マウスの脳研究は、人間の心の理解を高めます

Googleの研究者たちは、人間の脳の驚くほど詳細なマップを公開しました。このマップは、わずか1立方ミリメートルの脳組織、つまり米粒の半分ほどの大きさに焦点を当てたものです。このマップをエンコードするには、驚異的な1.4ペタバイトのデータが必要で、個々のニューロンとその複雑な接続を驚くべき鮮明さで示しています。

脳のごく小さな部分であっても、このマップは驚くべき発見をもたらしました。「例えば、ニューロンのワイヤーが巨大な結び目になってねじれていることに気づきました」と、Googleの研究科学者であるViren Jainは述べています。「なぜこれが起こるのかは全くわかりません。これは誰も見たことのないものです。」

現在、Virenと彼のチームは、説得力のある理由からマウスの脳に焦点を移しています。これらの小さな哺乳動物は、私たち自身の心の最も深い謎を解く鍵を握っている可能性があります。例えば、記憶をどのように保存し、取り出すのか？物体や顔をどのように認識するのか？なぜこれほど多くの睡眠が必要なのか？そして、アルツハイマー病や他の脳疾患で何が誤作動するのか？といった質問です。

「これらの質問に対する答えがない主な理由は、脳を研究するための重要なデータがまだ不足しているからです」とVirenは説明します。

人間の脳は、860億のニューロンと100兆を超えるシナプスを持つ複雑な機械であり、私たちの思考、感情、運動、そして世界との相互作用を支えています。これらのニューロンの接続、つまり「コネクトーム」をマッピングすることで、脳がどのように機能し、なぜ時々機能しないのかについての洞察を得ることができます。

シナプスレベルでの詳細なマップ作成は簡単なことではありません。ナノメートル解像度での脳のイメージングと膨大なデータ量の処理が必要です。これは、イメージング、AIアルゴリズム、データ管理ツールの継続的な革新を要求する技術的挑戦です。そのため、10年前にGoogle Researchはコネクトミクスチームを設立しました。

過去10年間で、チームはデータの処理、分析、共有をより効率的に行う技術を開発し、脳の理解を大幅に加速しました。例えば、機械学習を使用して脳画像全体のニューロンの追跡を自動化するフラッドフィルネットワークを導入し、手動での色付けの必要性を排除しました。また、ネットワーク内で細胞や細胞タイプの異なる部分を自動的に識別するSegCLRアルゴリズムも開発しました。さらに、TensorStoreやNeuroglancerといったソフトウェアを作成し、大規模で多次元の画像やボリュームの保存、処理、可視化を支援しています。

しかし、完全な人間の脳のコネクトームをマッピングすることは依然として遠い目標です。それには最大で1ゼタバイトのデータ（10億テラバイト）の分析が必要であり、現在は技術的に手の届かない範囲です。「今すぐ人間の脳全体をマッピングするには、数十億ドルと数百年の時間がかかるでしょう」とVirenは認めています。

その結果、研究者たちは、より小さな動物の脳のより大きな部分をマッピングするか、またはより大きな動物の脳の小さな部分に焦点を当てています。2020年、チームはショウジョウバエの脳の半分をマッピングし、25,000のニューロン間の接続を明らかにしました。他の研究者とのコラボレーションにより、ゼブラフィンチやゼブラフィッシュの幼生の脳の一部のコネクトームも作成されました。そして5月には、1立方ミリメートルの人間の脳組織の詳細なマップがScience誌に掲載されました。

これらのプロジェクトのデータセットは、世界中の数千の研究者によって使用され、何百もの発見が発表されています。

研究者たちは、人間の脳組織の小さな部分内のほぼすべてのニューロンとその接続の3D画像を構築しました。上部の画像では興奮性ニューロンが黄色で、下部の画像では抑制性ニューロンが青色で強調されています。

コネクトミクスチームは現在、ハーバード、プリンストン、その他の機関のパートナーと協力して、マウスの海馬をマッピングしています。海馬は記憶形成、注意力、空間ナビゲーションを担当する脳領域で、マウス脳全体の2～3％を占めます。

人間の脳全体をマッピングする手段がない中、マウスのコネクトームを分析することは現実的な次のステップです。それは十分に小さく、実現可能であり、人間の脳に適用可能な洞察をもたらす可能性があります。「電子顕微鏡でマウスの脳を見ると、人間の脳と驚くほど似ています。基本的にはミニチュア版です」と、ハーバードの分子および細胞生物学の教授であるJeff W. Lichtmanは述べています。そのため、マウスは人間の脳障害の研究にしばしば使用されます。

マウスはコネクトミクスの最新のフロンティアを表しますが、神経科学者たちは数十年にわたり、ますます複雑な脳をマッピングしてきました。最初のコネクトームは、1986年に16年の作業を経て公開されたワームの脳でした。

マウスの脳は人間の脳の1,000分の1の大きさですが、それをマッピングすることは依然として大きな技術的挑戦です。ナノメートル解像度での単一のマウス脳コネクトームのデータセットは、史上最大の生物学的データセットとなり、20,000～30,000テラバイトと推定されています。

「データの取得だけでなく、保存と正確な処理も課題です」とVirenは指摘します。「私たちの独自の貢献は、精度の限界を押し広げるツールを開発し、ますます大規模なデータセットに適用することです。」

成功すれば、コネクトミクスチームのマウス脳プロジェクトは、哺乳類の海馬の一部を初めてマッピングし、これまで試みられた最大の脳領域となるでしょう。

「基礎研究は非常に価値があります」とVirenは結論付けます。「私を興奮させるのは、いつか記憶がどのように形成されるか、精神障害や疾患の原因が何かを正確に理解する可能性です。しかし、それを実現するには、数十年前には想像もできなかった方法で技術を進化させ続ける必要があります。」