科学者らがマウスの脳細胞20万個の接続をトレースした配線図を公開
アラン・ボイル著
シアトルのアレン研究所と他の研究機関の神経科学者らは、5年間に及ぶ数百万ドル規模のプロジェクトを完了し、砂粒ほどの大きさのマウスの脳の塊にある20万個の細胞間のつながりを示す高解像度の3Dマップを公開した。
現在オンラインで公開されているこのデータ収集は、「Machine Intelligence From Cortical Networks（皮質ネットワークからの機械知能）」プログラム（略称MICrONS）の一環として開発されました。MICrONSは2016年に、アレン研究所とそのパートナー機関である情報高等研究計画局（Intelligence Advanced Research Projects Activity）に対し、1億ドルの連邦政府助成金を受けて資金提供を受けました。情報高等研究計画局は、米国国防総省の国防高等研究計画局（DARPA）に相当する、米国の情報機関における機関です。
MICrONS は、脳の構造をリバースエンジニアリングして、コンピューター科学者がより人間に近い機械学習システムを開発できるようにするためのものですが、このデータベースは生物医学の研究者にも役立つと思われます。
「私たちは基本的に脳の回路をコンピューターとして扱い、3つの疑問を問いかけました。それは、何をするのか？どのように配線されているのか？プログラムは何か？です」と、アレン研究所の上級研究員であり、MICrONSの主任科学者の一人であるR・クレイ・リード氏は本日のニュースリリースで述べた。「実験は文字通りニューロンの活動を観察し、計算する様子を観察するために行われたのです。」
新たに公開されたデータセットは、マウスの脳視覚新皮質の1立方ミリメートルの範囲に含まれる12万個のニューロンと約8万個の他の種類の脳細胞を収録しています。このデータセットは、細胞を物理空間にマッピングするだけでなく、5億2300万個以上のシナプスが関与する機能的接続をトレースします。
アレン研究所の研究者に加え、プリンストン大学、ベイラー医科大学、その他の機関の同僚もこのプロジェクトに参加した。
ベイラー大学の研究チームは、マウスが自然風景の画像や動画を視聴する際の神経活動パターンを捉えました。これらの実験の後、アレン研究所の研究チームは、対象となる脳組織のサンプルを保存し、27,000枚以上の薄切片を作成し、電子顕微鏡を用いてそれらの薄切片画像を1億5,000万枚撮影しました。
その後、プリンストン大学のチームは機械学習技術を使用して、それらの画像を各細胞とその内部構成要素の高解像度マップに変換しました。
「本日発表する再構成画像により、神経回路の要素、つまり脳細胞と配線を観察することができ、配線を辿って細胞間の接続をマッピングすることが可能になります」とリード氏は述べた。「最終段階はこのネットワークを解釈することです。その段階で、脳のプログラムを読み取れると言えるかもしれません。」
得られた洞察は、コンピューター科学者が AI アプリケーション用のより優れたハードウェアを設計するのに役立つ可能性があり、また、医療研究者が皮質配線の変化を伴う脳障害の治療法を見つけるのにも役立つ可能性があります。
「私たちの5年間のミッションは、多くの人が達成不可能と見なしていた野心的な目標を掲げていました」と、プリンストン大学の神経科学およびコンピュータサイエンスの教授であるH・セバスチャン・スン氏は述べています。「今日、私たちは哺乳類の大脳皮質の息を呑むような新たな展望を得ることができ、報われました。発見の新たな段階に移行する中で、私たちはデータを新たな方法で活用するための研究者コミュニティを構築しています。」
このデータセットは、Brain Observatory Storage Service & Database（BossDB）によってオンラインでホストされており、Amazon Web ServicesはOpen Data Sponsorship Programを通じてクラウド上で無料アクセスを提供しています。GoogleはGoogle Cloudを通じてストレージとコンピューティングエンジンのサポートを提供し、データベースはGoogle Researchが開発したオープンソースの可視化ツールであるNeuroglancerを利用しています。
MICrONSがオープンアクセスを重視するのは、マイクロソフトの共同創業者であるポール・アレンが2003年にアレン研究所を設立した際に主張した原則に沿ったものだ。アレン脳科学研究所は同研究所で最も古く、最大の部門であり、2018年にアレンが亡くなってからは、神経回路と脳細胞の種類の研究に重点を絞ってきた。
