ほとんどの人にとって、ショウジョウバエの幼虫は、ほんの数ミリの、青白く、うごめく米粒のようなウジ虫にしか見えません。しかし、ハエの幼虫は、感覚刺激、社会行動、学習に満ちた、豊かで興味深い生活を送っています。ウジ虫の頭の中で多くのことが起こっているのではないかと疑ったことがあるなら、今、それを証明する地図ができました。
学際的な科学者チームが、ショウジョウバエの幼虫の脳の完全な再構成と解析結果を木曜日にサイエンス誌に掲載しました。神経科学用語でコネクトームと呼ばれるこの地図には、幼虫の中枢神経系全体を構成する3,016個のニューロンと、ニューロン間を走る54万8,000個のシナプスのそれぞれが含まれています。コネクトームには、幼虫の脳の両葉と神経索が含まれています。
最初の（ほぼ）完全なコネクトームは、1986年に発表された線虫（C. elegans）のものでした。この最初の地図を作成するために、科学者たちは色鉛筆を使って手作業で接続を描き出さなければなりませんでした。そこには302個のニューロンと7,600個のシナプスなどの接続が含まれていました。
それ以来、ますます複雑化する生物の脳を解明するという可能性を追求した神経科学の一分野が発展してきました。そして、すでに大きな進歩が遂げられています。複数の線虫の脳の完全な地図が完成しました。2018年には、詳細な結合解析が欠如した、比較的低解像度の成虫ショウジョウバエの脳地図が発表されました。
2020年、Googleの研究部門とハワード・ヒューズ医学研究所ジャネリア・キャンパスの科学者を含む複数の研究所からなるグループが、成虫ショウジョウバエの中枢脳の部分的なコネクトーム（ニューロン数25,000個、接続数2,000万）を発表しました。1年後、関連するジャネリア・キャンパスの研究チームが、この成虫ショウジョウバエの脳の部分的な追跡解析を発表し、「何」の背後にある「なぜ、どのように」を明らかにし始めました。2021年のこの研究で、科学者たちは、ショウジョウバエの脳がどのようにしてショウジョウバエとしての機能を果たすのかを説明するのに役立つ、感覚経路や運動経路、その他の複雑なダイナミクスを記録しました。
しかし、科学者が昆虫の脳全体をこれほど高解像度で画像化し、解析したのは今回が初めてです。これは、これまでに構築された昆虫の脳地図の中で最も完全なものであり、これまでに発表されたどの動物よりも複雑なコネクトーム全体です。つまり、これは画期的な成果と言えるでしょう。
一部の人々にとって、これは神経科学分野におけるパラダイムシフトを象徴するものです。ショウジョウバエはモデル生物であり、多くの神経構造や神経経路は進化の過程で保存されていると考えられています。ウジに当てはまることは、他の昆虫、マウス、さらにはヒトにも当てはまる可能性があります。複数の科学者がGizmodoに語ったところによると、研究者たちはこの脳を、生物学者が初めてマッピングされたヒトゲノムを参照したのと同じように、分野を超えた研究で参照することになるだろうとのことです。これは、動物の神経系、神経経路、そして脳構造に関する、これまで以上に多くの情報を提供するものです。さらに、新たに公開されたコネクトームは、神経科学だけでなく、人工知能や発生生物学などの分野の研究にも役立つ可能性があります。
「これは、脳がどのようにつながっているかを理解するための力作です」と、トーマス・ジェファーソン大学でショウジョウバエの感覚器官を研究している神経科学者のティモシー・モスカ氏は、今回の研究には関わっていないが、ギズモードとの電話インタビューで語った。
数十年前から、動物の脳の大まかな構成要素はマッピングされてきました。科学者たちは運動ニューロンと感覚ニューロンが一般的にどこに密集しているかを知っていました、とモスカ氏は説明します。しかし、この新しいコネクトームは、ぼやけた衛星画像から鮮明な都市の道路地図へと移行するようなものです。昆虫の大脳皮質のブロック単位の配列によって、「今では、セブンイレブンや、ご存知のTarget（店舗）がどこにあるかが分かります」とモスカ氏は言います。
ケンブリッジ大学の科学者グループは、コネクトームを完成させるために、生後6時間の雌ショウジョウバエの幼虫1匹の脳に12年を費やしました。この器官は、約170×160×70マイクロメートルの大きさで、実に小さく、肉眼では見えないほど小さいものの1桁以内です。しかし、研究者たちは電子顕微鏡を用いて、わずかナノメートルの厚さのスライスを数千枚に切り分け、視覚的に観察することができました。ニューロン1個の画像化だけでも平均1日かかりました。そこから、ニューロンの物理的な地図、つまり「脳容積」が完成し、分析が始まりました。
ケンブリッジ大学の神経科学者たちは、ジョンズ・ホプキンス大学のコンピュータ科学者らと協力し、発見したニューロンとシナプスを評価・分類しました。ジョンズ・ホプキンス大学の研究者らは、まさにこの用途のためにコンピュータプログラムを微調整し、細胞とシナプスの種類、脳内の接続パターンを特定し、行動と感覚システムに関する過去の神経科学研究に基づいて、幼虫のコネクトーム上にいくつかの機能をマッピングしました。
研究チームは多くの驚くべき発見をした。例えば、ハエの幼虫のコネクトームは、脳の両半球間をジグザグに走る多数の神経経路を示しており、脳の両半球がいかに統合され、信号処理がどれほど繊細であるかを示していると、研究の主任研究者の一人であり、ケンブリッジ大学の神経科学者であるマイケル・ウィンディング氏はビデオ通話で述べた。「こんな風に見えるとは思いもしませんでした」とウィンディング氏は語った。
一部の領域ではシナプスが高度に再帰的、反復的、そして強化されており、特に学習を駆動すると考えられている脳の領域では「美しく」その傾向が見られたと、ケンブリッジ大学の別の神経生物学者でこの研究の上級研究員の一人であるマルタ・ズラティック氏はビデオ通話で説明した。
興味深いことに、実際の脳からマッピングされたこれらの反復構造は、一部の人工知能モデル（残差ニューラルネットワークと呼ばれる）の構造と非常によく一致しているように見える。入れ子になった経路によって、様々なレベルの複雑さが実現されていると、ズラティック氏は指摘した。AI開発者が自然な情報処理の人工的なプロキシを作成した際、彼らは脳の構造の詳細について推測していた。そして今、少なくとも小さな点において、彼らの推測が正しかったことが証明された。ウィンディング氏もこの説明に同意し、ウジ虫の学習センターのレイアウトを「接続性のロシア人形」と呼んだ。
明らかにされた神経構造は層状であるだけでなく、ニューロン自体も多面的であるように見える。感覚細胞は視覚、嗅覚、その他の感覚入力を横断的に接続し、出力細胞へと向かう途中で相互作用していると、ズラティック氏は説明した。「この脳は膨大な量の多感覚統合を行っており…これは計算力という点で非常に強力なものです」と彼女は付け加えた。
次に、細胞間接続の種類と相対量について検討した。神経科学において、古典的な「標準的な」タイプのシナプスは軸索から樹状突起へと伸びている。しかし、マッピングされたハエの幼虫の脳では、そのタイプのシナプスは全体の約3分の2に過ぎないと、ウィンディング氏とズラティック氏は述べた。軸索は軸索と、樹状突起は樹状突起と、そして樹状突起は軸索と繋がっている。科学者たちは動物の神経系にこのような種類の接続が存在することを既に知っていたが、その範囲は彼らの予想をはるかに超えていた。「これらの接続の広さを考えると、脳の計算にとって重要なに違いない」とウィンディング氏は指摘する。ただ、それがどのように重要なのかは正確には分かっていないのだ。
神経科学者にとってこの進歩は刺激的なものですが（「今、科学研究に携われて本当に嬉しいです」とモスカ氏は語りました）、コネクトームが全てを解き明かすわけではありません。これは「ある動物のある瞬間を捉えたスナップショット」だとモスカ氏は説明します。これは、ハエの幼虫期から成虫期までの脳の発達、そしてより一般的な動物の脳構造の理解という、大きな研究の空白を埋めるものですが、その効果には限界があります。
ハエのニューロンとシナプスの鮮明な一枚の画像だけでは、それらが全て何をするのか、脳が時間とともにどのように変化するのか、個体間でどのように異なるのかは分かりません。例えば、オスとメスのハエの脳を比較するためのデータはまだありません。ハエが成熟するにつれて神経細胞がどのように変化するかを追跡することもできません。現在のコネクトームをすべて発達順に並べることは、「数ページ欠けているパラパラ漫画」を見るようなものだとモスカ氏は言います。
最初の完全なヒトゲノムマップとの比較は会話の中で何度も話題になったが、DNAは比較的静的なデータセットであり、生物の発生における最初の細胞で決定されると、ジョンズ・ホプキンス大学のネットワーク科学者で本研究の著者の一人であるジョシュ・ヴォーゲルスタイン氏はビデオ通話で述べた。対照的に、「コネクトームは刻々と変化します」と彼は述べた。さらに、ヴォーゲルスタイン氏と彼の同僚の分析で用いられた定義（つまり、マップの描き方）は主観的である。彼らはニューロンをノード、シナプスをエッジと定義したが、他の人はそれを逆にしたり、脳全体をノードと宣言したりするかもしれないと彼は説明した。「コネクトームとは何かという統一的な答えはなく、それが何であれ、それは変化していくのです。」
残された未知のすべてを解明するには、さらなる研究が鍵となります。ここ数年の画像技術の進歩により、この新しい研究が始まった10年以上前と比べて、脳容積データの収集ははるかに迅速化しました。さらに、ヴォーゲルスタイン氏と博士課程のベンジャミン・ペディゴ氏が開発したコンピュータープログラムにより、今後の分析ははるかに迅速に進むでしょう。ペディゴ氏とヴォーゲルスタイン氏はGizmodoに対し、データの修正には数ヶ月、処理には数時間程度で済むと語りました。これは、これまで何年もかかっていた作業です。
ズラティック氏は、このショウジョウバエの幼虫のコネクトームを出発点として、さらに多くのコネクトームを収集し、比較することで機能的な関連性（例えば、より速く動くショウジョウバエの脳はどのように異なるのか）を明らかにする予定です。ウィンディング氏は自身の研究グループを立ち上げ、ショウジョウバエの脳における社会行動に関連する回路の特定に着手する予定です。そこから、これらの回路を実験的に操作し、何が起こるかを調べたいと考えています。
大型生物の脳のマッピングに取り組んでいる研究者もいます。ジャネリア研究所では、成虫のショウジョウバエの完全なコネクトーム解析が順調に進んでいます。マウスのように大きく複雑な動物の脳に着手したいと考えている研究者もいますが、完成にはおそらく何年もかかるでしょう。
フォーゲルスタイン氏にとって、これは意識を真に理解（さらにはコード化）するための一歩となる。まだそこまでには至っていないが、この幼生のコネクトームは、複雑な動物の脳をコンピュータープログラムの形でリバースエンジニアリングする将来的な可能性を示している。「私の知る限り、世界中の誰もが、意識には脳が必要だと認め、あるいは同意しています」と彼は述べた。脳の地図だけでは、知覚の謎全体を解明するには「不十分」だ。誤解のないように言っておくと、「このコネクトームだけでは意識のある脳をシミュレートすることはできません」と彼は強調した。しかし、これは「中核的で不可欠な要素」なのだ。
モスカ氏はコネクトーム研究者ではないものの、今回の幼虫研究を自身の研究に活かす準備はできていると考えている。「これは、より高度な研究課題に取り組むための、非常に優れた材料を大量に提供してくれるでしょう」と彼は述べた。「神経科学と生物学の分野全体において、これが刺激を与え、情報を提供する研究の量はほぼ無限です」
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