仮想現実が科学者の健康に関する新たな発見にどのように役立っているか
キャロライン・ステファニは素晴らしい仕事をしています。シアトルにあるバージニア・メイソン大学のベナロヤ研究所で、多発性硬化症や1型糖尿病といった病気の新たな治療法を研究しています。ステファニは顕微鏡で極小の細胞の写真を撮り、その画像を3次元で想像することに多くの時間を費やしています。
それは簡単ではありません。実際、多くの科学者は、細胞やタンパク質といった、日々研究している微小な三次元構造を理解するのに苦労しています。
幸運なことに、ステファニのオフィスは、ベナロヤの研究技術部門を率いるトム・スキルマンのすぐ隣にある。ある晩、ステファニと酒を飲みながら話していると、スキルマンは一つのアイデアを思いついた。顕微鏡のデータを使って、彼女が研究している細胞の完全な3Dモデルを仮想現実（VR）で構築するというアイデアだ。
1年後、ステファニーが勤務する研究室ではVRプログラムが本格的に稼働し、彼女や他の研究者たちはこれまでにない方法で研究成果を視覚化できるようになりました。これは、仮想現実（VR）と拡張現実（AR）が医学と医療研究の世界に旋風を巻き起こしている多くの事例の一つに過ぎません。
ステファニーが所属する研究室を率いるアダム・レイシー＝ハルバート氏は、このプログラムは科学者の仕事の核心に迫るものだと語る。一見派手に見えるかもしれないが、医学研究とは、基本的に同じことを何度も何度も繰り返すことを意味する。
「多くのことは、観察し、気づき、そして再び試みることです」とレイシー＝ハルバート氏は述べた。彼の研究室では、人の免疫系が体の一部を攻撃する自己免疫疾患を研究している。科学者たちは、単一の細胞内、あるいは細胞間の相互作用の中で何が起こっているのかを正確に理解しようと、多くの時間を費やしていると彼は述べた。
「それがとても素晴らしいところです。ほとんど即時に実現できるのです」と彼は VR プログラムについて語った。
テクノロジーのバックグラウンドを持つスキルマン氏は、ベナロヤの科学者たちがこのプログラムを使っているのを見るのは素晴らしいことだと語った。
「科学者たちが初めてこの天体を見る瞬間を写真に収められたらいいのに」と彼は言った。「彼らは、今まで見たことのないものを見ているので、興奮で目が回っているんです。」
「Confocal VR」と呼ばれるこのプログラムの仕組みは、共焦点顕微鏡法と呼ばれる手法で撮影された画像から始まります。これらの画像は下図のように、細胞の2次元スライスを異なる平面で撮影したもので、病院で受けるMRI検査に似ています。
これらの画像は、死にかけている細胞（緑色）が免疫細胞に食べられている様子を示しています。免疫細胞の核は青色、消化管は赤色で示されています。
これらの画像は、細胞がどこにあり、どのように相互作用しているかを大まかに理解するのに役立ちますが、奥行き感や正確な現象を把握することは困難です。画像を3Dで合成した画像であっても、コンピューターのモニターを通して理解するのは困難です。
これらの画像は、スキルマン氏が人気のビデオゲーム制作ソフトウェアUnityを使って構築したConfocal VRに転送されます。このプロセスは高速で、レイシー＝ハルバート氏によると、顕微鏡からVRヘッドセットまで歩いて移動するのと同じくらいの時間で完了するという。
「顕微鏡でサンプルをざっと見て、実際にサンプルに触れるのはほぼ初めてなので、VR で体験することになります」と彼は語った。
スキルマン氏とステファニー氏は、研究室のもう一人の研究者であるムリドゥ・アチャリヤ氏と共同でこのプログラムに取り組みました。彼らは、テクノロジー業界でラピッドプロトタイピングと呼ばれる手法を用いました。
「何かを作ってキャロラインに渡します。彼女はそれを使ってフィードバックをくれます。私はそれを修正し、できるだけ速く繰り返しました」とスキルマンは語った。
最終製品はかなり驚くべきものです。このプログラムは科学者に細胞を新しい方法で示すだけでなく、使い方も非常に直感的です。
私自身、共焦点顕微鏡を使ったことも、免疫系を深く研究したこともありませんでした。ステファニーが2D画像の詳細を説明してくれた時、最初は理解に苦しみました。しかし、研究室のViveヘッドセットを装着すると、彼女の説明が瞬時に理解できました。細胞の様々な部分について、より多くのことに気づき、研究者に質問するようになりました。
私が見たデモは以下のビデオでご覧いただけます。
このプログラムでは、科学者が画像を制御・操作して、より多くの知見を得ることも可能です。ConfocalのVR空間には、明るさ、コントラスト、照明などを調整するためのスライダーを備えたコントロールパネルが搭載されており、非常に直感的に操作できます。
VR の直感的な性質は、特に人々が非常に複雑な内容を常に理解しようとしている医療分野において、その強みの 1 つです。
この技術は病院などの医療現場でも導入が進んでいます。その一例として、シアトルに拠点を置くスタートアップ企業Pear Medが挙げられます。同社は、患者のスキャン画像からインタラクティブな3Dモデルを作成できる複合現実（MR）プログラムを開発しており、患者と医師に臓器やその他の解剖学的構造の3Dバージョンを効果的に提示します。
Pear Medの最高マーケティング責任者であるスティーブン・セスラー博士は、このツールの目標は、手術室などの医療現場において「より優れた視覚化と関連ツールとの3Dインタラクションを通じて、患者の解剖学的構造のより優れたメンタルモデルを構築すること」だと語った。
目標は、患者が自分の健康状態をより深く理解できるようにし、医師が複雑な手術に備えるのを支援することです。
「近い将来、私たちの技術が臨床処置中に患者の解剖学的構造をリアルタイムで視覚化するために使われる日が来ると考えています」とセスラー氏は語った。
一方、ベナロヤ氏は、科学者がVR内でタンパク質構造を操作できるVRプログラムも開発しています。これらの非常に複雑な分子は、細胞の機能の大部分を担っています。
AltPDBと呼ばれるこのプログラムは、複数の人がVR「ルーム」で共同作業できるもので、このパーティーは一般公開されています。VRヘッドセットと無料のAltSpaceアカウントをお持ちの方なら、自宅のリビングルームから試すことができます。また、Confocal VRを非営利団体と共有する計画もあります。
小さなタンパク質、小さな細胞、あるいは臓器全体であっても、複合現実は物事を新しい視点で見ることを助けます。
レイシー＝ハルバート氏によると、共焦点VRを試した知り合いの科学者は皆、驚嘆したという。何十年もこの種の細胞を研究してきたにもかかわらず、これまで気づかなかったものが見えることがよくあるという。免疫細胞が死んだ細胞を食べている画像は、その好例だ。
2D画像では、細胞の消化管の一部が核を貫通しているように見えることがわかります。科学者たちはこれらの画像から何か奇妙なことが起こっていることに気づきましたが、それが何なのかははっきりとは分かりませんでした。
VRでは、「それをつかんで、回して、正確な角度にして、伸ばして、『そうだ、あれはまさにそこにある』と言えるのです」とレイシーハルバート氏は語った。
「これは重要な発見です。なぜなら、以前は人々はこれを別の方法で解釈していたからです」と彼は述べた。科学者たちは、特定のタンパク質が実際には細胞核に侵入していると考えていた。「今言えるのは、それらは2つの異なる構造であり、一方が他方を押しのけているということです。」
場合によっては、その詳細は小さな変化に過ぎないかもしれません。しかし、アレルギーの新しい治療法、多発性硬化症の救命薬、その他多くの医学的進歩の成功または失敗を意味する場合もあります。
