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ジョンズ・ホプキンズ大学とケンブリッジ大学の研究者らは、ミバエの幼虫の脳のすべてのニューロンの配線パターンの地図を世界で初めて作成した。

12年の歳月をかけて緻密に作成されたこの地図は、キイロショウジョウバエDrosophila melanogaster)の幼虫の脳にある3,016個の神経細胞の位置をすべて描き出したもので「コネクトーム」と呼ばれる。これは、それらの脳細胞をつなぐ548,000個のシナプスによって、細胞が互いに化学的なコミュニケーションをとり、その結果、細胞の配線を通して電気信号が送られる様が描き出されている、まさに画期的なものだ。

ちなみに、完全なコネクトームが描き出されたのはこれが初めてではない。これまでにも、微細な回虫である線虫、ホヤの幼生であるCiona intestinalis、海虫であるPlatynereis dumeriliiの脳のマッピングが行われてきたが、だがそれらの脳はせいぜい数百個のニューロンと数千個のシナプス(接続)を持つに過ぎず、今回の生花に比べれば遥かに単純なものだ。今回の成果は、これまでに構築されたあらゆるコネクトームの中で最も複雑なものであり、人工知能と神経科学開発の革命的な新境地への道を開くものである

ケンブリッジ大学動物学部および医学研究評議会分子生物学研究所(MRC LMB)のMarta Zlatic教授は、「これまで、線虫、脊索動物のオタマジャクシ、海産環形動物の幼虫以外の脳の構造を見たことがありませんでしたが、これらの脳には数百個のニューロンがあります。つまり、神経科学はこれまでほとんど回路図なしで動いてきたということです。脳の構造がわからなければ、計算がどのように行われるかを推測することになります。しかし、今、私たちは、脳がどのように機能するかについて、メカニズム的な理解を得ることができるようになりました」と、今回の成果について語っている。

3,016個のニューロンの地図

脳全体をマッピングすることは、現代の最高の技術をもってしても困難であり、非常に時間がかかる。研究者は、コネクトームの作成にあたって、キイロショウジョウバエの幼虫の脳を数百から数千の組織サンプルに切り分け、高解像度の電子顕微鏡でその全てを撮影した。その後、すでに収集したデータに加え、ニューロン間の接続をひとつひとつ丹念にマークしていくという、気の遠くなるような作業を行っていったという。

「50年も経っているのに、これが最初の脳コネクトームです。これは、我々がこれをなし得るという砂上の楼閣です。すべては、このために動いてきたのです」と、ジョンズ・ホプキンスの生物医学エンジニアであるJoshua T. Vogelstein氏は述べている。

研究チームがあえてキイロショウジョウバエの幼虫を選んだのは、昆虫でありながら、遺伝的基盤が同等であるなど、ヒトと基本的な生態の多くを共有しているためだ。また、学習や意思決定の行動が豊かで、神経科学のモデル生物として有用である。また、比較的コンパクトな脳は、画像化することで回路を合理的な時間で再構築することが可能であり、実用的であるからだ。

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中央の図形は、ニューロンを点で表し、つながりを線で表している。似たような接続性を持つニューロンは、より近くに表示される。図の周りの枠は、さまざまな形のニューロンの例を示している。(Credit: Johns Hopkins University/University of Cambridge)

特に、研究者が観察した接続構造は、私たちが学習し、学習したことを記憶することを可能にする脳の一部で、出入りするニューロンの間で最も反復していることが判明した。

また、特定された特徴の中には、機械学習のためのいくつかのコンピューターネットワークと同様の働きをするものがあることが分かったという。

「キイロショウジョウバエのコードについて学んだことは、人間のコードにも影響を与えるでしょう。人間の脳のネットワークにつながるプログラムをどう書くか、それが私たちが理解したいことです」と、Vogelstein氏は語っている。

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シナプス解像度のEMボリュームから再構成された全脳神経細胞の形態と、全脳のシナプス結合性マトリックスである。この接続性情報を用いて、全脳を形態と既知の機能に基づいて内部的に整合性のある93の細胞タイプに階層的に分類した。(Credit: Johns Hopkins University/University of Cambridge)

研究チームは、次のステップとして、学習や意思決定など特定の行動機能に関わる神経構造をより詳しく知り、昆虫が活動している間のコネクトーム全体の活動を調べることを提案している。

今回、キイロショウジョウバエの幼虫の脳でこれを行うのに10年以上を要した。マウスの脳はキイロショウジョウバエの100万倍複雑だと言われており、人間の脳におけるコネクトームの作成は、果てしなく遠い道のりだろう。人間の複雑な意識の鍵を握るコネクトームが完全に解明されるのは、かなり先のことになりそうだ。


論文

参考文献

研究の要旨

脳には相互に接続された神経細胞のネットワークが存在するため、ネットワークアーキテクチャを知ることは脳機能の理解に不可欠である。そこで我々は、学習、価値計算、行動選択などの豊かな行動をする昆虫の脳(ショウジョウバエの幼虫)全体のシナプス分解能コネクトームをマッピングし、3016個のニューロンと548,000個のシナプスから構成されていることを明らかにした。ニューロンの種類、ハブ、フィードフォワードおよびフィードバック経路、さらに半球間および脳と神経索の相互作用の特徴を明らかにした。その結果、多感覚と半球間の統合、高度なリカレント構造、下行性ニューロンからの豊富なフィードバック、複数の新規回路モチーフを発見した。脳の最もリカレントな回路は、学習中枢の入力と出力ニューロンを構成していた。多層ショートカットや入れ子のリカレントループなど、いくつかの構造的特徴は、最先端のディープラーニングアーキテクチャに類似していた。今回明らかになった脳のアーキテクチャは、今後の神経回路の実験的・理論的研究の基礎となるものだ。

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