神経科学者は長い間、心の無形の性質を理解することを熱望してきました。 考える能力、詩を書く能力、恋に落ちる能力、さらにはより高い精神的な領域を想像する能力など、私たちの最も大切な脳の資質はすべて脳で生成されます。 しかし、フワフワしたピンクがかった灰色のしわの寄った肉体の塊が、これらの計り知れない経験をどのように生み出すのかは謎のままです。
一部の神経科学者は、謎を解く秘訣は脳の回路のより良い地図であると考えています。 ほぼ40年前、科学者は回虫の302ニューロンのすべての接続をトレースした配線図を完成させることでマイルストーンを達成しました Caenorhabditis elegans。 それらは、電子顕微鏡画像の印刷されたシート上で手作業で追跡されました。これは、完了するのに何年もかかった細心の注意を払った作業です。 このプロジェクトは、動物の神経系における神経接続の包括的なマップである、史上初の完全なコネクトームをマークしました。
今日、コンピューティングおよび画像分析アルゴリズムの進歩のおかげで、回虫のコネクトームをマッピングするのに1か月もかからない場合があります。 これらの技術的進歩は、科学者がより大きな動物に目を向けることができることを意味します。 彼らはミバエの幼虫のコネクトームに近づいています。 9,000セル、そして大人のハエ、 100,000ニューロン。
次に、彼らは発達中の魚の脳と、おそらく次の10年以内に、マウスを大まかにマッピングすることを望んでいます。 7000万ニューロン—これまでに行われたプロジェクトの約1000倍の野心的なプロジェクト。 そして、彼らはすでに人間の脳の小さな断片をマッピングし始めています。これは、ワームのコネクトームが最初にマッピングされたときの計り知れない探求です。
一部の神経科学者は、地図だけでは脳の機能について多くを語ることはできないと主張していますが、最近のいくつかの研究では、少なくとも小動物についてはそうではないと示唆されています。 たとえば、2021年10月に発表された研究では、研究者はミバエが飛行中に移動するのを助けるミバエの脳の領域を調べました。 に コネクトームのマッピング この地域の科学者たちは、新しいタイプのニューロンを特定し、それらの接続によってハエが必要な計算を実行できるようにする方法を示しました。 2021年9月に公開された別の研究では、回虫のコネクトームデータと神経活動を視覚化する手法を組み合わせて 特定のニューロンがどのように寄与するかを示す ワームの交配行動の特定の側面に。
ハーバード大学の神経科学者 ジェフ・リヒトマン コネクトーム研究の最前線にいます。 彼の研究室は、ワーム、ハエ、魚、マウス、人間など、さまざまな動物の神経回路のマッピングに取り組んでおり、この分野の他の研究者が現在使用しているいくつかの方法を開発しました。 彼はの共同開発者でした Brainbowたとえば、何百もの異なる色相の個々のニューロンにラベルを付けて、脳の壮大な画像を生成できる遺伝子技術。 最近では、彼は高解像度の電子顕微鏡で脳の小さなスライスを分析するためのツールを開発しました。 2021年、リヒトマンは、グーグルとハーバードの彼と同僚が、まだ査読されていない、 完全な配線図 人間の脳のピンヘッドサイズの部分の。
共著したリヒトマン 課題の概要 の膨大な量のコネクトミクスデータから有用な情報を抽出する 神経科学の年次レビュー、と話しました 知っている フィールドがどのように脳機能のより深い理解につながるかについて。 この会話は、わかりやすくするために要約および編集されています。
なぜ脳を理解するために神経地図が必要なのですか？
なぜそれらが必要なのかについては、さまざまな答えがあります。 他のすべての器官とは異なる脳についてのことは、その機能が長距離で互いに通信する細胞によって媒介されるということです。 ニューロンにはこのユニークな特性があります：彼らは彼ら自身の一部、彼らの軸索を非常に長い距離で送ることができます。 哺乳類では、これらの距離は1センチメートル以上になる可能性があります。 キリンの場合、ニューロンのいくつかはおそらく数メートルの長さです。 軸索をどこに送っているのか、誰と話しているのかを追跡できないと、その細胞の機能を理解することはできません。 したがって、これらの接続のマッピングが基本です。 これは、体内の他の臓器系の研究には関係のない要件です。
コネクトミクスは従来の神経科学とどう違うのですか？
コネクトミクスは、新しい仮説を立てるために知っておく必要のある脳に関することを明らかにするのに最適なマッピングツールです。 多くの場合、科学で針を動かすのは、誰かが素晴らしい仮説を考え出し、それをテストしたという事実ではありません。 むしろ、データは当時の架空の風景に合わない何かを明らかにし、人々に新しい方法で考えることを余儀なくさせました。 データは、あなたの想像力が考えられるほど大きくなかったものをあなたに提供します。
脳についての新しい仮説が必要だと思いますか？
私は、脳に関する私たちの考えのほとんどが間違っていると思います。 私たちにはデータがないので、それらは間違っています。マッピングのような技術は、脳が実際に何であるかをより正確に理解するためのデータを提供します。 ほとんどの人間の思考は、説明しようとしている生物学的プロセスよりも素朴です。 神経科学の真実は、人間の脳から出てくる思考は、それを生成する機械ほど複雑ではないということだと思います。
それが本当なら、私たちの思考はどのようにして脳の複雑な機能を理解することができるでしょうか？
かなり皮肉なことですね。 この非常に複雑なマシンが、それほど複雑ではない思考を生み出すこと。 しかし、人間は光の振る舞いのような他の複雑な現象を説明するのに本当に驚くべき仕事をしました。 実際、これは人間がこれまでに思いついた中で最も成功した理論の1つですが、現実に強制されない限り、思考する人はこれを思い付くことはありません。 光子が微小粒子または広がり波のいずれかとして機能できるという考えは、まさにクレイジーです。 しかし、人間の脳を理解することははるかに複雑です。
私たちが考えているとき、私たちの脳は数千または数百万ものことを同時に行っています。 これは脳にとっては問題ありません。 しかし、通常は一度に1つのことにしか注意を払わない私たちの意識的な思考プロセスにとって、それは問題です。
コネクトミクスを研究している神経科学者は、異星人のように感じる地形に入っているので、探検家のように感じていると思います。 私たちができる最善のことは、これまでに見られなかった動植物種を最初にカタログ化した初期の自然主義者のようです。 近い将来、私たちはそれを説明したり命令したりすることができないと思います。私たちがそれを行うのに十分な脳を理解していると主張することには多くの傲慢さがあります。 しかし、私たちはそれを説明することができると思います。 そして、おそらくそれらの説明から、何が起こっているのかをある程度理解することができます。
あなたは、マウスと人間の脳をマッピングするという2つの非常に大規模な取り組みに携わっています。 課題について詳しく教えてください。
さて、コネクトミクスはパイプラインです。 あなたは動物から始め、もう一方の端では、おそらく10または20のステップの後、配線図ができます。 まず、組織を保存し、次にそれを染色し、樹脂に埋め込んで、スライスを切り、それらの画像を撮る必要があります。 次に、それらの画像をつなぎ合わせて位置合わせする必要があります。 次に、人工知能で行ったことを校正する必要があります。 そして、すべてを実行した後でのみ、接続を計画するという、これらすべてを実行した理由から始めることができます。 しかし、これらの手順のすべて、および私がそれらのいくつかをスキップしたことは、いくつかの理由で失敗する可能性があります。 それぞれが成功する可能性が90％である20のステップがある場合、8回に1回しか成功しません。 したがって、最後まで到達するのが難しい数学的な理由があります。
批評家は、コネクトームだけでは脳がどのように機能するかを明らかにすることはできないと主張し、科学者が40年間ワームコネクトームを持っていて、その単純な神経系でさえどのように機能するかを完全には理解していないという事実を指摘する人もいます。 あなたはそれに何と言いますか？
それは本当にその仕事の不公平な説明です。 ワームを研究するほとんどの人は、そのデータセットに多くの注意を払っていると思います。 ワームの専門家のチームと私は最近、ワームのコネクトームに関する別の論文を 8つの異なる発達段階。 そしてそれは変革的でした。 結論として、1つの論文にまとめることができるよりも多くの情報がありますが、コネクトームをある時代から別の時代に比較することから生まれた新しいアイデアがたくさんありました。
非常に若い幼虫期のワームには、多くのフィードバックが含まれている配線図があります。 つまり、動物は、あなたがそうするのであれば、行動する前に多くのことを「考えている」のです。 これは、先生が「12の5倍はいくらですか」と尋ねた場合の子供たちの行動に似ています。 掛け算の九九を覚えていない場合は、頭の中で向きを変える必要があります。 最後に、答えに自信があると感じた場合は、三角筋に信号を送り、腕を空中に上げ、上腕二頭筋と上腕三頭筋を動かして腕を前後に動かし、教師の注意を引きます。 赤ちゃんのワームも同じようなものです。 「答えはありますか？」というチェックがたくさんあります。 と「私は自分が何をすべきか知っていますか？」 しかし、動物が年をとるにつれて、フィードバックはますます明白になります。 それはよりフィードフォワードになります：「私は自分がしなければならないことを知っています、そして私はただそれをします。」
小動物を研究することは、人間の脳への洞察につながると思いますか？
ほとんどの人は、学んだ教訓が人間の脳の働きに適用されることを期待して、これらの小さな動物を研究していると思います。 しかし、私たちは他のすべての動物とは違うと思います。 人間開発は並外れて引き出されていますが、私たちの成長の終わりまでに、私たちは経験を通じて生み出す知識の達人になります。
私たちが持っている最も近い親戚、つまり人間以外の霊長類が私たちにとって本当に良いモデルであるかどうかさえわかりません。なぜなら、彼らでさえ、私たちが行う体験学習への依存に近いところがないからです。 私はこれを、私たちの最も近い霊長類の親戚の行動レパートリーが何千年もの間比較的変わらないままであるという考えに基づいていますが、私は祖父母ができなかったことをし、自分の子供は私ができないことをします。
遅かれ早かれ、人間の脳の配線図にどのように経験が物理的に組み込まれるのかという謎を解き明かしていくことが期待されていると思います。
コネクトミクスは臨床的に関連があると思いますか？
おそらくつながりの病状である病気があると思います。 これらの「接続障害」は、 シナプス。 脳は適切な数のシナプスを作らないか、ニューロンは抑制性細胞に接続する必要があるときに興奮性細胞に接続しています。 私は、脳の何が悪いのかは伝統的な技術では見ることができないので、脳機能のほとんどの精神医学的および発達障害は謎のままであると断言します。 したがって、1つの可能性は、接続の微細構造をより適切に調べる方法があれば、何が悪いのかがわかる可能性があるということです。
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