研究者らはマウスの脳全体をマッピングし、5,322種類の細胞をカタログ化した。

神経科学者らは、マウスの脳全体の細胞タイプの最も包括的かつ詳細な地図を公開した。これは、シアトルのアレン研究所が主導的な役割を果たした6年にわたる科学的取り組みの最新成果である。

本日ネイチャー誌に掲載された9つの研究では、5,322種類の脳細胞が特定され、人間を含むさまざまな哺乳類種に見られる類似点と相違点が追跡されている。

この研究は、BRAINイニシアチブ細胞センサスネットワークによるこれまでの研究を発展させたものであり、マウス脳の様々な領域の細胞を対象とした以前の調査や、種間における細胞機能の比較などが含まれています。アレン研究所の研究者たちは、ブロード研究所、ハーバード大学、ソーク生物学研究所、カリフォルニア大学サンディエゴ校、カリフォルニア大学バークレー校などの研究機関の同僚と協力し、脳の「部品リスト」に新たな部品を追加しました。

「これで、脳内のすべての細胞の細胞型アトラスが完成しました」と、アレン脳科学研究所の執行副所長兼所長であるホンクイ・ゼン氏は説明ビデオの中で述べた。「これはまさに画期的な成果です。…これは、完全性を目指した研究の完了を示すものです。しかし同時に、この研究の次の段階の始まりでもあります。次世代の研究への扉を開くものなのです。」

ネイチャー誌に掲載された論文のうち1本の主任著者であり、他の5本の論文の共著者でもあるゼン氏は、次のステップは、これらすべての異なる細胞タイプが正確に何をするのか、それらの機能は病気によってどのように影響を受けるのか、そしてそれらの適切な機能を回復するためのまだ発見されていない方法があるかどうかを明らかにすることだと述べた。

「これは単なるカタログ、つまり細胞の種類とその位置のリストではありません。それ自体すでに重要な参照情報ですが、脳がどのように構成されているかが見えてきます」とゼン氏は語った。

この研究は、何百万もの細胞から集められた遺伝子配列データと遺伝子発現の空間マップに依存していました。

研究者たちは、細胞の種類ごとの特徴的な遺伝子発現パターンと脳内の位置との間に強い相関関係があることを発見しました。脳の上部領域、いわゆる背側領域には、少数の多様な細胞の種類が存在していました。対照的に、脳の下部、つまり腹側領域には、互いにより密接な関連を持つ多数の異なる細胞の種類が存在していました。

「私たちの仮説は進化論に基づいた説明です」とゼン氏はGeekWireへのメールで述べた。「進化論的に古い脳の腹側部分（特に視床下部／中脳／後脳）は、主に動物の生存機能（摂食、生殖、代謝など）に関与しており、そのため進化上の制約がより強く、細胞の種類もより多いものの、それほど大きな分岐は見られません。」

対照的に、大脳皮質、視床、小脳を含む脳の背側部分は、感覚運動の特化や認知といった、急速に変化する適応機能に主に関与している。「そのため、数百万年という短い進化期間にもかかわらず、背側部分はより速く拡大し、多様化してきたのです」とゼン氏は述べた。

別の研究では、ヒト、マカク、サル、マウスの一次運動野における遺伝子発現制御を比較しました。研究者らは、特定の細胞種に特異的な遺伝子発現パターンは、異なる細胞種に共通するパターンよりもはるかに急速に進化した可能性があることを発見しました。

研究者らによると、人間に特有の調節要素の約80％は転移要素、つまりゲノム内で位置を簡単に変えることができるDNAの小さな部分だという。

この解析では、多発性硬化症、神経性食欲不振症、タバコ依存症と関連付けられている遺伝子変異において、種を超えて高度に保存されている特徴も指摘されました。研究者らは、この結果は、神経疾患に関与する遺伝的因子を特定するための脳マップの価値を実証していると述べています。

「人類は何百万年にもわたって進化してきましたが、その進化の歴史の多くは他の動物と共有されています」と、ソーク研究所のジョセフ・エッカー教授（種間研究のリーダーを務めた）はニュースリリースで説明した。「人間のデータだけでは、脳の働きについて知りたいことの全てを明らかにすることは決してできません。他の哺乳類種でこのギャップを埋めることで、これらの疑問に答え続けることができ、より多くのデータを提供することで、私たちが使用する機械学習モデルを改善していくことができます。」

マウスの脳のパーツリストが完成した今、研究者たちはヒトの脳にさらに注力していくでしょう。アレン研究所は、BRAINイニシアチブから1億7300万ドルの資金提供を受け、ヒトの細胞型アトラスを作成するための5年間の取り組みを主導しています。

ゼン氏は、細胞型マップは疾患治療の新たな戦略を示唆する可能性があると述べた。その意味で、正確なマップを作成することは、迷走する脳を正しい軌道に戻すための第一歩となる可能性がある。

「多くの疾患は実際には脳の特定の部位、そしておそらくその部位の特定の細胞種に由来することが分かっています」と彼女は述べた。「この地図があれば、脳の特定の部位の特定の細胞種において、遺伝子がどのように変化したかを正確に知ることができます。…そうすれば、特定の細胞種を標的とした遺伝子ツールや、薬理学的ツールなどのツールを開発できるでしょう。」

BRAINイニシアチブのディレクター、ジョン・ンガイ氏は、最高の瞬間はまだ来ていないと示唆した。

「これまで暗闇の中にいたところに、この画期的な成果が明るい光を灯し、研究者はこれまで想像もできなかった方法で、細胞の種類や細胞群の位置、機能、そして細胞間の経路を知ることができるようになります」とンガイ氏は述べた。「この成果は、この前例のない分野横断的な連携の力を証明するものであり、より精密な脳治療への道を切り開くものです。」

Nature のウェブサイトの特別セクションでは、本日発表された 9 つの論文と 9 月に発表された論文を含む、マウスの脳細胞アトラスに関連する BRAIN Initiative Cell Census Network の研究が取り上げられています。