国際研究コンソーシアム「FlyWire」、成虫ショウジョウバエの脳全体の神経回路図（約14万ニューロン）を完全解読

神経科学者、コンピュータ科学者、市民ボランティアからなる国際研究連合「FlyWire（フライワイヤー）コンソーシアム」は、成虫のキイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）の脳全体における初の完全なニューロン単位のシナプス配線図（コネクトーム）を完成させた。米プリンストン大学、英ケンブリッジ大学、英医学研究審議会（MRC）分子生物学研究所の研究者らが共同主導し、英科学誌『Nature』に9本の記念碑的論文コレクションとして発表されたこのアトラスは、成虫の雌の脳内にある全13万9,255個のニューロンと5,450万個のシナプスを網羅している。

ショウジョウバエの脳は幅1ミリメートル未満とケシの実よりも小さいが、その内部には総延長約149.2メートルにおよぶ精緻な生物学的配線が詰め込まれており、アクロバティックな飛行や両眼視覚、空間ナビゲーション、連想記憶、毛づくろい、求愛の歌などを制御している。今回のFlyWireの快挙以前、脳全体のコネクトームが完全に解明されていた生物は、線虫のC.エレガンス（302ニューロン）、海産環形動物のプラティネレイス、およびショウジョウバエの幼虫（3,016ニューロン）の3種のみだった。

電子顕微鏡画像とAIセグメンテーション、世界中の研究者による校正

マップの構築は、2018年にハワード・ヒューズ医学研究所ジャネリア・リサーチ・キャンパスのダヴィ・ボック氏らのチームが取得した生データから始まった。同チームは1匹の雌のハエの脳を厚さ40ナノメートルの超薄切片7,050枚にスライスし、高速透過型電子顕微鏡で撮影した。プリンストン大学のセバスチャン・スン教授とマラ・マーシー教授らは、この2,100万枚の高解像度グレースケール画像から細胞膜とシナプス接合部を自動追跡する機械学習アルゴリズムを開発し、3次元の配線図へと変換した。

しかし人工知能（AI）だけでは微細な分岐の追跡でエラーが生じるため、プリンストン大学のチームはオープンな共同作業プラットフォームを構築し、世界140以上の研究室に所属する287人の研究者と市民科学ゲーマーがすべてのニューロンを手作業で校正（プルーフリーディング）・注釈付けした。ケンブリッジ大学のグレゴリー・ジェフリーズ氏やフィリップ・シュレーゲル氏らの研究チームは、脳回路を8,453種類の異なる細胞タイプに分類し、その半数以上にあたる4,581種類が科学的に未知の新しい細胞タイプであることを明らかにした。

“脳がどのように機能するかを理解したいのであれば、すべてのニューロンがどのように組み合わさり、思考を可能にしているのかというメカニズムの理解が必要です。成虫のハエの完全なコネクトームを手にしたことは、神経科学にとって変革的な出来事です。” — セバスチャン・スン（プリンストン大学 神経科学・コンピュータ科学教授）

脳全体の信号シミュレーションと将来の哺乳類脳マップへの展望

『Nature』誌に同時掲載された関連研究では、このオープンアクセス・データベースの高い予測能力がすでに実証されている。ある実験では、プリンストン大学の研究者がコネクトーム全体のコンピュータモデルを構築し、甘味や苦味の受容体を刺激した際にどの下流の運動回路が発火するかをシミュレーションしたところ、生きたハエの脳活動記録と90%以上の精度で一致した。他の論文では、色や動きを検知する完全な視覚経路や、歩行中のハエに停止を命じる特定の「停止ニューロン」の回路も特定された。

ショウジョウバエは既知のヒト疾患関連遺伝子の約4分の3を含む全DNAの約60%を人間と共有しているため、このコネクトームは神経疾患の解明や省電力な次世代AIアーキテクチャの設計に不可欠な設計図になると期待されている。FlyWireで確立された技術基盤をもとに、神経生物学者たちは現在、約500倍の規模となる約7,000万個のニューロンを持つマウス脳全体の完全コネクトーム解読という次なる巨大目標を見据えている。

Sources

• Nature Portfolio
• Princeton Neuroscience Institute