢神経(脳の脊髄)の役割分担や構造についてまとめました。

脳と脊髄は私たちの心身をコントロールする神経の中でも中枢(高次の統合や発動)機能を持つ中枢神経に分類されます。

中枢神経(脳と脊髄)の基本構造と役割について整理してまとめました。

人体の司令塔である脳と脊髄には高次機能が集結しているよ!

中枢神経(脳と脊髄)とは?

「中枢神経」とは、神経系の進化により神経が集まって中核機能(高次の統合機能)を担うもののことで、人間を含む脊椎動物では、脳と脊髄のことです。

全神経の統合・支配など中枢的役割を果たしている部分であり、身体各部が受けた刺激を末梢神経系を介して中枢神経に届けられることで感覚が生じ、必要に応じて発声・運動・反射などを末梢神経に発令します。

脳は大きく「大脳」「小脳」「脳幹」に分類され、「大脳」はさらに細かい機能分類(機能局在)があります。

名称 特徴と役割
大脳 「大脳皮質」「間脳(視床と視床下部)」「大脳基底核」「大脳辺縁系」に大きく分類でき、さらに細かい機能局在あり
小脳 運動機能の調節、記憶の保存、高次脳機能など大脳機能を補助・調整する役割がある脳
脳幹 大脳と脊髄とつなぎ、主に生命維持における需要な機能を担う
脊髄 脳と末梢神経をつなぎ、反射など危険回避構造なども制御する

 

大脳の役割と機能局在

「大脳」は中枢神経系の中でも最も高次の統合機能を持つ部位で、「大脳皮質」「間脳(視床と視床下部)」「大脳基底核」「大脳辺縁系」に大きく分類できます。

「大脳皮質」の役割と機能局在:機能発動コントロール

「大脳皮質」は神経細胞の情報を持っている部分「細胞体」の集まりである灰白質で構成され、大脳の働きを管理している場所で、運動機能の発動と知覚情報の収集と分析が主な役割になります。

大脳皮質に集まる神経細胞は、役割(支配する部位)ごとに神経細胞がある程度まとまって配置されていて、この機能配置のことを「大脳皮質の機能極在」といい、大脳皮質の役割分担構造です。

名称 特徴と役割
前頭葉 遂行機能/運動機能/眼球の随意的共同運動/言語中枢
精神活動(感情・判断力・創造など)
頭頂葉 知覚・思考の認識や統合(優位側半球の機能)/身体位置の空間的認識(非優位半球の機能)
側頭葉 聴覚認識(聞こえてきた音を言葉として認識したり何の音であるかを識別するなど)/記銘力(新しい記憶)
後頭葉 視覚・眼球運動

間脳(視床と視床下部領域)の役割

「間脳」は、大脳内部の第3脳室両脇に位置していて脳幹の一部としてまとめられることもありますが、特徴的な機能をもつ部位として大脳の機能分類として脳幹とは分けて説明していきます。

特に注目すべき部位が視床で、視床は嗅覚を除くすべての知覚情報の中継地点となる部位であり大脳皮質・大脳基底核・大脳辺縁系とも密接に関与していますので神経回路を考える上でとても重要な部位で、視床と自律神経系の制御に関わっている視床下部の領域が「間脳」にあります。

「視床」は、「身体内あるいは外界からのあらゆる知覚刺激を分析・認識して、知覚の機能局在に従ってそれぞれの知覚領域に伝達する」「錐体外路と関連して共同運動に関与する」「脳皮質全体の活性化」などの役割があります。

「視床下部」は、自律神経機能の最高中枢として、生体の恒常性を促進と抑制の両面から調整していて、「自律神経の中継地点」および「体液・体温・食欲・性機能の調節」などの役割があります。

交感神経(Th1~L2より出て全身、および心臓・消化器系・末梢血管・汗腺なども支配)および副交感神経(単独の神経路ではなく、脳神経(動眼、顔面、舌咽、迷走神経)や第2~4仙髄に神経核を持ち、それぞれの支配臓器に達し作用する)を支配しています。

「大脳基底核」の構造と役割

大脳基底核は、大脳半球の中央部(白質内)にある灰白質核群の総称で、尾状核・被核・淡蒼球・扁桃体・前障・(被核と淡蒼球:レンズ核)・(尾状核と被核:線条体)で構成されています。

錐体外路の中継点にあり、大脳皮質から出た運動の命令が末梢方向に伝わって筋肉を動かす時に、大脳基底核や視床・小脳・視覚・聴覚などの感覚器からの情報を取り入れて運動が円滑に誤りなく実行されるように働きます。

姿勢を保ったり運動を行ったりする為に筋肉の緊張のバランスを無意識のうちに調節して、手足や体幹のスムースで自然な人間らしい動きにするために重要な働きをしています。

大脳基底核の機能が正常に働かないとパーキンソン病の症状のように運動がスムースに起せなくなります。

大脳辺縁系の構造と役割

大脳辺縁系は、大脳正中矢状断、脳梁と第3脳室を取り囲むように位置する部位【帯状回・海馬傍回・海馬鉤・扁桃体(嗅覚・視床下部などとも連携)】により構成される複合体で、本能と情動と記憶を司る脳と呼ばれ、動物としての本能的な情動や行動、人生をより豊かにする為に重要な記憶機能を担っています。

「本能行動」とは、生きて子孫を残すために生まれながらにして備わっている、食欲・排泄・性行動・探索・帰巣・好奇心などの行動をコントロールする機能)です。

また、大脳辺縁系および関連する視床下部では情動反応を制御に関与しているので、障害されると攻撃性や性行動などに異常がでます。

記憶に関しては、大脳辺縁系は「身の周りの出来事(体験)や情報を正しく保持する能力」に関与し、長期記憶、短期記憶の2種類があります。

小脳の役割〜大脳機能を補助・調整する〜

小脳は大脳の下に位置し、大脳より「小さな脳」ですが、その役割は非常に重要な『小さな巨人』で、様々な役割があります。

名称 特徴と役割
運動機能調整 滑らかで自然な人間らしい動きに調整する
記憶の保存 記憶を保存するメモリーのようや役割
高次脳機能(認知機能) 様々な認知機能や精神行動に関与する

脳血管障害などで、小脳機能に障害が生じると、筋肉運動すべての協調性が乱れるため、「巧緻性低下:細かい動作ができない」「随意性低下:思った通りに体が動かせない」「協調性低下:ぎこちない動きになる」「構音障害:言葉を思い通りに発したり、声量の調整が難しく、話す言葉が聞き取りにくくなる」「起立動作や歩行が困難」「運動開始までに時間がかかったり、思ったタイミングで止まれないなど意図的な運動がコントロールできない」「振戦:手足が勝手に震える」「眼球運動障害によるめまいや眼振」「高次脳機能障害」「記憶障害」などが生じます。

運動機能の調節

小脳には様々な役割がありますが、一番わかりやすいのが運動調整機能で、これはマイケルジャクソンのムーンウォークとロボットダンスの違いで説明できます。

マイケル・ジャクソンによるパフォーマンスで有名なムーンウォークは、足を交互に滑らし、前に歩いているように見せながら後ろに滑る技法で、とてもしなやかで滑らかな動きが魅力ですが、このムーンウォークという美しいパフォーマンスにするには小脳の働きが不可欠です。

小脳機能がない状態でムーンウォークをさせようとすると、手足がガクガクしたぎこちないロボットのような動きになります。

つまり、ロボットダンスとムーンウォークの大きな違いは「運動の滑らかさ」で、人間と同じように関節を作っても、ロボットにムーンウォークのような滑らかな動きができないのは、小脳による筋肉の協調運動などの調整機能がないからです。

小脳が、大脳皮質、筋・腱・関節などの深部感覚、内耳からの平衡感覚などを統合し、運動の強さやバランスなどを調節することで、滑らかな動きができ、「手足の筋肉の動きを協調させて意図的な動きを滑らかにする」「喋る時の喉や口内の筋肉の動きを協調させて発生する言葉を滑らかにする」「筋肉の緊張を維持し姿勢を保持する」「運動を適切かつ意図したタイミングで開始する」「体位が変化しても目や頭の動きを独立させた状態で維持し平衡感覚を保つ」などが可能になります。

記憶の保存

小脳には、大脳の記憶をコピーして保存するメモリーのような役割があります。

一度習得した動作、例えば「自転車に乗る」などの行為が意識しなくてもいつでもできるのは、小脳に記憶が保存されているためです。

高次脳機能(認知機能)

短期記憶や注意力、情動の制御、感情、高度な認識力、計画を立案する能力のほか、統合失調症(分裂病)や自閉症といった精神疾患と関係している可能性も報告されていています。

脳幹の役割〜大脳と脊髄をつなぐ中継地点〜

脳幹は構造上は大脳の一部ですが、大脳と脊髄をつなぐ中継地点として大切な機能が集約されていますので、あえて分類して説明します。

中脳・橋・延髄を総称して『脳幹』といい、左右の大脳や小脳に挟まれて存在し、間脳から連続して中脳に移行し、橋・延髄・脊髄と連なっていますので、間脳(視床、視床下部)を含める場合もあります。

名称 特徴と役割
中脳 正中の陥凹部:動眼神経/左右の膨大部:大脳脚-大脳皮質から脳幹にある脳神経核や脊髄、小脳に至る神経路の通路/滑車神経:脳幹背側から出る唯一の脳神経(下丘のすぐ下から出る)
外側中央部:三叉神経/延髄との境界部:外転神経/小脳橋角部:顔面神経・聴神経
延髄 錐体:正中部の溝を挟んだ体軸方向の隆起-運動神経線維の通路/オリーブ:錐体が外側の高い隆起-舌下神経・舌咽神経・迷走神経・副神経

脳幹は、脳神経の神経線維の中継点である第3~12の脳神経核があり、すべての求心性繊維、遠心性繊維が集合した通路なので、大量の人々が行き交う渋谷のスクランブル交差点みたいに忙しい場所です。

例えば、遠心路(錐体路)の中継地点になっていて、皮質脊髄路は延髄の錐体部で繊維が交叉(錐体交叉)し、皮質延髄路は錐体は通らず脳幹にある脳神経核という中継点に入る直前で交叉しますし、複数の経路がある求心路からの情報は、脳幹を経由して視床に集まり、新しいニューロンとして大脳皮質知覚領野に伝達されます。

また、神経核と神経軸索が入り混じって網状になった組織である脳幹網様体が、脳幹中央部を尾側から中脳・橋・延髄・上部頸髄まで広がり網様体賦活系を形成し、上行路網様体賦活系は、求心性神経路の一部が脳幹網様体にも神経線維を送っていて、大脳皮質知覚領域で認識されやすくする為の指令を視床経由で大脳皮質や大脳辺縁系に送っています。

大脳での知覚情報の認識力向上意識の保持に関与しているので障害されると痛みや音などの知覚刺激が伝わりにくくなり覚醒障害が生じます。

下行性網様体賦活系は、錐体外路に属し姿勢の保持や平衡機能維持のための筋緊張の調整に関与していますので、障害されると中脳の障害:徐脳硬直(異常筋緊張の亢進)が生じます。

脊髄の役割〜中枢神経と末梢神経をつなぐ〜

脊髄は脳と同じく中枢神経に分類される神経で、脳からの指令を末梢神経に伝達する経路と末梢神経からの情報を脳へ伝える際の経路を構成したり、反射の中枢になっています。

脊髄神経は人体の大黒柱である「背骨」の中を通る神経の束で、人体の司令塔である「脳」から伸びて末梢神経に分岐して全身へ指令を届けたり、末梢神経が伝達する外からの刺激を「脳」へフィードバックする役割をします。

脳と脊髄は合わせて「中枢神経」と呼び、脊髄から伸びる神経は「末梢神経」と呼びます。

脊髄の解剖学構造

延髄の延長として脊柱の中をお尻まで伸びてきた神経の束で直径は約1.5cmほどで、計31個の「髄節」と呼ばれる小節に別れています。

各髄節では、腹側(前根)から遠心性神経線維と背側(後根)から求心性神経線維が1対ずつ出て合流していて、頸神経8対、胸神経12対、腰神経5対、仙骨神経5対、尾骨神経1対の計31対の神経が末梢の筋肉や感覚受容器向けて伸びています。

脊髄は脊柱の発達より遅れて完成し(保護する仕組みができてから作られる)、脊髄の全長は脊椎よりも短いため、末梢に行けばいくほど対応する髄節と脊椎骨にずれが生じます。

第1頸神経は頭蓋骨と第1頸神経の間を通り、以下それぞれの脊椎間を通って末梢へ連絡していますが、脊髄の最下端である仙髄・尾髄は第1腰椎の高さで終わっていて、第2腰椎以下の脊髄空には脊髄はなく馬尾の束(腰堆・仙髄の神経根)で対応する脊椎の出口まで走行しています。

腰堆穿刺は、ヤコビー線(両側の腸骨稜上線を結ぶ線)で行うのは、丁度その位置がL3~4で神経束が馬尾状にばらけていて針が脊髄を刺すことなくできるからです。

横断面で見ると、外周部は白質(縦走する神経線維)からなり前索、側索、後索に区分でき、中央部は灰白質(神経細胞)からなり、H状に広がっていて、前角、側角、後角に区分され、前角から出る繊維を前根、後角から出る繊維を後根と呼びます。

大脳とは逆に脊髄の中央部に灰白質(前角細胞などの神経細胞が集まっている場所)があり、その外側に白質(神経繊維の走行している部分)があること、皮質脊髄路内を通る神経は、外側から仙髄、腰髄、胸髄、頸髄へ行く経路順(つまり、外側から会陰部→下肢→体幹→上肢の順)に配列していることが抑えておくべき特徴です。

例えば、頸髄が外側から圧迫された場合、下肢の運動・知覚障害がまず起こり、頸髄の中心部に腫瘍が発生すると上肢の麻痺が先に生じてくるなど障害される部位で症状の出方に特徴があります。

脊髄の役割

脊髄には主に「上行する知覚情報の通路(脊髄視床路など)」「下行する運動指令の通路(錐体路)」「随意運動をスムースにする働き(脊髄前角細胞)」「中央の脊髄灰白質:反射中枢としての働き」があります。

 

中枢神経(脳と脊髄)を保護する仕組み

中枢神経(脳と脊髄)は高次の認知機能から生命維持に不可欠な機能までを制御統合する神経系の中でも最も重要な器官のため、様々な保護機能やバックアップ機能があります。

人体のあらゆる情報を統合して生命活動を統括する脳は頭蓋骨、脊髄は背骨(脊椎骨の積み重ねによって構成される脊柱)硬く丈夫な空間に大切に収められています。

特に、頭蓋骨は複数の骨が癒合してできていますが、安定が必要な場所なので顎関節以外の関節運動はほとんどありませんし、背骨も脊髄を守るために椎間の可動範囲は限定されています。

さらに、とても柔らかくデリケートな器官である脳と脊髄(中枢神経)は髄膜という膜で覆われており、髄膜は構造的に内側から軟膜・くも膜・硬膜の順にあり、特に硬膜は強靭で脳全体を隅々まで包んで骨構造と密接していますが、くも膜と軟膜の間のくも膜下腔と頭蓋内のくも膜下腔と連絡して脳脊髄液に包まれています。

脳脊髄液は脳を保護する仕組みのひとつで、硬い頭蓋骨と柔らかい脳の隙間を埋めるように存在することで、脳自体に栄養を与えながら緩衝材(脳を優しく包むクッション)の役割も果たしています。

脳を浸すように頭蓋骨と脳実質の間の空間を補填している脳脊髄液(髄液)は、脳室で産生されて脳表に現れ、脊髄くも膜下腔や脳表を循環し、最後はくも膜顆粒ということろで吸収されるという髄液循環を1日に4~5回行い、脳の周りを循環しながら緩衝材として脳を保護したり、脳実質との物質交感、代謝産物の運搬作用、酸-塩基平衡に関与しています。

脳脊髄液は、脳室内の脈絡叢(細動脈のからまったもの)や脳室上衣(脳室表面の細胞層で生産され、髄液の産生量が多い順に並べると、「側脳室:左右の大脳実質内に1対」「第3脳室:左右の側脳室をつないで正中部にある」「第4脳室:第3脳室からつながり、小脳と橋に挟まれる」「脳表」の順になります。

また、脳脊髄液循環を脳室の仕組みに沿った流れで示すと以下のようになります。

往路
開始

  • 側脳室
  • モンロー孔
  • 第3脳室
  • 中脳水道
  • 第4脳室
  • マジャンディ孔:橋背側正中部に開口
  • ルシュカ孔:小脳橋角部に開口
  • 脳表
  • くも膜下腔(くも膜と軟幕の間)を循環
  • 脳表くも膜下腔
  • 脊髄くも膜下腔 (小脳と延髄の下背側の大槽と呼ばれる脳表くも膜下腔から脊髄方向に広がったもの)
  • 脊髄の背側を下降しながら末端へ

終了

復路
開始

  • 脊髄の腹側を通過
  • 脳表くも膜下腔
  • テント下脳表くも膜下腔
  • テント上脳表くも膜下腔
  • 頭頂部くも膜下腔
  • くも膜顆粒と呼ばれる腺組織を通過 (上矢状静脈洞に向かって突出)
  • 静脈洞に吸収

終了

 

中枢神経への潤沢な血流とバックアップ機能

人間のあらゆる活動の司令塔として24時間365日休まず働く脳と脊髄(中枢神経)は膨大なエネルギーを消費するため、常に安定した血流が必要です。

脳の重量は体重のわずか2.5%なのに(55kgの人なら約1,400g程度)、脳への血流量は心拍出量の約20%を占め、血流によって運搬された大量の酸素とブドウ糖を取り込み代謝を行い、炭酸ガスと代謝産物を排泄しながら司令塔としての機能を休むことなく果たしています。

スポーツなどでエネルギーを多く消費する人ほどたくさん食べる必要があるのと同じ原理で、 たくさんのエネルギーを消費する脳や脊髄(中枢神経系)には、血流を通じてたくさんの酸素やエネルギーが安定して送られる必要があります。

また、例えば突然一切電気・ガス・水道などのライフラインが使えなくなったら、スマホもパソコンも使えませんし、夜は真っ暗、温かいご飯を食べることも難しくなり、文化生活は楽しめなくなってしまうように、人体にとってのライフラインである血液が中枢神経を巡らなくなったら、人間としての機能は停止してしまいます。

病院など電気やライフラインが途切れることが即大惨事に繋がるような機関では、電気も水道も必ずバックアップがあり、仮に災害が起きてもすぐにライフラインの供給が止まらないような仕組みができています。

また、地震や台風などの天災時で国や地域全体で発電量が限られる時には、重要なまたは停電することで生じるリスクの高い場所に優先的に供給し、停電する地域を限定させ被害を最小限に抑える配慮をしますよね。

同じように、人体も特に全身にダイレクトに影響を与える最も仕事量の多い中枢神経への血流に対しては、複数の血流路を構成し、常に安定し豊富な血液を送れるようなシステムができています。

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