科学者は初めて成体動物の脳のすべてのニューロンをマッピングした

脳は、ニューロン間の接続が複雑に絡み合ったシステムです。これらの接続をマッピングすることは、脳の働きを理解する上で重要なステップです。科学者たちは最近、そのようなマップを作成するためのこれまでで最も野心的な取り組みを完了しました。成虫のショウジョウバエの脳内のすべてのニューロンとすべての接続の完全な記録です。

この研究は、歩行と視覚を持つ動物の初めての地図であり、成体動物の脳の初めての完全な地図でもある。この地図は、キイロショウジョウバエの脳にある139,255個のニューロンの1つ1つと、それらの間の5,000万個の接続をトレースしたもので、これまでに作成された地図の中では群を抜いて最大かつ最も詳細なものだ。同種の幼虫の同様の地図も作成されているが、その脳ははるかに小さく、ニューロンは約3,000個しかない。成体の脳は、はるかに多くの情報と行動も処理する必要がある。

この地図は、10月2日にネイチャー誌に掲載された2本の論文で説明されている。これは、世界中の76の機関の287人の研究者によるチームの共同作業の成果であり、100テラバイトを超えるデータが使用された。

共著者のフィリップ・シュレーゲル、スヴェン・ドルケンヴァルト、セバスチャン・スン、グレゴリー・ジェフリス、ダヴィ・ボック、マラ・マーシーは、この画期的な成果についてポピュラーサイエンス誌に語った。

明らかに大きさには大きな違いがあり、ハエの脳には人間にはないキノコ体のような構造が含まれていますが、ニューロンがどのように接続され、「配線」がどのように形成されるかというレベルでは、ショウジョウバエの脳は人間の脳とどの程度似ているのでしょうか。

フィリップ・シュレーゲル：ニューロン間の接続のレベルでは、人間の脳と昆虫の脳は非常に似ています。そのため、ショウジョウバエは脳の働きを研究するための優れたモデルシステムです。とはいえ、もちろん違いもあり、私は類似点よりも相違点のほうが興味をそそられることが多いです。

セバスチャン・スン：キノコ体は良い例です。確かに、この嗅覚構造は人間の脳には存在しません。しかし、私たちの梨状皮質は、その接続性において昆虫のキノコ体と類似していると考えられています。（この類似性は、嗅覚系の他の部分にも適用できます。）ハエと人間のゲノムは類似しているため、ハエと人間の脳は分子レベルで類似性があるに違いないことは、ずっと以前からわかっていました。接続パターンを調べることで、回路レベルでも類似性があることがわかってきたのは、もっと遅かったのです。

[1つの疑問は]ハエと人間の進化の祖先が古いのに、なぜ回路の類似性があるかということです。おそらく、類似性は収斂進化によって生み出されたのでしょう。分子レベルでは、昆虫と人間の嗅覚系は非常に異なっているようです。嗅覚受容体の遺伝子が異なります。しかし、回路は同じ計算上の問題を解決しなければならないため、最終的に類似したものになったのかもしれません。

ビデオ: ショウジョウバエの脳にある約 14 万個のニューロンすべてを 3D レンダリングしたもの。クレジット: データ ソース: FlyWire.ai、レンダリング: Philipp Schlegel (ケンブリッジ大学/MRC LMB)。

デイヴィ・ボック:ショウジョウバエの脳も人間の脳も、ニューロンの大規模なネットワークが何らかの形で結合して情報を処理し、行動を促し、記憶を保存して呼び起こしています。どちらの脳でも、ニューロンは活動電位を発し、共通の神経伝達物質などを使用します。どちらの脳も、大規模に再帰する接続を特徴としており、どちらの脳も、私たちがさらに詳しく理解したい興味深いネットワーク構造の特徴を示しています。

したがって、違いはあるものの、情報の処理、保存、および呼び出しを行うために大規模なニューロン ネットワークをどのように組織化するかという中心的な問題は、種を超えてほぼ必然的に共通の基盤を持つことになります。これを解明することは難しい問題であり、成虫のハエは、情報処理と行動能力の点で「人間よりもはるかに単純」でありながら「それでも非常に興味深い」という中間のちょうどよい位置にあるようです。

「典型的な」ニューロンというものがあるのなら、ハエの脳の典型的なニューロンは人間の脳のそれと比べてどうでしょうか。大きさは同じでしょうか。樹状突起とシナプス終末の数は同程度でしょうか。接続の数も同程度でしょうか。

追記:ハエの比較的小さな脳に見られる細胞の種類の数 (8,000 種類以上) からも明らかなように、「典型的な」ニューロンを定義するのは簡単ではありません。たとえば、ハエの視覚システムでは、ニューロンは平均して約 0.6 mm の「長さ」 (つまり、ニューロンのすべての枝を合わせた長さ) で、約 270 の入力と 500 の出力があります。Greg は既にこれについて下で言及していますが、哺乳類のニューロンはハエのニューロンの約 10 倍大きいと言うのは、おそらく真実からそれほどかけ離れていないでしょう。

哺乳類の脳では、個々のシナプスは通常 1 対 1 です。つまり、2 つのニューロン間の接続を形成します。対照的に、昆虫のシナプスは通常 1 対多 (「ポリアディック」) です。つまり、複数の異なるニューロンを接続します。なぜそうなるのかは推測の域を出ませんが、昆虫の脳が非常に小さな脳にできるだけ多くの接続 (つまり計算能力) を詰め込もうとしていることと関係があるのか​​もしれません。

SS:人間のニューロンは一般的にもっと大きいです。人間のニューロンは脳の片側から反対側まで、または脳と脊髄の間にまで伸びています。キリンやクジラのニューロンはさらに大きいこともあります。

ハエの神経化学は人間のそれと比べてどうでしょうか? ハエの脳には人間の脳で観察される神経伝達物質がすべて存在するのでしょうか、それとも一部だけでしょうか? それらは両方の脳で同じ役割を果たしているのでしょうか? また、ハエの脳には人間の脳では観察されない神経伝達物質が存在するのでしょうか?

追記：ハエは人間と同じ神経伝達物質（ドーパミン、GABA、アセチルコリンなど）を使用します。

SS:主要な神経伝達物質は同じですが、その働きには違いがあります。たとえば、グルタミン酸は人間の脳ではほとんど興奮性ですが、ハエの脳では通常抑制性です。ただし、類似点もあります。たとえば、ドーパミンはハエと人間の脳の両方で「報酬学習」に重要であるようです。

結局のところ、私たちが見ている脳は、人間の脳と基本的に同じように機能するが、より小型でマッピングしやすい脳なのでしょうか? それとも、大きな違いがあるのでしょうか?

SS:これは、グラスが半分満たされているか、半分空であるかという質問です。類似点と相違点の両方があります。嗅覚、視覚、ナビゲーションのためのハエの回路は、同じ機能のための哺乳類の回路と構造的に類似していることがわかっています。つまり、さまざまな建物に類似した構造上のモチーフが見られるのと同じように、これらの回路にも類似した接続モチーフが存在するということです。

ハエのコネクトームは、神経科学者が初めて脳の機能について深く理解するのに役立っています。現時点では、私たちが真に理解できる脳は、すべての脳を理解するのに役立ちます。

なぜこの特定の種類のショウジョウバエはこれほどよく研究されているのでしょうか? 何がこの研究対象を魅力的にしているのでしょうか?

SS:キイロショウジョウバエは1 世紀以上にわたって生物学のモデル生物として使われてきたため、神経科学者にも自然に採用されました。とはいえ、アリ、蚊、ハチなど、他の昆虫種のコネクトームも間もなく研究されるでしょう。これらのコネクトームを比較し、昆虫の行動の多様性と関連付けることは、刺激的で楽しい研究分野になるでしょう。

マラ・ムルシー：ハエは神経科学にとって重要なモデルシステムです。ハエの脳は私たち人間が抱える問題の多くを解決し、歩行や飛行、学習や記憶、ナビゲーション、摂食、さらには社会的交流といった高度な行動も実行できるからです。私の研究室では脳が社会的コミュニケーションを仲介する仕組みを研究しており、ハエは社会的なパートナーからの視覚や聴覚などのフィードバック信号を継続的に利用して、その時々でどのような行動を取るかを決めていることを発見しました。ハエは状況に応じて異なる選択をすることさえできます。このような複雑な行動には脳の多くの部分が関与するため、解決するには脳内のすべての接続の完全なマップが必要です。

論文では、「スノーフレーク」という概念と、個々の脳がどの程度種を代表できるかという問題について議論されています。ここでの疑問は、脳の構造 (電子的な比喩で言えば「回路」) は種間で類似しているものの、その構造内の実際の接続 (「配線」) は異なる可能性があるということですか? たとえば、ニューロン x とニューロン y は 2 つの脳で物理的に接続されている可能性がありますが、一方の脳では接続が非アクティブである一方、もう一方の脳ではアクティブである可能性があります。

PS:興味深い質問ですね。コネクトミクスでは、2 つのニューロン間の接続が多数の個別のシナプスで構成されている場合に、その接続は「強い」と表現される傾向があります。FlyWire データセットと以前の部分的な脳マップの比較に基づくと、強い接続は両方の脳にほぼ常に存在します。あなた (そして実際、他の多くの神経科学者) は、接続の「構造的」な強さが必ずしも「機能的」な強さにつながるかどうかを当然ながら尋ねています。

簡単に答えると、おそらくイエスです。もう少し長い答えは、まだ確かなことはわかりませんが、私が知る限り、過去の生理学的および行動学的研究で報告された機能的接続もコネクトームにおいて構造的に強力であることが判明しています。そうは言っても、これは神経科学コミュニティが今後数年間で取り組まなければならない大きな問題のままです。

これにより、「配線」にも何らかの普遍性があるかどうか、つまり、常に接続された、つまり「ハードワイヤード」なニューロンが存在するかどうかという疑問が生じます。

MM:脳の構造には確かに類似点があり、それが機能とどう関係するのかを理解するのは興味深いことです。

ショウジョウバエには約 10^5 個のニューロンがあり、マウスの脳には約 10^8 個のニューロンがあります。ニューロンの数と比較して、ニューロン間の接続数はどのように変化しますか? マウスの脳のニューロン間の接続数は、ショウジョウバエの 1000 倍ですか、それともそれ以上ですか?

グレゴリー・ジェフリス:実際、ニューロンあたりのシナプスの数は、おそらく 10 倍以内しか違わないでしょう。これは、ハエのシナプスが哺乳類のシナプスよりも小さいことと、ハエの [ポリアディックな性質] が一因かもしれません。ハエのコネクトームでは、強力なパートナー ニューロン間の個々のシナプスの数が多い可能性もあります (2 つのニューロン間のチャンピオン接続は、数千の個々のシナプスです)。

最後に、ハエの脳の詳細な地図が手に入ることで、どのようにさらなる研究が可能になるのかについて、少しお話しいただけますか?

PS:はい、もちろんです。この脳マップは、将来の実験コネクトームと比較できる基準を確立します。たとえば、ハエに、本来は動物にとって魅力的な匂いを嫌うように訓練し、そのハエの脳マップを生成して FlyWire と比較し、回路レベルで何が変わったかを確認できます。EEG はハエでは機能しません (小さすぎるため) が、コネクトームをカルシウム イメージングや電気生理学的記録などの他のモダリティと重ね合わせることは、多くの研究グループで積極的に取り組んでいます。