マウスの膨大なデータは脳コンピューターインターフェースの可能性を示唆している

2019年10月15日午前7時

約850ギガバイトのマウス脳データが公開されました。これは、マウスの脳を読むための現在および将来の脳制御コンピューターの構築に大いに役立つでしょう。

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生きた脳内で何が起こっているかを調べるための機械――その先端の下にあるマウスにとっては、あまり楽しいものには見えない。シアトルにあるアレン脳科学研究所では、研究者たちはまずマウスの頭蓋骨の一部を剥ぎ取り――実際にはたくさんのマウスを剥ぎ取り――穴の開いた小さな窓を取り付け、マウスの頭にボルトで固定する。

脳をスキャンする部分は「ニューロピクセル」プローブと呼ばれ、コンピューターチップと同じ技術で作られた長さ10mmの針です。6本のプローブがカートリッジに取り付けられ、ロボットアームに取り付けられたカートリッジが頭蓋骨の窓の穴からマウスの脳内に降りてきます。それぞれの針には、神経活動、つまりニューロン同士が通信する電気スパイクを記録できる約1,000個のポイントが点在しています。アレン研究所の研究者たちは、これらのポイントを視覚皮質の最も深い領域にまで突き刺します。

次に、そのマウスに様々なものを見せ、ニューロピクセルを使って脳がどう反応するかを観察します。どんなものを見せたのでしょうか？グリッド。白黒の格子。もう一つの格子、ただし今回はゆっくりと動くもの。あらゆる哺乳類の脳が反応するような視覚刺激です。自然界や動物の写真なども見せました。また、オーソン・ウェルズ主演の映画『悪魔の住む家』の、長いワンテイクの冒頭シーンから2つのクリップをマウスに何度も見せました。その間ずっと、ニューロピクセルは研究所が考案した脳マッピング基準に基づいて、数百、あるいは数千ものニューロンからデータを収集していました。

月曜日、アレン研究所は70テラバイトに及ぶ神経電気の生データをすべて収集し、850ギガバイトのより有用な情報に分類し、脳の活動を示すマップと新たな視覚画像とともに公開した。これが目的だ。脳を研究する人々、脳のシミュレーションを試みるコンピューター、そして脳コンピューターインターフェースを研究する人々に、実際の数値データを提供することだ。「過去50年間、人々はわずか30個、40個のニューロンからデータを収集してきました」と、アレン研究所の主任科学者であるクリストフ・コッホは言う。「私たちのように2,000個、50,000個、あるいは100,000個のニューロンを持つとなると、全く違います」

コッホ氏によると、このデータセットは脳全体の接続された領域からの活動を示しているという。プローブの長さに沿って10の異なる領域から、ある視覚領域から別の視覚領域へ、あるいは視覚領域から高次処理が行われる領域へ、おそらく1,000個のニューロンが同時に活動している。これは、ほとんどの研究者が観察できるニューロンの数をはるかに上回る。「これは神経生理学の研究方法を劇的に変えることになるでしょう。」

アレンのようなデータセットは、脳に関する基礎的かつ根本的な知識を得ることを目的としています。他の研究者に仮説を立てたり、数学的に解析したり、さらには機械学習アルゴリズムの訓練に活用できる情報を提供することが期待されています。「これは神経科学におけるあらゆる疑問に当てはまります」とコッホ氏は言います。「学習の兆候とは何か？動物が課題を学習した場合、それはどのように現れるのか？」

神経技術者たちは、最終的には脳を深く理解し、その出力を読み取り、病気の治療やコンピューターなどのテクノロジーの制御に役立てたいと考えています。しかし、今のところ、その方法は誰も分かっていません。世界中の研究所や企業が、より正確かつ特異的に脳の活動を読み取るデバイスの開発に取り組んでいるのは事実ですが、いずれもまだ構想段階です。例えば、イーロン・マスク氏の企業Neuralinkは、ロボットが脳自体に微細な電極を縫い付ける「ニューラル・レース」と呼ばれる技術の活用を試みているようです。彼らはまだげっ歯類を対象としており、ヒト以外の霊長類にも取り組んでいるとのことです。ある研究グループは、マウスに最大8ヶ月間埋め込まれたニューラル・メッシュを開発しました。Facebookが買収したCTRL-labsという企業は、手首の信号を介して運動ニューロンの出力をコンピューターに接続することで、人間への応用を目指しています。Facebookはまた、音声中枢をターゲットに、言葉をコンピューターが理解できる形に翻訳する研究も行っています。

大きな障害の一つは、ニューロンの電気的活動を測定すると同時に、脳内での位置を正確にマッピングすることです。これは脳の実際の働きを解明する方法ですが、容易ではありません。まず、数週間、数ヶ月、場合によっては数年にわたるモニタリングが必要です。しかし、電極は塩辛い脳のスープの中で劣化したり、被験者の免疫反応によって詰まったりします。例えば、ニューロピクセルプローブは、ニューロンを同時に観察できる顕微鏡の邪魔になることがあります。より柔らかく柔軟な電極が、この問題を解決してくれるかもしれません。（アレン研究所の研究者たちは、電気生理学、神経活動の2光子イメージングなど、すべてのデータを同じ全体的な3D脳マップにインデックス付けしています。）

もう一つの潜在的な問題は、マウスのデータはあくまでマウスのデータであり、人間の完璧なモデルではないということです。マウスの視覚野は、組織的に言えば、かなり混乱しています。一部の脳科学者によると、マウスは霊長類とは異なり、触覚と嗅覚を持つ生き物です。「正直なところ、私も個人的に少し似たような感覚を持っています」と、ハワード・ヒューズ医学研究所で柔軟性のあるポリマー電極を研究している神経科学者、ローレン・フランクは言います。「しかし、マウスの人々を擁護するなら、マウスの皮質が多くの点で人間と共通する特性を持っていることは明らかです。」

それは素晴らしいですね。なぜなら、マウスはどんな霊長類よりも扱いやすいからです。マウスの研究は安価で、早く、理解も深まり、倫理的な制約もほとんどありません。（マウス好きの皆さん、ごめんなさい。）

おそらくもっと重要なのは、それを解明するためのツールが既に開発が進んでいることです。つまり、アレン研究所のような施設では、マウスを用いて技術とデータを進化させ、より多くのニューロンを一度に観察し、より正確にデータを読み取る方法を学習できるのです。これはすべて、将来的に人間に適用することを念頭に置いています。コッホ氏によると、彼らは現在その研究に取り組んでいるとのことです。「複数の外科医と協力して、この装置を人間の大脳皮質の一部に挿入するためのプロトコルを承認してもらおうとしています。外科医は事前にこの装置を除去する必要があることが分かっているはずです」とコッホ氏は言います。これは、例えば局所性発作を治療するための手術に用いられるでしょう。「そう遠くない未来です」

一方、他の研究者たちは、マウスマシンの先端にあるプローブのほぼ5倍の長さ、つまり霊長類の脳の最深層まで到達できる48mmのニューロピクセルプローブの開発に取り組んでいます。まさに思考の糧となるでしょう。

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