新しい人間の脳地図はこれまでで最も詳細なもの

脳全体を顕微鏡レベルで解明することに、私たちはかつてないほど近づいています。世界中の何百人もの神経科学者が最近、国立衛生研究所の BRAIN Initiative Cell Census Network の一環として、3,000 種類を超えるヒトの脳細胞の特徴を明らかにし、本日 4 つのScience誌に 24 本近くの論文を発表しました。このように細部にまでこだわることで、私たちの脳内で何が起こって他の霊長類と区別されるのかなど、この複雑な器官を取り巻く多くの謎が解明される可能性があります。

「これは、人間の脳に存在するさまざまな種類の細胞すべてを大規模かつ詳細に説明した初めての論文です」と、論文集の複数の研究論文の共著者であるシアトルのアレン研究所の助手研究員レベッカ・ホッジ氏は言う。ホッジ氏は、この脳地図帳が、多種多様な脳細胞が健康と病気にどのように関与しているかを科学者が研究するためのコミュニティリソースとなることを期待している。

カリフォルニア大学アーバイン校医学部の神経学教授で、これらの研究には関わっていないマーク・マップストーン氏は、脳に関する新しいデータを観光ガイドに例えた。「ダウンタウンの主要道路だけが描かれた大まかな地図を持って見知らぬ街を移動するのと、ダウンタウンから郊外まで広がり、すべての高速道路、双方向と一方通行の道路、路地、歩道、道路標識や信号の位置、制限速度、コーヒーショップやレストランの位置が記された詳細な地図を持って同じ街を移動するのを想像してみてください」と同氏は言う。「明らかに後者の方が街のナビゲーションや理解がずっと容易になります」。この最初の一連の研究は、脳地図を生物学と医学に活用できる3つの主な方法を示している。

進化する脳

人間の脳地図帳は、人間の進化の歴史について教えてくれる。本日サイエンス誌に発表されたある研究では、単一核RNAシークエンシングを用いて、人間とチンパンジーやゴリラを含む他の5種の霊長類の個々の脳細胞の遺伝子発現を測定した。この方法では、科学者は組織片から個々の細胞を引き出し、それを割って内部の遺伝子メッセンジャーを露出させ、小さなバーコードに似たタグを使用してその物質を識別する。「これは、発表されている論文のいくつかで使用されている主要な技術であり、ここ10年ほど前から存在する手法です」とホッジ氏は言う。この遺伝子プロファイルを取得することで、研究者は細胞クラスターを特定のタイプにグループ化できる。

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人間の細胞の構成と組織は、近親者のものと似ています。しかし、最も大きな違いは、意味記憶と言語の処理に関与する中側頭回と呼ばれる脳領域で発生するようです。人間は他の種と比較して、この領域に投射するニューロンの数が多いです。さらに、研究者は、ニューロンが脳のつながりを強化する能力であるシナプス可塑性を促進する遺伝子発現の違いを強調しました。この特徴は学習と記憶にとって重要な要素であり、人間が複雑な認知スキルを発達させた方法を説明する可能性があります。

人間の中にも多少のばらつきがあった。別の研究では、人間間で最も大きな違いが、ミクログリアと呼ばれる免疫細胞と、離れた脳領域間のコミュニケーションに関与する深層興奮性ニューロンにあることがわかった。研究者たちはその理由をよくわかっていないが、深層興奮性ニューロンはより早く発達し、遺伝子パターンを多様化させる可能性のある環境要因にさらされることが多いためという説がある。「誰の脳も大体似ています。同じ構成要素を持っていても、重要なのはわずかな違いです」と、アレン研究所の上級科学者でこの研究の共著者であるジェレミー・ミラー氏は言う。「私たちは今、これらの変化がいかに重要であるかを理解し始めており、何が私たちを人間らしくしているのかを解明し始めています。」

動物モデル

人間の脳は他の哺乳類と多くの特徴を共有しているため、神経学者は病気の研究にマウスの小さな脳をよく利用している。ミラー氏によると、マウスは人間によく見られる神経変性疾患を自然には発症しないという問題が 1 つある。たとえば、アルツハイマー病を研究したい科学者は、高齢者に見られるような脳病理を引き起こすために、マウスの複数の遺伝子を操作する必要がある。そのためには、脳内の細胞タイプがどのように連携し、病気の状況でどのように変化するかを包括的に理解する必要がある。

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マウスの脳研究の多くは、高次認知機能を担う大脳新皮質に焦点を当てています。脳の細胞の複雑さの多くはここに現れると考えるのが妥当に思えるかもしれません。しかし、そうではないようです。成人の脳全体の細胞マップを作成した最初の研究の1つで、神経科学者は、運動、視覚、聴覚に関与する中脳、呼吸や心拍数などの重要な身体機能を司る後脳など、古い進化構造に高いレベルの多様性があることを発見しました。皮質下領域には、生来の行動や生理機能を制御するスプラッターニューロンと呼ばれる細胞のスーパークラスターもあるようです。動物モデルでこれらの特定の脳領域の複雑さを再現することで、人間の病気の細胞起源をより正確に特定できる可能性があります。

個別化医療

治療が個人の特定のニーズに合わせて調整される未来を想像してみてください。そのためには、科学者は体重や年齢などの特性ではなく、個人の遺伝子プロファイルを使用して医療上の決定を下すことになります。臨床医もこの遺伝子情報を使用して、潜在的な病気のリスクを特定し、早期に予防策を講じることができます。

「詳細な脳地図は、脳の正常な機能とはどのようなものかを理解するのに役立ち、脳の健康を促進する脳細胞と回路を最大限に活用することができます」とマップストーン氏は言う。「これらの細胞がどのように構成されているかがわかれば、脳疾患に対処し、脳の健康を促進することがより容易になります。」

医師はすでに、患者の遺伝情報を利用して、患者が特定のがん治療に適しているかどうかを評価したり、適切な投薬量を調べたりしている。近い将来、神経疾患の検査もこれに加わるかもしれない。ある研究では、神経学的に正常な成人の脳の 42 の領域にある 110 万個の細胞を分析し、主に中毒行動に関係する領域である基底核にある特定の神経細胞タイプが、19 の神経精神疾患や特性と関連していることがわかった。これらの疾患には、統合失調症や双極性障害、アルコールおよびタバコ使用障害などが含まれる。

このプロジェクトは、個別化医療の研究を前進させるための正しい方向への一歩だとミラー氏は言うが、これはこれをすべての人に現実のものにするための多くのプロジェクトのうちの1つに過ぎないと警告している。

ミラー氏とホッジ氏は、他のグループが同様のプロジェクトを完了するにつれて、今後5年間で人間の脳地図の他のバージョンも完成するだろうと楽観視している。

しかし、全体像がつかめない可能性もある。ミラー氏は5年という期間は妥当だとしながらも、脳について予想外の事実を明らかにできるような新技術が科学で開発される可能性は常にあると語る。「私たちは常にもっと多くのことができる」と同氏は言う。

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