慣れない街でスマートフォンを失くしてしまったとする。地図も持っていない。そして、道路標識は外国語だ。これが、神経科学者が脳を研究するときの気持ちだ。
人間の脳内では、何十億もの神経細胞が互いに何兆ものつながりを持ち、複雑な迷路のような道（神経経路）を形成して、私たち自身を作り上げている。神経経路とは、脳のある部分から別の部分に信号を送る、一連のつながった神経細胞のことだ。これらのネットワークは、私たちがどのように考え、どのように記憶を保存し、どのように互いに影響し合うかを支配している。神経科学者はまだ、人間の脳内の接続のほんの一部を概説する技術を持っていない。地図がないのだ。
しかし、ケンブリッジ大学、MRC分子生物学研究所とジョンズ・ホプキンス大学の国際科学者チームが画期的な発見をした。これまでで最も複雑な脳である昆虫の脳をマッピングしたのだ。この脳は、多くの点で人間の脳に似ており、2つの半球、脳幹のような構造、動物の筋肉を制御する脊髄に相当する部分を持っている。
この脳を理解することで、人間の脳の働きについて多くのヒントが得られるかも知れない。
現在、脳の地図（コネクトーム）は数種類しか存在しない。その中でも、ミミズやホヤのような数百の神経細胞を持つ単純な動物の脳地図は、現在では数えるほどしか存在しない。
脳の地図を作るには高価な機材が必要だ。例えば、およそ100億分の1メートルの大きさしかない、神経細胞間の小さなシナプスを画像化するためには、非常に強力な電子顕微鏡が必要となる。単純な脳であっても、神経の通り道、シナプス、ニューロンを再構築するには何年もかかるのだ。
『Science』誌に掲載された最近の研究で、私と共著者は、3,016個の神経細胞と50万以上のシナプス部位を持つキイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）の幼虫の脳をマッピングした。この昆虫は驚くほど複雑だ。キイロショウジョウバエの幼虫は痛みを感じ、良い記憶と悪い記憶を形成し、隣人とチームを組んで餌を探すことが出来る。
私たちが学んだこと
まず発見したのは、キイロショウジョウバエの神経細胞は1つではなく、4つの異なる方法で互いにコミュニケーションを取っているということだった。
科学者たちは、神経細胞が互いにコミュニケーションをとる主な方法は、そのケーブル（軸索）を使って神経伝達物質（化学伝達物質）を他の神経細胞の樹状突起に送ることだと考えていた。樹状突起は、他の細胞からの信号を受け取るために設計された付属物だ。しかし、これはショウジョウバエの幼虫の脳における接続の半分にしか当てはまらなかった。時には、ショウジョウバエの神経細胞は、軸索から軸索へ、樹状突起から樹状突起へ、あるいは樹状突起から軸索へメッセージを送る。
研究者たちは、このような接続があることは知っていたが、それについて、またその数についてはほとんど知られていなかった。私たちのチームは、脳の接続性の半分近くを占めるという、その数の多さに衝撃を受けた。例えば、複数の接続タイプを同時に組み合わせるなど、これまで考えられなかったような方法でニューロン同士を接続することができるのだ。
神経細胞は非常に数が多いため、脳を相互接続された1つの神経細胞の塊として考えることは困難である。そこで神経科学者は、似たような「細胞タイプ」をグループ化して、物事を単純化した。それぞれのニューロンは、脳内でユニークな形と役割を担っており、基本的には独自の指紋を持っている。しかし、これらの細胞の種類をどのように定義するかについては、まだコンセンサスが得られていない。
私のチームは、ニューロン間の結合だけを用いて、脳の構造を最も単純な形に分解する新しい方法を偶然発見した。ショウジョウバエの幼虫の脳には、93種類の細胞タイプがあることが分かった。それぞれのグループのニューロンは、同じような形をしており、脳内で同じような役割（例えば、目から視覚情報を受け取るなど）を果たしていた。
次に、より詳細に脳のコアに着目した。私たちは、脳内の信号を追跡するアルゴリズムを開発した。科学者たちは、異なるニューロンは異なる感覚に特化しており、これらの信号は後になってようやく一つになると考えていた。しかし、私たちのアルゴリズムを使うと、ほとんどのニューロンはマルチタスクで、ショウジョウバエの幼虫が経験している特定の感覚的な合図に応じて、異なる役割を果たすことが分かった。1つの感覚信号のみを処理するニューロンは稀だった。
アルゴリズムと頭脳
ショウジョウバエの幼虫の脳は、人工知能（AI）と驚くほどの類似性を示した。脳を通る経路は、ResNets（ディープネットワークがタスクをよりよく学習できるようにする人工神経回路網）のように互いに重なり合い、より多くのパワーを詰め込めるようになっていた。多くの脳内経路はループを含んでいた。これは特に学習・記憶中枢で示され、おそらくリカレント・ニューラル・ネットワーク（ループする接続を持つ人工神経回路網）のように機能しているのだろう。
しかし、単純な脳でも多くのタスクをうまくこなせるのに対し、AIは1つのタスクしかうまくこなせない。さらに、脳はAIよりもはるかに効率的で、使用するエネルギーが少ない。脳が問題を解決するために電球に電力を供給するのに十分なエネルギーを使ったとしたら、AIは同じパズルを解明するために5台の車を作って12万キロ走るのに必要なエネルギーが必要になるかも知れない。
ChatGPTのようなブレークスルーがあり、AIはより一般的になってきている。このテクノロジーはますますエネルギーを消費するようになり、現在の気候危機を悪化させる可能性がある。脳が最小限のエネルギー使用で複雑な問題を解決する方法を学ぶことは、AIの二酸化炭素排出量を削減するために不可欠だ。
私のチームの研究は、脳の構造を理解する上で画期的なことだ。ショウジョウバエはヒトと多くの遺伝子を共有しているため、このショウジョウバエの幼虫の脳地図は、自閉症スペクトラム障害や統合失調症などの神経疾患において、病気の原因となる変異が脳の配線をどのように変化させるかを科学者が知るのに役立つと考えられる。
脳地図を手にすれば、脳の機能や機能障害に関する疑問への答えが手に取るように分かる。あとは、探求を続けるだけだ。
