【技術のことば】コネクトーム：脳の配線図は写真を1枚ずつたどって描く

脳の中にある神経細胞どうしのつながりを描いた図よ。神経細胞は、脳をつくっている細胞のことなの。
細胞どうしは、細長い線を伸ばして、その先でほかの神経細胞にたどり着くのよ。

たどり着いた先のつなぎ目を、シナプスと呼ぶわ。
配線図のイメージは、駅を細胞、線路をつながりに見立てた鉄道の路線図ね。

コネクトームは、この路線図を脳の全体について残らず描こうとするものよ。
ただ本物の路線図と違って、脳のつなぎ目は目で見て描けるような大きさではないの。

脳科学辞典によると、英語で「つなぐ」を意味するconnectに-omeを付けた造語なの。-omeはギリシア語で「完全、すべて、総体」を意味するわ。
たとえるなら、作品を残らず集めた「全集」のような響きの語尾ね。

本来の意味は、動物の体にある神経細胞が、すべてどうつながっているかの全体よ。
でも辞典は、脳の一部分だけの配線図を指すこともよくあると書き添えているわ。

形を見分けるには、ナノメートルの細かさで写せる電子顕微鏡が要るの。1ナノメートルは、1ミリメートルの100万分の1の長さよ。

そのうえ、脳をごく薄く切り分けなければならないの。
そこで脳を何枚もの薄い板に切り、1枚も失わずに撮影して、画像を保存するのが最初の仕事よ。

たとえるなら、ハムのかたまりを薄切りにして、1枚ずつ写真に撮るようなものね。ただ脳の場合は、切り口の細部まで写せる細かさが要るの。
哺乳類の脳のように大きなものだと、撮る枚数は巨大になるわ。

写真に写った細胞の切り口を、隣の1枚へ、またその隣へとたどるの。こうして1個の神経細胞がどこまで伸び、どこで誰とつながるかを組み立て直すのよ。

たとえるなら、パラパラ漫画の1枚ずつで、同じ人物を見失わないように追う作業ね。ただ実際に追うのは細胞の切り口よ。
脳科学辞典は、たどる線を1か所でも間違えると、まったく別の神経細胞を追うことになると書いているわ。

そうなの。この辞典は、2016年の時点では、人の目で画像を見てたどるのが最も確実なやり方だと述べているわ。
そこで、ゲーム感覚で一般の人に手伝ってもらう試みも生まれたの。

同じ文章は、将来は人工知能がこの細かい作業を自動でこなす可能性も高いと見ているわ。

でも、ほぼ描き切れた例もあるのよ。線虫という小さな生き物では、電子顕微鏡でほぼ完全なコネクトームが描けているの。1986年に、John Whiteらが報告したわ。

線虫は体が小さく、雌雄同体の個体の神経細胞は302個しかないの。つながり方の個体差も小さいので、描くことができたと辞典は説明しているわ。

背骨のある動物の脳や神経は大きくて、細胞の数もつながり方もずっと多様なの。辞典は、そのコネクトームを描くことは極めて困難だと書いているわ。

たとえるなら、そうね。小さな町の地図は描けても、巨大な都市の地図を描くのはとても大変よ。
ただ実際は、細胞の数だけでなく、つながり方の多様さも関わっているのよ。

線虫とは別の虫、ショウジョウバエでは、成虫1匹の脳全体のつながりが読み取られているわ。電子顕微鏡の画像の中の細胞の形をAIが分け、人の手で直していく方法よ。

コネクトームは、見る細かさによって3つに分けられるの。細かさが変わると、使う道具も、見えるつながりも変わるわ。

たとえるなら、地図アプリで日本全体を見るか、街の1軒1軒まで拡大するかの違いね。ただ実際は、拡大するだけでなく、使う道具そのものが変わるの。

たとえば、ミリメートルの細かさでは、MRIなどの体を傷つけずに写す方法を使うわ。MRIは、体を切らずに中を写す病院の装置よ。

マイクロメートルの細かさでは、光で見る顕微鏡を使うの。1マイクロメートルは、1ミリメートルの1,000分の1なの。三つの細かさは、下の表で比べられるわ。

理化学研究所は2020年、サルの頭に合わせたMRIの受信装置を作ったの。生きたままのサルの脳を高い画質で写して、ミリメートルの細かさのコネクトームを描いているわ。