2024年10月、科学者たちは歴史上初めて成体動物の完全な脳配線図を公開した。対象となったのはショウジョウバエ――わずか13万9255個のニューロンと5400万以上のシナプス結合を持つ生物である。この成果は単なる技術的偉業ではない。脳がいかにして行動を生み出すのか、構造がいかにして機能を創造するのかという根源的な問いに対する、初めて読み取り可能な答えとなった。数世紀にわたり謎に包まれてきた脳の物理的配線が、ついに目に見える形で明らかにされたのである。
果物に止まる小さな生命
今、あなたのすぐ近くの果物の上に、小さな生き物が止まっています。その生涯はわずか60日ほど。文字を読むことも、計画を立てることも、未来を心配することもできません。甘いものに引き寄せられ、苦いものから遠ざかります。教わったこともない歌で相手に求愛し、眠り、そしてわずかな間ですが危険がどこにあるかを覚えています。
長い間、私たちはこれらのことがどのように機能しているのか全く分かっていませんでした。本当の意味では分かっていなかったのです。重要なレベルでは理解できていませんでした。問いが哲学的なものではなくなり、実際に見ることができるものになるそのレベルでは、理解できていなかったのです。
脳――どんな脳であれ――は人類史のほとんどの期間、根本的に読み取り不可能なままでした。私たちは何世紀も前からニューロンが存在すること、それらが信号を伝達すること、想像を絶する複雑さのネットワークを形成することを知っていました。
活動領域を照らし出すスキャナーを作り、機能マップに導かれた手術を行い、ほとんど理解していない化学システムを微調整する薬を開発してきました。しかし配線図――実際の完全なニューロンごと、シナプスごとの、どんな脳が物理的にどう構築されているかの図式――それは一度も作られたことがありませんでした。意味のある複雑さを持つ動物については一度も。2024年まで。
史上初の完全なコネクトーム
2024年10月、世界的な研究コンソーシアムがNature誌に9本の論文を同時発表し、成体脳の初めての完全なコネクトームを公表しました。すべてのニューロン、すべての接続、予測されるすべてのシナプスタイプ、それが活性化するものか抑制するものかまで含めて。
対象となった生物はショウジョウバエ――13万9255個のニューロンと5000万以上のシナプス接続を持つ生き物でした。
そしてその地図の意味するところ、そして研究者たちがその内部で発見したことは、あなたの桃の上に止まっている昆虫をはるかに超えて広がっています。
これは、私たちがどのようにしてその地図に到達したかの物語です。それを構築するのに何が必要だったか、それが動物の行動の論理について既に何を明らかにしたか、そしてそれが砂粒のように小さな生き物の思考の本質について、そして私たち自身のような大きな心について、私たちに何を直視させるかの物語です。
脳をマッピングするということ
人間の脳をマッピングするには、私たちのほとんどが正式に教わったことのない種類の思考が必要です。生物学の理解だけでなく、1000億の接続を持つシステムを見て、その内部の論理を追い、実際に見ているものを理解する能力が必要なのです。それが、このビデオのスポンサーであるBrilliantを通じて私が構築してきた思考の種類です。
私が気に入っているのは、AIがどのように機能するかについてのコースが、ニューラルネットワークが情報をどのように処理し保存するかを正確に説明してくれることです。そしてそれは、ただ説明するのではなく、あなたを問題の内側に置くことで行われます。見ることによってではなく、解決することによって学ぶのです。その違いが、アイデアを実際に定着させるのです。
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脳研究の歴史的背景
さて、この地図を構築するのに何が必要だったかを理解するには、2024年よりもはるかに遡る必要があります。誰もニューロンが何であるかを知る前から、人々は脳が何かの座であることを理解していました。
古代エジプト人はそれを軽視していました。ファラオは臓器を慎重に保存してミイラ化されましたが、脳は鼻孔を通してすくい出され、捨てられました。重要なのは心臓でした。心臓こそが人が住む場所だったのです。
紀元前5世紀のヒポクラテスが、脳が感覚と知性の器官であると主張したのです。彼は何世紀もの間ほとんど無視されましたが、その考えは持続し、17世紀の顕微鏡の発明が生体組織の微細構造を明らかにし始めるまで、徐々に重みを増していきました。
それでもなお、ニューロンは謎のままでした。19世紀を通じて生物学を支配した細胞理論は、すべての組織は連続的であり、神経系は漁網のような単一の途切れないウェブであり、その中を信号が単純に流れると想定していました。
スペインの解剖学者サンティアゴ・ラモン・イ・カハールは、1890年代に作成された緻密な手描きのイラストを通じて、これに直接異議を唱えました。カハールは、神経系は個別の細胞、つまりニューロンで構成されており、それぞれが隣接する細胞から分離され、直接的な物理的融合ではなく小さな隙間を通じてコミュニケーションを取っていると主張しました。
彼は正しかったのです。そして彼が説明した隙間――後にチャールズ・シェリントンがシナプスと名付けたもの――は、生物学で最も重要な不動産であることが判明しました。
カハールは1906年にノーベル賞を受賞しました。しかし時計職人の忍耐力と芸術家の精密さで描かれた彼の素晴らしい地図でさえ、不完全でした。
それらは形状、タイプ、一般的な配置を示していました。しかし実際の配線は示していませんでしたし、示すこともできませんでした。どのニューロンが具体的にどれに接続しているか、どの強さで、どの方向にか。交通、交差点、道路が一方通行か双方向かの表示のない道路の地図のようなものでした。
20世紀の神経科学の進歩
神経科学の分野は20世紀を通じてツールを蓄積していきました。
電子顕微鏡、単一ニューロンの電気的活動を記録することを可能にしたパッチクランプ技術。脳全体の領域にわたる脳活動の代理として血流を測定する機能的磁気共鳴画像法。
これらのツールは膨大な量のことを明らかにしましたが、それらはすべて、根本的な問いをちょうど手の届かないところに保つ解像度レベルで動作していました。
構造はどのようにして機能を創造するのか。脳の物理的な配線はどのようにして行動を生み出すのか。
その問いには何か違うものが必要でした。完全な回路図が必要だったのです。
線虫の神経系マッピング
神経系を完全にマッピングされた最初の生物は、ハエでもマウスでもありませんでした。それは線虫でした。
カエノラブディティス・エレガンスは、土壌に生息する長さ約1ミリメートルの透明な回虫で、1960年代から生物学のモデル生物となっています。
その魅力はそのシンプルさにあります。1986年、シドニー・ブレナー、ジョン・ホワイト、そしてケンブリッジの分子生物学医学研究評議会研究所の同僚たちは、C. elegansの神経系の完全な配線図を発表しました。302個のニューロンが約5000のシナプスで接続されていました。
その作業には、電子顕微鏡画像の10年以上にわたる骨の折れる手作業による注釈付けが必要でした。
それは画期的な論文であり、ブレナーは後にC. elegansに関する研究でノーベル生理学・医学賞の一部を受賞しました。
これらの302個のニューロンは、その全体を研究することができます。研究者はすべての接続、すべての回路を見て、感覚入力から運動出力まで信号を追うことができます。そして彼らは1986年以来、何十年もそれを行ってきました。
C. elegansのコネクトームは、化学感覚、温度感覚、痛み反応、摂食回路、そして外見上はあまり学習をしないように見える動物における学習の神経基盤を理解するために使用されてきました。
しかし302個のニューロンは小さなキャンバスです。最も単純な線虫を支配する回路さえも追跡可能です。しかしそれらは、複雑さの桁が増えるにつれて回路がどのようにスケールするか、神経計算の論理がどのように変化するかについてはあまり教えてくれません。
そのためには、科学者たちはより大きな脳が必要でした。
ショウジョウバエへの飛躍
何十年もの間、302個のニューロンから脊椎動物の脳に似た何かへの飛躍は、年単位の時間スケールでは不可能なほど遠いように思えました。
シナプスをナノメートルの解像度で画像化するために必要な電子顕微鏡法は、極めて遅いものでした。脳組織を手作業で薄い切片にスライスし、各切片を画像化し、その後何千もの二次元画像から三次元構造を骨の折れる作業で再構築する。科学者のキャリア全体を占有し、小さな脳のほんのわずかな断片しか得られない種類の作業でした。
ショウジョウバエはその計算を変えました。
キイロショウジョウバエ、一般的なショウジョウバエは、1世紀以上にわたって研究室の定番でした。トーマス・ハント・モーガンは1900年代初頭にコロンビア大学でショウジョウバエを使用して、遺伝子が染色体上に存在することを実証しました。この研究により彼は1933年にノーベル賞を受賞しました。
21世紀初頭までに、ショウジョウバエは生物学全体で最も豊富な遺伝的ツールボックスの一つを蓄積していました。
研究者は特定の個々のニューロンを活性化したり、沈黙させたり、蛍光マーカーで標識したり、生きているハエで驚くべき精度でその活動を追跡したりすることができました。
ハエの脳の完全な配線図は、これらすべての遺伝的ツールに構造的コンテキストを与えるでしょう。回路と並行して読むための設計図です。
ハエの脳はケシの種ほどの大きさです。約13万9000個のニューロンが含まれており、人間の脳の100万分の1です。しかしこれらのニューロンは、その複雑さにおいて研究者を驚かせ続ける行動レパートリーをサポートしています。
ショウジョウバエはナビゲートします。害と関連付けられた臭いを避けることを学習します。翼を振動させて作り出される精巧な種特有の歌で、潜在的な相手に求愛します。
彼らは眠り、カフェインに敏感です。意味のある生理学的意味でアルコールに酔うことができ、それに対する行動的感作、つまり人間の耐性の基礎となる現象と同じものを示します。
プリンストン大学のコンピューターサイエンスと神経科学の教授であり、FlyWireコンソーシアムの共同リーダーであるセバスチャン・ズンが、神経科学2024、神経科学会の年次会議で指摘したように、ヒトの疾患関連遺伝子の75%がショウジョウバエゲノムに直接的な対応物を持っています。この生き物は見かけほど異質ではないのです。
FlyWireプロジェクトの始まり
FlyWireコネクトームの起源は、2013年に下された決定にさかのぼります。ハワード・ヒューズ医学研究所のジャネリア研究キャンパスのゲリー・ルービンと彼のチームは、成体の雌のショウジョウバエの脳を採取し、硬化化学溶液で保存しました。
その後数年間、彼らは専用の機器を使用して、固化したケシの種サイズの脳を正確に7050枚の超薄切片にスライスしました。各切片はミクロンの何分の一かの厚さで、電子顕微鏡を使用して各切片を画像化しました。
2018年までに、彼らはハエの脳の2100万枚の個別の顕微鏡画像を作成し、それぞれがナノメートルの解像度で細胞構造を明らかにしていました。彼らはデータセット全体を公開しました。
そのデータセットの規模は驚異的でした。個々の研究室も、少数の科学者チームも、2100万枚の画像を通じて手作業ですべてのニューロンを追跡することは現実的にできませんでした。
しかしデータセットは存在しました。原材料はそこにありました。当時プリンストン神経科学研究所の所長だったマラ・マーシーとセバスチャン・ズンは機会を見出しました。
ズンは何年もかけて、クラウドソーシングされたコネクトミクスのコンセプトを開発してきました。ゲームと市民科学を使用して、人間のパターン認識を大規模に展開するのです。彼の以前のプロジェクトであるEyeWireは、オンラインゲーマーをマウスの網膜を通じてニューロンを追跡する作業に参加させ、意欲的な非専門家が神経再構築の作業に有意義に貢献できることを実証していました。
ハエの脳データセットは、そのモデルを新たなレベルの野心に持っていく機会を提供しました。
AIとクラウドソーシングの融合
彼らが立ち上げたプロジェクト、FlyWireは、複数のアプローチを単一の統合された取り組みに組み合わせました。
人工知能アルゴリズムは、顕微鏡画像内のニューロンを自動的にセグメント化するように訓練されました。脳の完全な三次元ボリュームを通じて各個別の細胞を識別し、ラベル付けするのです。
AIが重労働を行いましたが、間違いを犯しました。そこでFlyWireは校正者を募集しました。世界中の研究室の神経科学者、有給の注釈者、そしてデータと関わるゲームのようなインターフェースを通じて、神経繊維を追跡する骨の折れる作業を三次元パズルを組み立てるようなものに変えた市民科学者たちです。
人間の貢献の規模自体が注目に値しました。神経科学2024でEyeWireのエグゼクティブディレクターでありFlyWireのクラウドソーシングマネージャーであるエイミー・スターリングが説明したように、エリート市民科学者グループは1万8000個のニューロンを校正し、ハエの脳の3万8000個以上のニューロンに細胞タイプのラベルを追加しました。
合計で、FlyWireへの研究者と貢献者は、AIの出力を校正し注釈を付けるために、合計33人年の努力を集団的に貢献しました。
AIが最初の作業を行わなければ、ズンはこのプロジェクトには約5万人年が必要だったと推定しました。現代神経科学の記録された歴史全体を単一のプロジェクトに凝縮した以上のものです。
完全なコネクトームの公開
その結果、2024年10月にNature誌の9本の論文にわたって発表されたのは、成体のハエの脳の完全な配線図でした。13万9255個すべてのニューロンが、5450万以上のシナプス接続で結ばれています。
このコネクトームは8453の異なる細胞タイプを特定し、そのうち4581はこれまで記述されたことがありませんでした。
それは78の解剖学的に異なる脳領域、ニューロピルと呼ばれる領域をカバーしており、それぞれが異なる感覚、運動、または認知機能に関連しています。
そしてそれは、すべての接続の機能的役割を予測した最初の全脳コネクトームでした。各シナプスが興奮性、つまり信号の伝達を促進するものか、抑制性、つまり抑制するものかを予測したのです。
マッピングされたものの物理的スケールを理解するために、端から端までほどくと、その単一のハエの脳の神経配線は490フィート以上に伸びます。それは4頭のシロナガスクジラを鼻から尾まで並べた長さよりも長いのです。
地図がもたらした発見
地図は、あなたが持ち込む質問と同じくらいしか役に立ちません。2024年10月の正式な出版前でさえ、FlyWireデータセットは公開されており、研究者たちはそれを使い始めていました。9本のNature論文が登場するまでに、このコネクトームはすでに50以上の発表された研究で引用されていました。
それらの研究が発見したこと、そしてFlyWireチーム自体が付随する分析で報告したことは、神経科学において真に新しい何かの始まりを構成していました。
地図が最初に明らかにしたのは、特定の回路についてではなく、ネットワークとしてのハエの脳の全体的なアーキテクチャについてでした。
Nature誌の付随論文の一つで報告されたコネクトームのトポロジカル構造の分析により、ハエの脳はネットワーク科学者がリッチクラブ組織と呼ぶものを示すことがわかりました。
ネットワーク理論では、リッチクラブとは、高度に接続されたノードのサブセットを指し、それら自体が偶然に予測されるよりも互いに密に相互接続されています。
ソーシャルネットワークでは、これはよく接続された個人が、たまたま互いをよく知っているという現象に似ています。道路ネットワークでは、他の主要ハブに直接リンクされている主要な高速道路ハブを説明し、効率的な長距離交通のバックボーンを作成します。
ハエの脳では、すべてのニューロンの約30%がこのリッチクラブ構造に属しています。
これらのニューロンはハブです。脳の多くの異なる部分から信号を受け取り、多くの他の部分に信号を送ります。研究者たちは、多様なソースから情報をプールするインテグレーターとして機能するように見えるサブセット、そして処理された信号を広く配信するブロードキャスターとして機能するサブセットを特定しました。
昆虫の脳にこのアーキテクチャが存在することは注目に値します。なぜなら、同じ組織原理が以前にMRIを使用して人間の脳ネットワークで特定されていたからです。
この研究は、2011年にユトレヒト大学医療センターのマルティン・ファンデンヒューベルとオラフ・スポーンズによってJournal of Neuroscienceに初めて発表されました。
ショウジョウバエと人間がこの深い組織的特徴を共有しているという事実は、それがスケールや複雑さの偶然ではないことを示唆しています。それはより根本的な何かかもしれません。進化が独立して収束した解決策。あなたがキッチンカウンターをナビゲートしているか、大陸をナビゲートしているかにかかわらず適用される、効率的な神経計算の原理なのです。
脳の地理的発見
グローバルなアーキテクチャを超えて、コネクトームは予期しない地理を明らかにしました。
食道下帯またはSEZと呼ばれる領域は、以前の部分的なハエの脳地図ではあまり表現されていませんでした。
完全なコネクトームは、SEZが脳全体で最も接続された領域の一つであることを示しました。外部世界から脳に送信される信号の大部分を受け取り、運動ニューロン、つまり動きを制御するニューロンに送られるほぼすべての出力信号を送信します。
言い換えれば、SEZは周辺の中継ステーションではありません。感覚体験の統合と行動の生成のための中心的なハブなのです。その役割は、完全な地図がそれを読み取り可能にするまで、本質的に見えませんでした。
コネクトームはまた、研究者たちがプロジェクトームと呼ぶものを計算することを可能にしました。個々のシナプス接続の地図ではなく、脳領域間の投射のより広いパターンの地図です。
どの領域がどこと話し、どれくらい強く話すか。プロジェクトームは、ハエの脳のほとんどの投射が片側の半球内に留まることを明らかにしましたが、特定のカテゴリーのニューロンは他のものよりもはるかに反対側の半球に投射する可能性が高く、半球間の統合が脳組織の一般的な特徴ではなく、特殊化された機能であることを示唆しています。
おそらく最も直接的に実用的な発見は、カリフォルニア大学バークレー校の研究者たちがコネクトーム上に直接構築した計算モデルから来ました。
FlyWireチームと共同作業して、彼らはコネクトームの配線図に基づいた神経発火の脳全体のモデルを構築し、摂食と毛づくろい行動の既知の回路に対してその予測をテストしました。
モデルは既知の回路を正確に再現しました。それは心強いことでした。それから彼らはそれをさらに押し進めました。異なる味覚についての情報が脳を通じてどのように流れるかを予測するようモデルに求めたのです。
予測は驚くべきものでした。それは、砂糖の味と水の味を処理する神経回路が実質的に重複していることを示唆しました。
これらは機能的に異なる刺激であるため、直感に反するように思われる予測でした。しかし研究者たちが生きているハエで実験的に予測をテストしたとき、彼らはそれを確認しました。
コネクトームの構造だけから構築されたモデルが、脳が感覚体験をどのように処理するかについて何か実際のことを予測したのです。
これが完全な回路図を可能にすることです。説明だけでなく予測。解剖学だけでなく機能です。
ゲノムとの並行性
科学者たちがFlyWireプロジェクトが始まって以来描いてきた並行性があり、それは立ち止まって考える価値があります。
キイロショウジョウバエの完全なゲノムは2000年に発表されました。それはバークレー・ショウジョウバエ・ゲノム・プロジェクトと協力機関による何年もの作業の成果であり、遺伝学におけるランドマークを表していました。
神経系を持つ多細胞生物の完全なDNA配列が端から端まで読み取られた初めてのことでした。
その後数年間で、そのゲノムは何千もの発見の基盤となりました。研究者たちはそれを使用して、概日リズム、発達、記憶、疾患感受性、老化に関与する遺伝子を特定しました。
ゲノムは部品リストでした。手に部品リストがあれば、科学は加速しました。
コネクトームは重要な意味で、脳のゲノムです。それはすべての基礎となる構造です。どの遺伝子が何をするかを知らなければ、生物がどのように発達し、環境に反応し、または病気で機能不全を起こすかを理解することはできません。
そして、ニューロンが物理的にどのように配線されているか、どれがどれに接続しているか、どのような構成で、どのタイプのシナプスで知らなければ、回路がどのように行動を生み出すか、学習がそれらをどのように変化させるか、またはそれらの破壊がどのように神経疾患を引き起こすかを理解することはできません。
エモリー大学のショウジョウバエ神経科学者であり、FlyWireプロジェクトには参加していませんでしたが、そのデータを広範囲に使用してきたアニタ・デビニニは、2024年10月にニューヨークタイムズに率直に語りました。
彼女の研究室は、彼らが行うすべてのことにコネクトームを使用していました。
何十年もの間、研究者たちはショウジョウバエの味覚回路を研究してきましたが、脳内のどのニューロンが味覚信号の処理に具体的に責任があるかを知りませんでした。コネクトームは本質的に即座にそれらを明らかにしました。未知だったものが突然見えるようになりました。
回路は地図の中にあり、読み取られるのを待っていたのです。
アリゾナ大学の神経科学准教授であるマーサ・バタチャリアは、情報の流れという観点からシフトを説明しました。コネクトームによって、研究者たちはついに信号が感覚入力から脳の処理段階を経て運動出力までどのように移動するかを、これまで不可能だった方法で追跡できるようになったのです。
この種の追跡は神経科学の基本的な行為です。コネクトームは、複雑な生物で初めて全脳スケールでそれを扱いやすくしました。
技術の進歩と将来展望
ゲノムとの比較は単なる比喩ではありません。それには特定の技術的含意があります。
C. elegansのゲノムは1998年に配列決定されました。ショウジョウバエのゲノムは2000年に続きました。人間のゲノム、全体が2003年、3年後に完全であると宣言されました。
線虫からハエへ、そして人間への進行には5年かかりました。
誰もコネクトミクスの進行がそれほど速いとは期待していません。人間の脳はニューロン数の点でハエの脳よりも約60万倍複雑です。約860億個のニューロンと100兆以上のシナプス接続があります。
しかし技術はかつてないほど速く動いています。そしてFlyWireプロジェクトは道筋を実証しました。
マックスプランク脳研究所のコネクトミクス研究者であるモリッツ・ヘルムステッターが2024年10月にScience誌に語ったように、今後10年以内に、コネクトームマッピングにおいて途方もない進歩が見られ、おそらく最初の完全な哺乳類脳コネクトームが得られるはずです。
約10万個のニューロンを含む脳を持つゼブラフィッシュは、すでにターゲットになっています。約7000万個のニューロンを持つマウスの脳は、次の大きな挑戦です。
そして2025年4月、プリンストンのセバスチャン・ズンとアレン脳科学研究所を含む国際チームが、彼らがMicronsプロジェクトと呼ぶものを発表しました。
マウスの視覚皮質1立方ミリメートルをカバーする、これまでに作成された哺乳類脳の最大かつ最も詳細なコネクトーム。
その単一の立方ミリメートルには、5億以上のシナプス接続が含まれていました。
マウス脳の1立方ミリメートル。マウス脳全体は約500立方ミリメートルです。人間の脳は100万以上です。
この挑戦の数学は、年単位の時間スケールでは希望に満ちていませんが、軌跡は本物です。
構造と行動の関係
動物行動の研究における最も古い質問の一つは、行動が学習されるのか生得的なのか、経験によって形作られるのか、誕生時に生物の構造に書き込まれるのかということです。
これは何十年もの研究が明らかにしてきたように、誤った二分法です。しかしコネクトームは、標準的な遺伝的または環境的枠組みを超えた、構造と行動の関係を問う新しい方法を提供します。
ハエの脳コネクトームは、初めて、回路の物理的配線とその回路が生み出す行動との関係が何であるかを問うことを可能にします。一個体ではなく、複数の個体にわたって。
FlyWire論文パッケージの分析の一つ、MRC分子生物学研究所とケンブリッジ大学のグレゴリー・ジェフリスが率いた分析は、複数のハエからのコネクトームを比較して、配線がどれだけ一貫しているか、どれだけ定型的かを定量化しました。
個体から個体へ。
答えは驚くほど一貫していました。主要な回路、細胞タイプ、接続の大規模な組織、これらは個々の動物間で高度に再現可能です。
ハエの脳はランダムに配線されていません。それは計画に従って構築されており、その計画はゲノムに符号化され、発達中に発現され、驚くべき忠実度で再現されます。
これには深遠な含意があります。行動が神経回路の出力であり、それらの回路がハエごとに本質的に同じである場合、少なくともハエにおける行動――求愛の歌、摂食、飛行、捕食者からの逃避のようなコア種特有の行動――は個体差の問題ではありません。
それは回路アーキテクチャ自体の特性です。ハエは求愛を選択しません。配線がそうさせるのです。
しかしコネクトームはまた、変動がどこで入るかを明らかにします。接続の微細スケール構造、特定のニューロン間のシナプスの正確な数、個々の接続の正確な強さ。これらは個体間でより多くの変動性を示します。
そしてここが経験が介入できる場所です。学習はシナプス強度を変えます。記憶は既存の接続の修正に符号化され、通常は新しいものの作成には符号化されません。
コネクトーム、これは特定の時点での単一の雌のハエから作られたものですが、特定の状態にある特定の脳のスナップショットです。それは普遍的なものではありません。それは参照です。
学習と記憶の回路
ハエの脳のキノコ体は、学習と記憶に最も関連する領域です。それは、嗅覚ニューロンによって処理された臭いが、肯定的または否定的な結果と関連付けられ、将来の行動のために記憶される構造です。
FlyWireコネクトームは、キノコ体について予期しないことを明らかにします。それはまた、以前には特徴づけられていなかった経路を通じて視覚入力を受け取ります。
これらの視覚入力が、主に嗅覚記憶で知られる脳領域で何をしているのかは、現在活発な質問です。
地図は接続を明らかにしました。機能はまだ確立されていません。
これは、完全なコネクトームがターゲット実験と異なる方法の一つです。実験は質問をして答えを得ます。コネクトームは特定の質問をしません。それは単にそこにあるものを明らかにします。すべてを。そして解釈を後から来る科学者たちに任せます。
それは質問を生み出し続けるリソースです。
意識の難問
この下にはより難しい質問があり、それを直接扱わないのは知的に不誠実でしょう。
コネクトームは、ニューロンがどのように配線されているかを教えてくれます。どの細胞がどの細胞と話し、どのタイプの信号で話すかを教えてくれます。活動データと組み合わせると、情報が回路を通じてどのように流れ、その流れがどのような行動出力を生み出すかを教えてくれます。
それはあらゆる測定可能な意味で、これまでに達成された脳の最も完全な構造的記述です。
しかしそれは、ハエであることがどのようなものかを教えてくれません。
これは些細な区別ではありません。1995年に哲学者デイヴィッド・チャーマーズによって導入された、いわゆる意識の難問は、なぜ物理的プロセスが主観的経験を生み出すのかという質問を指します。なぜ赤を見ること、痛みを感じること、食事を予期することがあるのでしょうか。
私たちは原則として、すべての脳のすべてのニューロンを記述し、すべてのシナプスをマッピングし、すべての信号をモデル化できます。
それでも、その物理的記述が問題となっている生物の内側から見た経験、存在の感じられる質を捉えているかという質問は、真に未解決のままです。
ショウジョウバエが主観的経験を持っているかどうかは、FlyWireコネクトームが答えることができない質問です。
意識、または少なくとも何らかの原始的な形の感覚、世界の何らかの最小限の経験が昆虫に存在するかもしれないと主張する研究者がいます。
証拠は間接的です。ハエは気分に似た行動状態を示し、好みを示し、単純な反射を超えた痛み回避に似たものの兆候を示します。
しかし経験への行動的類似性は経験ではありません。そして私たちが意識を測定するために持っている科学的ツール、主に人間における行動報告と神経画像化に基づいているものは、ケシの種サイズの脳を持つ生物に直接的に転移しません。
コネクトームが提供するのは、この問題への新しい種類の足がかりです。意識またはあらゆる形の経験が脳に構造的相関を持つ場合、完全な配線図は私たちが最終的にそれを見るかもしれない場所です。
ハエの脳のリッチクラブ組織、それらの密に相互接続されたハブニューロンは、その組織論理において、人間における高レベルの認知機能と関連する神経構造に似ており、いくつかの理論では意識的経験と関連しています。
人間の脳では、ファンデンヒューベルとスポーンズによる研究が、リッチクラブ領域を具体的に、特殊化された周辺処理ではなく、複雑な行動的および認知的タスクに従事する領域にリンクしています。
同じ組織原理がハエの脳に現れる場合、そこで類似したことが起こるのでしょうか。私たちは本当に知りません。
コネクトームが変えるのは、これらの質問をする文脈です。
神経科学史のほとんどの間、脳は断片的に研究されてきました。視覚のためのこの領域、記憶のためのその経路、恐怖のためのこれらのニューロン。暗黙の仮定は、部分を理解することが最終的に全体の理解をもたらすというものでした。
コネクトームはこれを反転させます。それは全体から始まります。
すべての部分を同時に提供し、それらがどのように関係しているかを理解するよう求めます。それは脳にアプローチする根本的に異なる方法です。
そしてそれが最終的に経験の性質を照らすかどうかにかかわらず、それは問題をより具体的にします。脳はもはや完全にブラックボックスではありません。構造は見えています。
その構造が何をするのか、それが誰の脳であるかという生物の内側からどのように感じられるのかという質問は残ります。
神経科学の実践を変える
FlyWireコネクトームはすでに神経科学の実践方法を再形成しています。
2024年10月の正式なNature出版前に、50以上の発表された研究がFlyWireデータを使用していました。出版から数ヶ月以内に、その数は大幅に増加しました。
世界中の研究者が、FlyWireチームがオープンアクセスのウェブプラットフォームとして構築したコネクトームデータエクスプローラーであるCodexを通じてデータセットを使用して、細胞タイプを特定し、回路を追跡し、実験を計画し、以前は扱えなかった仮説をテストしていました。
アニタ・デビニニの、彼女の研究室が行うすべてのことにコネクトームを使用しているという説明は、この種のリソースが分野をどのように変えるかについて何か本物のことを捉えています。
プラットフォームは教育にも使用されています。FlyWireチームは、高校生と大学生に適したツールのバージョン、FlyWire Academyを開発し、次世代の神経科学者がトレーニングの一部として実際のコネクトームデータを直接扱えるようにしました。
これが重要なのは、コネクトミクスの未来は一つのプロジェクトではないからです。それは、多くの生物について、複数の発達段階で、健康と病気の複数の条件で、コネクトームを生成する分野です。
この種のデータに流暢な科学者、以前の世代がゲノムをナビゲートすることを学んだように、コネクトームをナビゲートし解釈する方法を知っている科学者を訓練することは、その未来の前提条件です。
技術パイプラインの前進
技術パイプラインも前進しています。FlyWireコネクトームを生み出したのと同じ、電子顕微鏡法、AI駆動の再構築、およびコミュニティ校正の組み合わせが、今ではゼブラフィッシュ脳に適用されています。
ゼブラフィッシュの幼虫は、ハエと規模が同等の約10万個のニューロンの脳を持ち、その脳が動物が生きて行動している間に、ほぼ細胞解像度で光学顕微鏡を使用して画像化できるという重要な利点があります。
ゼブラフィッシュの完全なコネクトームは、ハエだけからは不可能な比較を可能にするでしょう。
脊椎動物の脳組織は無脊椎動物とどのように異なるのか。昆虫と魚の間の進化的分断を越えて何が保存されているのか。
9年間の作業の後、2025年4月に発表されたMicronsプロジェクトは、もう一つのフロンティア、哺乳類の脳を表しています。
コンソーシアムがマッピングしたマウスの視覚皮質の1立方ミリメートルは、5億以上のシナプス接続を伴い、以前のコネクトームが含んでいなかった追加のデータ層を備えていました。
研究者たちは、後で構造をマッピングしたのと同じニューロンの多くの電気的活動を記録していました。
これは、配線を機能と相関させることができることを意味しました。どのニューロンがどれに接続しているかだけでなく、どれが一緒に活動していたか。どれが同じ視覚刺激に反応したか、どれが類似した情報を符号化したか。
コネクトームプラス活動データは、コネクトーム単独とは質的に異なるものです。それは道路地図だけでなく、交通を理解することの始まりです。
人間の脳への挑戦
人間の脳については、挑戦は依然として手ごわいものです。
860億個のニューロンと100兆以上のシナプスで、完全なシナプス解像度の人間のコネクトームは、ペタバイト、おそらくエクサバイトの画像データ、現在利用可能なものよりもはるかに高度な再構築アルゴリズム、そしてこれまでのすべてのコネクトームプロジェクトを合わせたものを矮小化する校正努力を必要とするでしょう。
タイムラインは5年ではありません。10年でもありません。
しかしNIH脳イニシアチブのディレクターであるジョン・ナウイが、FlyWireコネクトームが発表されたときに明確に枠組みを設定したように。
ニューロンが互いにどのように接続しているかの詳細な理解なしには、健康な脳で何が正しく機能するか、または病気で何が間違っているかの基本的な理解はありません。
人間のコネクトームは好奇心ではありません。それは最終的には医学的必要性です。
その間、ハエの脳が提供するのは、並外れた豊かさを持つモデルシステムです。
人間の神経疾患に関与する遺伝子の4分の3がショウジョウバエに対応物を持つという事実は、ハエの脳で発見された回路が人間における類似回路の探索を導くことができることを意味します。
ハエの食欲の回路は、空腹を基礎とする人間の神経系と同じではありませんが、それらは相同です。それらは進化的ルーツを共有しています。一方を理解することは、もう一方の探索を深めます。
心の地図を作るということ
立ち止まる価値のあることがあり、それは技術的達成の中で失われがちです。
私たちは心の地図を作りました。人間の心ではありません。まだです。哺乳類の心でさえありません。
砂粒の大きさの心。60日間生きて腐った果物を食べる生物に収容された心。しかし、それでも心です。
世界を取り入れ、処理し、何世紀もの観察が部分的にしか照らしていなかった特異性と洗練さで行動を生み出すシステム。
そして私たちは初めて、そのシステムが物理的にどのように組み立てられているかの完全な説明を構築しました。
哲学者トーマス・ネーゲルは1974年に、コウモリであることがどのようなものかを尋ねました。コウモリのエコーロケーション、その神経処理、その行動反応についての客観的知識の量が、コウモリが内側から経験することを教えてくれるかどうか。
その質問は未解決のままです。しかしコネクトームは、関連する質問に対する新しい種類の答えです。
そもそも経験を生み出す構造は何か。物理的基質は何か。
私たちはまだ配線図から意識を読み取ることはできません。非常に長い間できないかもしれません。しかし私たちは図を持っています。
回路がどのように自分自身にループバックするか、感覚からの情報がどのように統合ハブに収束するか、それらのハブが最終的に筋肉を動かし行動を生み出す信号をどのように分配するかを見ることができます。
機械は見えています。そして機械はその方法で美しいのです。
78の解剖学的に異なる領域、8453の細胞タイプ、5400万の接続を中心に組織された脳が、ナビゲートし、学習し、歌い、記憶し、眠る生き物を生み出すという事実。
そのすべてが、ピンの頭に収まるほど小さいネットワークから出現するという事実は、あなたがそれを理解した後に少ない驚きを要求する事実ではありません。それはより多くを要求します。
なぜなら、ケシの種の脳がこれらすべてを行うことができるなら、860億個のニューロンが何をしているのか、これらの言葉が意味を形成する今、あなたの中で何を生成しているのかという質問は、かなり興味深いものになるからです。
私たちはそれぞれ、まだ読んでいないコネクトームです。遺伝学と経験によって形作られた並外れた複雑さの配線図は、私たちが理解していないプロセスを実行し、前世紀のすべての神経科学にもかかわらず、ほとんど謎のままである生きているという継続的な経験を生み出しています。
ハエの脳は目的地ではありませんでした。それは、私たちが質問できるようになって以来ずっと学ぼうとしてきた言語における、最初の読み取り可能な文だったのです。
終わりに
私たちは果物の上の生き物から始めました。生きるのは60日。2つの印刷された文字の間の余白に収まる脳。そして人類史のほとんどの間、その脳は私たち自身の脳と同じくらい不透明でした。
2024年、50の研究室にわたる数百人の研究者、さらにボランティア、ゲーマー、有給の注釈者、そして何年も蓄積されたデータで訓練されたアルゴリズムからなるグローバルなコンソーシアムが、その脳の最初の完全な配線図を生み出しました。
13万9255個のニューロン、5000万の接続、78の領域、8000の細胞タイプ。
世界中のどこからでも、無料でウェブブラウザを通じて探索できる地図。
それに続いたのは即座のものでした。味覚、学習、飛行、求愛、停止のための回路。すべてが突然見えるようになり、突然解釈可能になりました。
構造だけから構築された計算モデルは、実験が実行される前に、脳が異なる風味をどのように処理するかを正しく予測しました。
全脳のアーキテクチャは、同じ深い組織論理を明らかにしました。研究者たちがはるかに粗い解像度でマッピングされた人間の脳で発見したリッチクラブ構造です。
地図が答えることができない質問は、最も深いものとして残っています。
これらの回路のいずれかが経験を生み出すかどうか。キッチンをナビゲートするハエ、相手に歌う、影から逃げる、そのハエであることがどのようなものかがあるかどうか。
私たちは知りません。長い間知らないかもしれません。しかし私たちは今、構造を持っています。図を持っています。そして図は、すべての将来の答えが構築される基盤です。
脳、この脳、あなたの脳、自分が作らなかった世界をナビゲートしてきたすべての動物の脳は、魔法ではありません。
それは機械です。並外れて複雑で、何億年もの進化によって形作られ、それを生み出す物質を超越するように見える経験を生み出すことができます。しかしそれでも機械です。マッピングできる機械です。
私たちがゆっくりと、そして大きな困難を伴って理解し始めている機械です。
それが私たちがいる場所です。砂粒が地図になりました。そして地図はすでに、私たちが知っていることを変えています。
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