マウスの脳研究は、人間の心の理解を高めます

Googleの研究者は、人間の脳の非常に詳細な地図を発表したばかりで、わずか1立方ミリメートルの脳組織、ほぼ半分の米のサイズの脳組織に焦点を当てています。このマップは、エンコードするために驚異的な1.4ペタバイトのデータを必要とし、個々のニューロンとその複雑な接続を顕著な明確に紹介します。

それは脳の非常に小さい部分ですが、地図は驚くべき発見につながりました。 「たとえば、これらの巨大な結び目にねじれているニューラルワイヤの一部が気づきました」とGoogleの研究科学者Viren Jain氏は言います。 「私たちはこれが起こる理由について無知です。それは誰も見たことのないものです。」

今、Virenと彼のチームは、マウスの脳に焦点を移しています。これらの小さな哺乳類は、私たち自身の心の最も深い謎のいくつかを解き放つための鍵を握るかもしれません。次のような質問：記憶を保存して取得するにはどうすればよいですか？オブジェクトと顔をどのように認識しますか？なぜそんなに睡眠が必要なのですか？そして、アルツハイマー病や他の脳疾患のような状態でどのような誤動作がありますか？

「これらの質問に対する答えがない主な理由は、脳を研究するために重要なデータがまだ欠けていることです」とViren氏は説明します。

860億のニューロンと100兆ものシナプスを備えた人間の脳は、私たちの思考、感情、動き、および世界との相互作用の背後にある複雑な機械です。これらのニューラル接続、または「コネクトーム」をマッピングすることにより、脳がどのように機能するか、そしてなぜそうでないのかについての洞察を得ることができます。

シナプスレベルで詳細なマップを作成することは、小さな偉業ではありません。ナノメートルの解像度で脳を画像化し、膨大な量のデータを処理する必要があります。これは、イメージング、AIアルゴリズム、およびデータ管理ツールの継続的な革新を要求する技術的な課題です。そのため、10年前、Google ResearchはConnectomicsチームを設立しました。

過去10年間、チームは、データをより効率的に処理、分析、共有し、脳の理解を大幅に加速するための技術を開発することに大きな進歩を遂げてきました。たとえば、彼らは機械学習を使用して脳画像全体のニューロンのトレースを自動化する洪水充填ネットワークを導入し、手動色の必要性を排除します。また、SEGCLRアルゴリズムを開発して、これらのネットワーク内の細胞と細胞タイプのさまざまな部分を自動的に識別しました。さらに、TensorstoreやNeuroglancerなどのソフトウェアを作成して、大規模な多次元画像とボリュームの保管、処理、視覚化を支援しました。

ただし、人間の脳のコネクトーム全体をマッピングすると、遠い目標のままです。現在、私たちの技術の範囲を超えているゼッタバイトのデータ（10億テラバイト）までの分析が必要です。 「現在、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かかるでしょう」とVirenは認めます。

その結果、研究者は、小さな動物の脳の大部分をマッピングするか、より大きな動物の脳の小さな部分をマッピングすることに集中しています。 2020年、Connectomicsチームはフルーツフライの脳の半分をうまくマッピングし、25,000のニューロン間のつながりを明らかにしました。他の研究者とのコラボレーションは、ゼブラフィンチとゼブラフィッシュの幼虫の脳の一部のコネクトームの作成にもつながりました。そして5月に、1立方ミリメートルのヒト脳組織の詳細な地図が科学に掲載されました。

これらのプロジェクトのデータセットは、世界中の何千人もの研究者によって使用されており、何百もの公開された発見につながっています。

研究者は、ほぼすべてのニューロンの3D画像と、人間の脳組織の小さな部分内のそれらのつながりを構築しました。上の画像は、黄色で照らされた興奮性ニューロンを示していますが、下の画像は青色で強調表示されている抑制性ニューロンを表示します。

Connectomicsチームは現在、ハーバード、プリンストン、およびその他の機関のパートナーと協力して、マウスの脳全体の2〜3％を占める記憶形成、注意、および空間ナビゲーションの原因となる脳領域であるマウスの海馬をマッピングしています。

人間の脳全体をマッピングする手段がなければ、マウスコネクタムの分析は実用的な次のステップです。それは実現可能であるほど小さく、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調べると、それは人間の脳に非常に似ているように見えます。本質的にミニチュアバージョンです」とハーバード大学の分子生物学の教授であるジェフ・W・リヒトマンは言います。これが、マウスがしばしば人間の脳障害を研究するために使用される理由です。

マウスはコネクティックの最新のフロンティアを表していますが、神経科学者は数十年にわたって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、16年間の仕事の後に1986年に発行されたワームの脳でした。

マウスの脳は人間の脳の1,000倍小さいにもかかわらず、それをマッピングすることは手ごわい技術的課題のままです。ナノメートルの解像度での単一のマウス脳コネクティムからのデータセットは、20,000〜30,000テラバイトと推定されるこれまでで最大の生物学的データセットである可能性があります。

「データの取得が課題であるだけでなく、それを保存して正確に処理することです」とVirenは指摘します。 「私たちのユニークな貢献は、精度の境界を押し広げるツールを開発し、それらをますます大きなデータセットに適用することです。」

成功した場合、Connectomicsチームのマウス脳プロジェクトは、科学者が哺乳類の海馬の一部をマッピングしたのは初めてであり、これまでにマッピングされようとした最大の脳切片です。

「基本的な研究は非常に貴重です」とVirenは結論付けています。 「私を興奮させるのは、いつか記憶がどのように形成され、精神障害や病気を引き起こすのかを正確に理解する見込みです。しかし、これを達成するには、数十年前に想像を絶する方法で技術を進め続ける必要があります。」