これまでに作成された最も詳細な人間の脳の物質の地図をご覧ください

1立方ミリメートルは、誰が見ても非常に小さい。ほとんど気づかない程度の小さな粒、かけら、パンくずだ。しかし、よくよく見てみると、物質の粒子の中に世界が広がっていることがわかる。神経科学者とエンジニアのチームが、機械学習ツールの助けを借りて、ナノスケールの解像度で人間の脳の1立方ミリメートルの体積を図表化し、断片内のすべてのニューロン、シナプス、血管、支持細胞をトレースして、組織の3Dモデルを再構築した。これは脳全体の体積のわずか100万分の1に過ぎないが、これまでに作成された人間の脳物質の最も詳細な地図である。これは、神経疾患、脳の構造、および人間の行動の起源に関する科学的発見の波を刺激する可能性がある。

「ある意味では、私たちのデータセットはごくわずかです」と、ハーバード大学の神経科学者で分子細胞生物学教授でもある共同上級研究員のジェフ・リヒトマン氏はPopSciに語った。「しかし、実際に中に入ってみると、巨大な森のように見えるので、小さいとは感じません。非常に小さな森ですが、非常に非常に複雑な森なのです」と同氏は付け加えた。

こうした複雑さはすべて、5月9日にサイエンス誌に掲載された、包括的な脳地図、いわゆる「コネクトーム」の構築を記録した研究で明らかになった。最初のコネクトームは線虫の脳のもので、1986年に完成した。それ以来、神経科学者はショウジョウバエ、ウジ虫、オタマジャクシ、ミミズなど、ますます大きく複雑な脳の図解を続けてきた。しかし、人間の脳はその複雑さとアクセスしにくさから、地図作成に独特の課題を抱えている。この新しい部分的な人間のコネクトームは、誰でもオンラインで閲覧できる。

「これは素晴らしい技術的偉業というだけでなく、この科学情報すべてを世界と共有し、世に出すことを本当に目的としたツールでありリソースなのです」と、この新しい研究には関わっていないトーマス・ジェファーソン大学の神経科学者ティム・モスカ氏はPopSciに語った。「このグループは、これを見たい人、考えたい人、研究に使いたい人なら誰でも利用できるように、新しいツールとパイプラインをすべて設計するという素晴らしい仕事をしました。」

脳のピザを提供する

研究サンプルは、てんかん手術を受ける匿名の患者から10年以上前に採取された。外科医は、根底にある病変にアクセスして治療するために側頭葉の小片を切除し、すぐに組織を保存し、後に科学者と共有した。断片の全容積は約1立方ミリメートルだが、立方体の形ではない。むしろ、「厚いピザのようなものだが、それほど厚くはない」とリヒトマンは言う。この鈍角の三角形の塊は、幅よりも長さが長いため、研究者は厚さ3ミリメートルの大脳皮質の6層すべてを少しだけ捉えることができた。

脳ピザのマッピングの第一歩は、ダイヤモンドナイフで切断する特別設計の機械を使用して、それをテープに貼り付け、5,019 個の個別の断面 (各 30 ナノメートルの厚さ) にスライスすることだった。そこから研究者たちは、電子顕微鏡で各スライスを慎重に画像化する作業を 1 年かけて行った。次に、スライスをデジタルで位置合わせしてつなぎ合わせ、複数の機械学習ツールを使用して 3D フォームに記入し、各コンポーネントにラベルを付けて色付けした。

この部分のニューロン密度は1立方ミリメートルあたり16,000個で、同じ脳部分のこれまでの密度推定値より約3分の1低く、マウスの脳の対応する部分の10分の1の密度であると研究は述べている。脳組織をつなぎとめる結合接着剤であるグリア細胞は、この断片内のニューロンの2倍の比率で多い。

神経探検家

脳断片の物理的サイズはごく小さいかもしれないが、詳細度が高いため、マッピング作業で取得されるデータは膨大である。再構築されたセグメントはデジタルサイズで 1.4 ペタバイト、つまり 1,400 テラバイト (平均的なラップトップ約 2,800 台のストレージ容量に相当) である。その中には、個々の神経回路、これまで観察されていなかった細胞の比率と形状、各皮質層の構成など、発見できるものがたくさんある。

「まるで新しい島に上陸した探検家になったような気分です」とリヒトマン氏は言う。「周囲を見回し続けていると、新しいものを見つけ続けることになります。」

すでに、リヒトマン氏と多くの共同研究者は、興味深い観察をいくつか行っています。彼らがマッピングした約 1 億 5000 万のシナプスの中に、特に強い接続の珍しいタイプが見つかりました。大部分 (96.5%) のケースでは、軸索 (ニューロンの出力伝達ライン) がターゲット セルと 1 つの接続を形成していました。一部 (約 3%) は 2 つの接続を形成していました。しかし、0.01% 未満では 4 つ以上のシナプスが形成され、その中には 50 を超えるポイントで接続された軸索とターゲット セルもありました。

「特定の細胞間には、いわばスーパーコネクションが存在するという理論が常にありました」とモスカ氏は言う。「しかし、それを証明する決心ができたことはありませんでした。今ではそれが存在することがわかっており、それが何をするのかという疑問に取り組むことができます。」リヒトマン氏の現在の仮説は、これらの強化されたコネクションは、確立された学習された行動のための「脳の自動使用」を可能にする一種の超高速経路であるというものです。

もう一つの新しい観察結果は、多くの樹状突起（通常は入力を受け取るニューロンの分岐延長部）が互いに鏡像になっているように見えることです。つまり、無限の三次元的可能性のうち、たった 2 つの方向配置のうちの 1 つに対称的に向いているということです。「私たちはこれまでそのようなものを見たことがありませんでした」と Lichtman 氏は言います。「なぜ彼らはそんなことをするのでしょうか? わかりません... [それは] 完全な謎です。」

科学者たちはさらに、新しいタイプの説明のつかない構造を発見し、それを「軸索渦巻き」と名付けた。これは、長い軸索ケーブルが絡み合っているように見える構造だ。すべてのニューロンではないが、一部の軸索には複数の結び目があったと、共同主任研究著者で、Google のシニアスタッフサイエンティストであり、同社の Connectomics 研究チームを率いる Viren Jain 氏は言う。この渦巻きの機能と原因も不明だ。「このような構造が見つかるとは思っていませんでした。非常に奇妙です…まるで配線がごちゃ混ぜになっていて、本来の電線の目的である、さまざまな場所に行き、他のものと接触するという目的に反しているような感じです。」

これら 3 つの発見は、氷山の一角に過ぎないと思われます。「データセットは非常に大きいため、1 人の人間や研究グループでは [すべて] 調べることはできませんが、大勢の人間なら調べることができます」とリヒトマン氏は言います。プロジェクトのオープンな性質により、この脳の再構築はプレプリントとして最初に公開されて以来、200 本を超える論文で引用されているとジェイン氏は指摘します。

この部分的なコネクトームから得られる発見は、科学における大きな根本的な進歩であるだけでなく、最終的には脳疾患の理解と治療の向上にも役立つ可能性がある。「人間の脳の神経配線をこれほど詳細に測定できるということは、人間の健康を増進する刺激的な機会が開かれることを意味します」と、このプロジェクトには関わっていないプリンストン大学の物理学者で神経科学者のアンドリュー・ライファー氏は言う。「健康な脳が病気にかかったり機能不全に陥ったりすると、脳の配線がどのように変化するかを理解するために、異なる脳を比較することも考えられます」と同氏は付け加える。

未来のフロンティアへの挑戦

しかし、発見すべきことはたくさんあるが、限界もある。このような大規模な取り組みを可能にする鍵となった自動化された機械学習の方法には、人間の監督による修正を必要とする誤差が含まれる。編集は継続的なプロジェクトであり、参加を希望する人なら誰でも申し込むことができるコミュニティ科学の取り組みである。

また、このサンプルは一人の人間の脳のほんの一部に過ぎない。比較のためのサンプルや地図がもっとなければ、この一片だけでは人間の脳全般や側頭葉以外の脳領域についてまだ推測できないことがたくさんあるとリヒトマン氏は指摘する。

そして、おそらく最も重要なのは、この脳の断片はてんかんの手術を受けた人のものだということだ。これは「正常な」脳ではない可能性があり、評価できる部分が増えない限り確実に知る方法はないとジェインとリヒトマンは言う。「しかし、私たちはこれについて多くのフォローアップを計画しています」とジェインが付け加えた。

研究チームは、追加のヒト脳サンプルを表す複数の部分コネクトームを構築するという野心を抱いている。また、ゼブラフィッシュのコネクトームにも取り組んでおり、マウスの脳のますます大きな部分に取り組む計画だ。哺乳類の脳には多くの類似点があるため、マウスの完全なコネクトームは、私たち自身の脳だけでなく、動物間の脳の進化についても新たな洞察をもたらす可能性があるとリヒトマン氏は言う。

現時点では、現在利用可能な技術（および倫理的影響）では、人間の脳の完全なコネクトームは「まだ遠い」とリヒトマン氏は言う。「文字通り、私たちはそこから100万倍も遠いのです」とジェインは言う。しかし、この研究を通じて、科学者たちはその方向への早期の（たとえわずかでも）一歩を踏み出した。そして、最も小さなのぞき穴でさえ、知識の宇宙全体への入り口となり得るのだ。

「ハッブル望遠鏡やジェイムズ・ウェッブ望遠鏡について考えるのと同じように、このことについても考えてもらいたい」とリヒトマン氏は言う。「私たちは未知の領域をのぞき込んでいる。それは遠い宇宙空間よりもずっと私たちにとって重要な領域だ。私たち一人ひとりが肩に担っているこの内なる空間は、私たちが使っているが、ほとんど何も知らない空間なのだ。」