比類のない詳細さを誇る新たな脳地図が神経科学を変えるかもしれない

コールド・スプリング・ハーバー研究所の地下キャンパスにあるオフィスの机に座り、神経科学者のトニー・ザドールはコンピューターのモニターを私の方に向け、複雑なマトリックス型のグラフを見せてくれた。スプレッドシートのように見えるが、数字の代わりに様々な色調とグラデーションで塗りつぶされているものを想像してみてほしい。彼は何気なくこう言った。「何万ものニューロンのつながりを解明したと言ってこれを見せると、皆『えっ？』と思うだけだ。でも、これを見せると…」。彼が画面上のボタンをクリックすると、透明な脳の3Dモデルが画面上に現れ、数え切れないほどのノードとラインで軸を中心に回転した。「皆、『一体何なんだ！』と言うんだ」

ザドール氏が見せてくれたのは、マウスの大脳皮質にある5万個のニューロンの地図だった。それは、各ニューロンの細胞体がどこにあり、それらが長い軸索の枝をどこに送っているかを示していた。これほどのサイズで詳細な神経地図は、これまで作成されたことがない。ニューロンを蛍光でマークする従来の脳マッピング法をやめ、ザドール氏はロングアイランドのコールド・スプリング・ハーバーにおける分子生物学研究の長い伝統を利用した珍しいアプローチをとった。同氏は、ゲノム情報の断片を使って、個々のニューロンに固有のRNA配列、つまり「バーコード」を吹き込んだ。次に、脳をシートケーキのように立方体に切り分け、その断片をDNAシーケンサーに送り込んだ。その結果、マウスの大脳皮質にある5万個のニューロン（近々同数が追加される予定）の3Dレンダリングが、単一細胞の解像度でマッピングされた。

ザドール氏の最高傑作とも言えるこの研究は、現在も出版に向けて改良が続けられています。しかし、ネイチャー誌に最近掲載された論文で、彼と同僚たちは、MAPseq（Multiplexed Analysis of Projections by Sequencing）と呼ばれるこの手法を用いることで、これまで観察されたことのない新しい細胞種や投射パターンを発見できることを示しました。また、この新しいハイスループットマッピング手法は、現在のゴールドスタンダードである蛍光法と精度において十分に匹敵する性能を持つことも実証しました。蛍光法はニューロン数が少ない場合に最も効果的です。

このプロジェクトは、ザドール氏が皮肉を込めて「本業」と呼んでいた神経生理学者としての日々のフラストレーションから生まれた。彼は齧歯類の聴覚意思決定、つまり脳がどのように音を聞き、音声情報を処理し、行動出力や動作を決定するかを研究している。電気生理学的記録やその他の従来のツールを用いても、数学に強い関心を持つこの科学者は満足できなかった。ザドール氏によると、問題はニューロンの回路構造について十分な理解がされていないことであり、それが彼が脳を画像化するツールの開発という「副業」に取り組んでいる理由だ。

脳マッピングの最新技術は、アレン・ブレイン・アトラスに体現されています。これは、多くの研究室で数年にわたり2500万ドル以上の費用をかけて行われた研究成果をまとめたものです。アレン・アトラスは、既知のニューロンのサブポピュレーションとその投射をグループとして追跡するため、バルク・コネクティビティ・アトラスとして知られています。研究者にとって非常に有用ですが、グループ内またはニューロンのサブポピュレーション内の微妙な違いを区別することはできません。

マウスがどのようにして高音のトリル音を聞き取り、その音が清涼飲料水のご褒美を意味すると認識し、後でそのご褒美を思い出すための新しい記憶を蓄えるのかを知りたいのであれば、まず脳の地図、つまり配線図を作成する必要があります。ザドール氏の見解では、こうした神経回路に関する知識の欠如が、精神疾患の治療がそれほど進歩していない理由、そして人工知能が未だにそれほど知的ではない理由の一因となっています。

スタンフォード大学の神経科学者で、ネイチャー誌の新論文の著者であり、かつてザドール研究室に在籍した大学院生でもあるジャスタス・ケブシュル氏は、回路を知らずに神経科学の研究をすることは、「コンピューターの仕組みを理解しようと、外側から観察し、電極を差し込んで探り、何が見つかるかを調べるようなものだ」と指摘した。「ハードドライブがプロセッサーに接続され、USBポッドがシステム全体に入力を提供していることを全く知らなければ、何が起きているのか理解するのは難しい」

MAPseq の着想は、ザドール氏が Brainbow と呼ばれる別の脳マッピング技術を知ったときに生まれました。ハーバード大学の Jeff Lichtman 研究室で生まれたこの方法は、蛍光染料の異なる組み合わせを使用して最大 200 個の個々のニューロンを同時に遺伝子標識するという点で画期的でした。その結果、軸索とニューロン細胞体が複雑に絡み合っている様子を詳細に表示する、魅力的なネオンカラーのニューロンの多色タブローが生まれました。この画期的な研究により、脳内の神経接続の完全な図式であるコネクトームのマッピングが間もなく現実になるだろうという希望が生まれました。残念ながら、この技術の実際の限界は、顕微鏡では約 5 ～ 10 個の異なる色しか分離できないことです。これでは、皮質内のニューロンの絡み合いを透過して、一度に多くのニューロンをマッピングするには不十分でした。

その時、ザドールの頭の中に電球が灯った。研究者たちが高速化とコスト低下を続けるハイスループットゲノムシーケンシング技術を活用すれば、コネクトームの膨大な複雑さという課題を克服できるかもしれないと彼は気づいた。「数学者が言うところの、既に解決済みの問題への還元です」と彼は説明した。

MAPseqでは、研究者らは様々な既知のRNA配列（いわゆる「バーコード」）を持つ遺伝子組み換えウイルスを動物に注入します。1週間以上かけてウイルスは動物の体内で増殖し、それぞれのニューロンにこれらのバーコードの特定の組み合わせを充填します。研究者らが脳を切片に切断すると、RNAバーコードがスライドごとに個々のニューロンを追跡するのに役立ちます。

ザドール氏の洞察力は、ネイチャー誌に掲載された新たな論文へとつながりました。この論文では、同氏の研究室と、神経科学者トーマス・ムルシック＝フローゲル氏が率いるロンドン大学ユニバーシティ・カレッジのチームがMAPseqを用いて、マウスの視覚系における約600個のニューロンの投射を追跡しました。（編集者注：ザドール氏とムルシック＝フローゲル氏は共に、Quantaを発行するシモンズ財団から資金提供を受けています。）

マウスの脳にある数千万個のニューロンと比較すると、600個のニューロンは控えめな数と言えるでしょう。しかし、研究者たちが念頭に置いていた特定の目的には十分でした。彼らは、脳の配線パターンに、その機能に関する情報となる構造が存在するかどうかを解明しようとしていたのです。現在有力な説は、視覚皮質において、個々のニューロンが眼から特定の情報、例えば視野内の物体の端、動きの種類、空間の向きなどを集めるというものです。そして、ニューロンは、その情報処理を専門とする脳内の対応する領域に信号を送ります。

この理論を検証するため、研究チームはまず、マウスの少数のニューロンを、遺伝子組み換え蛍光色素を個々の細胞に注入するという従来の方法でマッピングした。次に、顕微鏡を用いて、一次視覚野（眼からの入力を受け取る脳領域）から脳内の他の部位に至るまで、ニューロンがどのように伸びているかを追跡した。その結果、ニューロンの軸索が枝分かれして複数の領域に同時に情報を送っていることが分かり、一対一マッピング理論を覆した。

次に、研究チームはこれらの投射に何らかのパターンがあるかどうかを検討しました。MAPseqを用いて、591個のニューロンが枝分かれして複数の標的に神経支配する様子を追跡しました。研究チームが観察したのは、軸索の分布が構造化されていることでした。例えば、一部のニューロンは常にA、B、C領域に軸索を送りますが、DとE領域には決して送らないという状況でした。

これらの結果は、視覚系が驚くほどのレベルの相互接続性を有し、それらの接続パターンが1対1のマッピングよりも複雑であることを示唆しています。「高次視覚野は、単にそれらに特化した情報を受け取るわけではありません」とケブシュル氏は述べました。むしろ、それらは多くの同じ入力を共有しており、「そのため、それらの計算は互いに結びついている可能性があります」。

しかしながら、特定の細胞が特定の領域に投射しているという事実は、視覚皮質内にまだ特定されていない特殊な細胞が存在することも意味します。ケブシュル氏は、このマップは青写真のようなもので、後続の研究者がこれらの細胞が何をしているのかを理解するのに役立つと述べています。「MAPseqを使えば、ハードウェアをマッピングできます。…ハードウェアが分かれば、ソフトウェア、つまり計算がどのように行われているのかを調べ始めることができます」と彼は言います。

MAPseq は、こうした調査のスピードとコストにおいてかなりの競争力を持っています。Zador 氏によると、この技術は、わずか 1 万ドルで 1 週間か 2 週間以内に 10 万個のニューロンを処理できる規模に拡張できるはずです。これは、従来のマッピングよりもはるかに高速で、コストはほんのわずかです。

こうした利点により、多数の脳の神経経路をマッピングし、比較することがより現実的になります。統合失調症や自閉症など、脳の配線の違いに起因すると考えられる疾患の研究は、既存のツールでは神経の相互接続の詳細を十分に捉えられないため、研究者をしばしば悩ませてきました。今後、研究者がこれらの疾患のマウスモデルをマッピングし、より一般的な脳と比較できるようになることが考えられます。これにより、新たな研究サイクルが促進されるでしょう。「多くの精神疾患は回路レベルの問題によって引き起こされます」と、アレン脳科学研究所構造化科学部門のエグゼクティブディレクター、ホンクイ・ゼン氏は述べています。「接続情報は、どこを調べるべきかを教えてくれます。」

ハイスループットマッピングにより、科学者は大量の神経学的データを収集し、脳の働きの一般原則を反映するパターンを探すことも可能になります。「トニーが行っているのは、脳を偏りのない視点で観察することです」と、ソーク研究所の分子神経生物学者、スリーカント・チャラサニ氏は述べています。「ヒトゲノムマップが仮説を検証し、遺伝子配列と機能のパターンを探すための足場を提供してきたように、トニーの手法は脳の構造にも同様のことが可能になるかもしれません」

ヒトゲノムの詳細なマップは、生物学の仕組みに関するすべての謎を即座に解明したわけではありませんが、生体分子の部品リストを提供し、革新的な研究の波及効果をもたらしました。同様に、MAPseqは現在の開発段階では、タグ付けした細胞の機能や位置に関する情報を提供できず、どの細胞が互いに通信しているかを示すこともできません。しかし、ザドール氏は近いうちにこの機能を追加する予定です。彼はまた、恐怖条件付けの基盤となる神経回路など、脳の様々な部位を研究している科学者とも共同研究を行っています。

「接続性から得られる知見があると思います。しかし、ゲノム自体が興味深いものではないのと同じように、ゲノムが何を可能にするかこそが変革をもたらすのです。だからこそ私は興奮しています」とザドール氏は述べた。「この研究が、この分野における次世代の研究の足場となることを期待しています。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。