快速便は一種のトンネルを通過します。私は常に障害物を避けて宇宙船を操縦し、エネルギーの蓄えを補充するために金色の物体を集めなければなりません。突然目の前に輪郭が現れる。これらは異なる神経組織に違いありません。次の接合部でたどらなければならない神経線維は黄色です。私は彼女を注意深く見守っています。
ミュンヘンのマックス・プランク神経生物学研究所で、私はマウスの脳の中を飛び回りますが、もちろんそれは仮想上だけです。壁には脳の回路の写真が飾られています。それがコンピューター ゲームの目的であり、ただ楽しいだけではないからです。それは科学も進歩させるはずです。最終的には、神経線維の適切な続きを見つけて、組織のあるセクションから次のセクションに移動することが重要です。
このゲームは、神経生物学者のモーリッツ・ヘルムシュテッター氏が同僚やゲームデザイナーとともに開発しました。 「Brain-flight」は春にオンライン化される予定で、多くのインターネットユーザーがゲームをプレイするよう奨励します。研究者はあなたの助けを大いに活用できるでしょう。なぜなら、彼らには大きな計画があるからです。「マウスの大脳皮質の一部をマッピングしたいのです」とヘルムシュテッター氏は言います。プレーヤーの決定は、神経線維の経路を正確に追跡するのに役立ちます。
800億個の神経細胞
世界中の科学者が現在、人間の脳の地図の作成に取り組んでいます。すでに解読されたゲノムに基づくこの回路図はコネクトームと呼ばれます。私たちの脳には約 800 億個の神経細胞があり、それぞれが他のニューロンと約 1,000 個の接続を持っています。これらの鉄道をつなぎ合わせると、長さは数百万キロメートルになります。
科学者たちはすでに人間の脳の大まかな地図を作成しています。これらは、異なる脳領域を接続する長い繊維を示しています。マサチューセッツ総合病院の神経科学者ヴァン・ウィディーン氏は、驚くべき洞察を提供した。彼の脳画像では、人間の前脳の神経経路は、織られた布地のように、ほぼ直角に交差する平行線に沿って走っていた。しかし、いくつかの詳細では依然として問題が発生します。ニューロンの多くの伸張とシナプスを描写するには、マウスなどのモデル生物を使用する必要があります。
「マウスの大脳皮質全体を画像化することはまだできず、ましてや脳全体を画像化することもできません」とヘルムシュテッター氏は言う。 「しかし、体性感覚皮質の小さな領域を再現することはできます。」マウスにとって、これは大脳皮質の重要な部分であり、ひげからの情報を処理します。これは、暗闇の中でも周囲の状況を把握できることを意味します。
繊細な細工が必要です
研究者にとって、マウスの脳の回路をマッピングすることは、より高度に発達した哺乳類への第一歩となります。いつか、彼らの分析ツールが人間の大脳皮質でも使用できるようになることが期待されています。
モーリッツ・ヘルムシュテッターと一緒に研究所の地下に降りたとき、問題の神経組織の一部が実際にはどれほど小さいかに気づきました。それを認識するのに二度見なければなりません。エッジの長さが 0.5 ミリメートルで、組織片は砂粒とほぼ同じくらい小さいです。数千の神経細胞が含まれており、約 2,000 万個の接続があるとは信じられません。
「砂粒」から細部を抽出するには、本物のフィリグリー作業が必要です。研究者らは研究所の地下にある特別な電子顕微鏡を使用しています。顕微鏡は組織ブロックの写真を撮ります。次に、顕微鏡の真空チャンバー内にある、いわゆるウルトラミクロトームが使用されます。この切断装置は、ダイヤモンド ナイフを使用して組織ブロックから非常に薄い断片を切断します。単一ディスクの厚さはわずか 25 ナノメートルで、人間の髪の毛の 100 分の 1 以下です。
組織ブロックは徐々に分解されます。ヘルムシュテッターは、そのようなマッピングがいかに難しいかを自身の経験から知っています。彼はマックス・プランク神経生物学研究所所長のウィンフリード・デンク氏と協力して、マウスの網膜の小さな断片を再構築した。 「私たちは電子顕微鏡を使用して 8 週間以上データを収集しました」と Helmstaedter 氏は報告します。録音中、彼と彼のチームは停電などの問題に繰り返し対処しなければなりませんでした。建設作業員が誤ってケーブルを切断し、マッピングが一時的に停止してしまいました。
最終的に、科学者たちの目の前には、約 4 分の 1 テラバイトの巨大なデータセットが存在しました。 「当初は灰色の 2 次元画像のみで構成されていました」と神経生物学者は言います。 「その後、画像を 3 次元データセットにまとめ、電子顕微鏡用の Google マップのようなものを使用して視覚化しました。」
「最終的には、個々のセルの分岐を追跡する必要がありました。」数十万のシナプスを持つ約 1,000 個の神経細胞を使用すると、これは簡単な偉業ではありません。網膜のニューロンは非常に高密度であり、最も薄い神経突起の厚さは 50 ナノメートル未満です。それらは長距離にわたって広がることがよくあります。このもつれを乗り越える方法を見つけるのは簡単ではありません。
スパゲッティの山のように
「全体としては、スライスされたスパゲッティの山を少し思い出させます」とモーリッツ・ヘルムシュテッターは言います。各神経ケーブルは独自の経路をたどります。また、ケーブルが互いに隣接している場合、どのファイバーがどのセルに属するかを判断するのは困難です。
コンピューターアルゴリズムはここで限界に達します。一方、人間は、たとえば神経ケーブルの経路が左につながっているか右につながっているかなど、どちらの継続が可能であるかを認識するのが非常に得意です。そこで研究者らは約300人の学生の協力を求めた。 「簡単な決断ではなかった。当時、この道を選んだのは私たちだけでした」とモーリッツ・ヘルムシュテッターは言います。
再建には合計4年かかりました。 「すべての努力へのご褒美として、最後に網膜片の完全な地図を手に持てたときは最高の気分でした」と神経生物学者は満面の笑みで語る。科学者たちはマウスの網膜で新しいタイプの神経細胞を特定することができたので、この大変な研究には価値がありました。 「この種の神経細胞が組み込まれた回路も発見しました。」
科学者たちは、それが明るさセンサーではないかと疑っています。その機能は、外界のさまざまな照明条件を無視してバランスをとることである可能性があります。これは、明るい日光の下であろうと薄暗い抜け穴であろうと、マウスが環境内の重要な詳細を見つけるのに役立つ可能性があります。
「マウスの網膜の 0.1% しか分析していないにもかかわらず、この結果は私たちが正しい軌道に乗っていることを示しています」とヘルムシュテッター氏は言います。彼の新しいプロジェクトは 100 倍複雑です。300 人の学生の代わりに、約 30,000 人の学生がマウスの大脳皮質の小片の神経組織を解明することに取り組まなければなりません。 「したがって、私たちは国民の助けに依存しています。しかし、ボランティアに何千もの断面にわたる神経ケーブルを無料で追跡するように依頼することはできません。そこで私たちは、消化しやすいものを少し作り、それをエキサイティングなフライト シミュレーター ゲームに組み込みました。」
脳のマッピングには大きな期待が寄せられています。回路図は神経細胞の働きに関する情報を提供するはずです。 「ニューロンの機能は主に、他のニューロンとの接続によって定義されます」とセバスチャン・スン氏は言います。マサチューセッツ工科大学の神経科学者は、著書「The Connectome」の中でさらに詳しく述べています。健康な脳がどのようにつながっているかを理解できれば、統合失調症や自閉症などの精神疾患を解明できるかもしれない、と彼は述べています。スン氏は、人間のこうした病気は主に神経接続の障害によるものではないかと疑っている。しかし、批評家たちは、その努力に価値があるかどうか疑問視している。 「コネクトームが脳の神経計算について実際に何かを教えてくれるとは思えません」とアンソニー・モフションは言う。
ニューヨーク大学の神経科学者は、線虫 C. エレガンスについて考えています。その神経系はわずか 302 個のニューロンで構成されており、現在完全なコネクトームが存在する唯一のニューロンです。 「これによって線虫の行動に対する理解が大幅に深まったわけではありません」とモフション氏は言う。
回路図から実際に何がわかるでしょうか?
彼はニューラル ネットワークをコンピューターに例えています。 「コンピューターのアーキテクチャを細部に至るまで調べることができます。それは彼が原理的にどのような種類の計算を実行できるかを教えてくれますが、彼が実際に何を行うかはわかりません。」コネクトームはまた、基本的に神経細胞内で何が起こり得るかを明らかにするだけです。 「しかし、その機能を本当に理解するには、活動を測定する必要があります。」
ETH とチューリッヒ大学の神経情報学者 Kevan Martin 氏の懸念も同様の方向性です。無線機とその回路を理解するには、回路図を知るだけでは十分ではないと彼は強調します。 「無線回路がなぜそうなっているのかを理解するには、さらに多くの理論、たとえば電磁放射についての知識を知る必要があります。」
モーリッツ・ヘルムシュテッター氏はこれに反論する。マウスの網膜のマッピングによって、神経細胞の接続がわかれば、神経細胞の機能についてどれだけ学べることがわかった。 「神経細胞自体も複雑な特性を持っています」と神経生物学者は言います。 「しかし、脳がその多様な機能を果たすことを可能にしているのは、神経細胞間の配線構造です。人間の大脳皮質における神経の配線構造は、おそらく脳上で動作する「コンピュータープログラム」を反映していると考えられます。 「まるでハードウェアとソフトウェアを同時に測定できるようです。」
「Brainflight」がオンラインになるとすぐに、インターネット コミュニティは科学のために遊覧飛行に出発し、脳の測定を支援することができます。私のコンピューターによる脳へのトリップも、これに少し貢献したことを願っています。少なくとも私は、神経線維の適切な続きを見つけるために真剣な努力をしました。 •
クリスチャン・ウルフは、知覚に関する博士号を取得しているときに、脳研究への情熱を発見しました。知覚に関する博士号取得中の脳の研究。
クリスチャン・ウルフ著
