オスのショウジョウバエ、中枢神経系の全ニューロンを地図化　16万6691個の「配線図」が完成

コネクトームとは、脳の見た目を写した画像ではない。どのニューロンが、どのニューロンへ接続しているかを細胞単位で記録した「神経回路の配線図」だ。

今回公開された成虫オスのショウジョウバエ（Drosophila）の資源は、中央脳、視葉、腹側神経索を、同じ1個体の連続した神経系として収録した。完全に校正されたニューロンは16万6691個、注釈付けされた細胞型は1万1691種、シナプス結合は1億2500万件に上る。25

脳と「脊髄に相当する部位」を一続きで追える

これまでの研究ですでに、ショウジョウバエでは全脳コネクトームの構築が可能だと示されていた。たとえば成虫メスの全脳コネクトームは、13万9255ニューロンと約5000万の化学シナプスを再構成している。7

新しいオスのデータセットの重要性は、単にニューロン数が多いことだけではない。腹側神経索――ハエでは哺乳類の脊髄にたとえられる、運動制御に重要な構造――まで含め、脳との接続部である頸部結合を保ったまま記録している点にある。2

そのため研究者は、感覚情報の処理や高次脳中枢から、動きや行動に関わる経路までを連続的にたどれる。脳と神経索を別々の地図として扱う場合には難しかった解析だ。

巨大な再構成を「研究に使える地図」にした技術

この成果は、ジャネリア研究キャンパスと共同研究者らが約20年にわたり進めてきた取り組みの到達点である。Google Research、MRC分子生物学研究所、ケンブリッジ大学の研究者も参加した。

完成までには、単一の画期的技術ではなく、複数の工程をつないだワークフローが必要だった。

• 電子顕微鏡（EM）：ニューロンの形状とシナプス結合を見分けられるほど高精細な画像を取得した。FlyEMプロジェクトは、ショウジョウバエ神経系のニューロンとシナプスを地図化する基盤としてEMを用いている。8
• AIを使った大規模計算：画像データから細胞構造の候補を再構成し、手作業のトレースだけでは扱えない規模での処理を支えた。Googleは、この細胞スケールの全脳地図の構築を、計算技術とAIを活用した10年にわたる共同研究と位置付けている。
• 人による校正と注釈付け：計算結果を、科学研究に使える完成版の資源へと仕上げた。最終データセットは「完全に校正され、包括的に注釈付けされた」とされており、未検証の自動再構成とは異なる。25
• 細胞型・分子情報のラベル付け：配線図を生物学的に解釈できるようにした。性決定に関わる遺伝子 fruitless と doublesex の発現に関する注釈も含まれる。5

要するに、AIがこの規模を実現可能にし、人の専門的な確認作業が、データを信頼して使えるものにした。

雌雄比較で見える「同じ細胞、違う配線」

オスの中枢神経系全体の地図と、先行するメスの全脳コネクトームがそろったことで、シナプス解像度での直接比較が可能になった。

オスのコネクトーム研究では、中央脳で対応付けられた7319の細胞型のうち、7205型は雌雄で同型、114型は性的二型、262型はオス特異的、69型はメス特異的と報告された。5

これは、行動の雌雄差を考える際に重要な手がかりとなる。ある行動差が、片方の性にしか存在しないニューロン型によるものなのか。それとも、雌雄の両方にあるニューロン型が異なる配線を持つためなのか。行動実験だけでは切り分けにくい問いを、回路レベルで検討できるからだ。fruitless と doublesex の注釈も、性的二型の回路を調べる分子的な手掛かりとなる。56

味覚から摂食の決定へ

中枢神経系全体の地図は、機能実験と組み合わせることで力を発揮する。全脳コネクトームとカルシウムイメージングを組み合わせた研究では、食道下帯（SEZ）にある初期段階の味覚応答ニューロンの多くが、局所介在ニューロンと投射ニューロンを含め、単一の味覚モダリティを表現すると示された。

別のコネクトーム解析では、この領域の二次味覚ニューロンは味の種類ごとにおおむね分かれている一方、三次ニューロンはSEZの外へより広く投射し、複数の味覚モダリティの重なりも大きいことが分かった。こうした構造は、味の信号を摂食に関わる判断へ変換する過程に関わる可能性がある。

関連報告では、味覚信号を摂食を担う運動経路まで追跡し、栄養が吸収される前に起こる予期的なインスリン放出を説明し得る経路も示された。ただし、提供された報道は回路レベルでの可能性のある説明を支持するものであり、インスリンシグナルの決定的な機構を確立したものではない。

マウスやヒトの全脳地図に直結するのか

オスのハエのコネクトームは、今後のコネクトミクスに向けた実践的な設計図でもある。高解像度イメージング、大規模な自動再構成、厳密な校正、標準化された注釈、そして他の研究者が検索・再利用できる公開ツールを組み合わせるという方法だ。データは対話型の閲覧とプログラムによる利用に対応している。1

ただし、これによってマウスやヒトの完全コネクトームがすぐ実現するわけではない。より大きな脳では、組織量、撮影、再構成、保存容量、計算、品質管理のすべてで難度が急激に増す。

それでもこの成果は、将来の大型プロジェクトに必要となる一連の工程を、現実の研究対象で厳しく検証した例となる。とりわけ、神経構造と神経活動、行動を同じ生物で結び付けて調べられる系にとって重要だ。

神経科学にとっての本当の前進は、記録的なニューロン数だけではない。脳と腹側神経索を1個体内でつなぎ、検索可能で、専門家の校正を経た地図ができたことにある。性特異的行動、感覚にもとづく意思決定、運動が、どのような神経配線から生じるのかを検証するための共通基盤になる。25