脳のマッピングの仕組み

人間の脳は1,000 億個のニューロンと支持細胞の塊です。私たちはそこに一生分の思い出を保存することができます。これを使ってソネットを書いたり、飛行機を作ったりできます。確かに、ゾウの脳はより大きく、より重く、より多くのニューロンを持っていますが、ゾウには私たちの能力も欠けています。

興味をそそられましたか?科学者は確かにそうです。これが、彼らが人間の脳の地図作成を行っている理由の 1 つであり、完了までに数十年かかる可能性がある重要なプロジェクトです。

脳マッピングは、脳の構造をその機能に関連付けたり、どの部分が私たちに特定の能力を与えているかを見つけようとします。たとえば、私たちの脳のどの側面によって創造的または論理的になることができるのでしょうか?これを機能の局在化といいます。

マッピング関数

脳の機能をマッピングする際、科学者は画像を使用して脳がさまざまなタスクに取り組んでいる様子を観察します。テキサス大学サンアントニオ校の神経生物学者チャールズ・ウィルソンは、機能の局在化について次のように説明しています。

脳マッピングは外側から内側からも観察します。これは、たとえば学習や老化のプロセスを通じて脳が物理的にどのように変化するかを研究することによって、環境が脳の構造をどのように変化させるかを調べます。脳マッピングでは、精神疾患やその他の脳疾患の際に脳内で物理的に何が起こるかについても調査します。

最後に、脳マッピングは、脳の構造を完全に把握することを目的としています。

Google Earth は地球の衛星画像を表示し、大陸、国、州、都市、高速道路、道路、建物を拡大表示します。私たちの脳の完全な構造マップも同様である可能性があります。

それは私たちの脳全体を示す可能性があります。すべての領域、機能葉、特殊な中枢、脳の部分を接続する厚いニューロンの「束」、ニューロン回路、単一ニューロン、ニューロン間の接合部、そして最後にニューロン部分です。科学者たちは、この巨大な地図を形成する可能性のある部品をまだ開発中です。

脳マッピングでは、さまざまなツールの集合を使用します。研究者は脳の画像を収集し、それらの画像をデータに変換し、そのデータを使用して脳の発達に伴って何が起こるかを分析する必要があります。

脳マッピング技術と方法

科学者は脳マッピング研究において機能的神経画像化と構造的神経画像化の両方を使用します。彼らは健康な脳の写真を撮り、それを病気の脳と比較します。

さらに、人間、霊長類、小型哺乳類から採取した脳を検査し、無脊椎動物の小型の神経系がどのように機能するかを理解しようとしています。顕微鏡レベルでは、ニューロンも検査します。

ここでは脳のマッピングに使用されるツールをいくつか紹介します。これらの脳マッピング技術は脳の画像を取得します。

これらの手法は脳の活動を検査します。

新しい方法により、研究者は無傷の脳内のニューロン間の接続をすべて観察できるようになりました。この研究分野はコネクトミクスと呼ばれます。脳の「配線図」はコネクトームと呼ばれます 。

「最近まで、これらの配線図を入手できる希望はありませんでした」と、いくつかの新しい技術を開発したグループを率いたハーバード大学の生物学者ジェフ・リヒトマンは言う。 「個々の細胞を見ることはできましたが、すべてを一度に見ることはできませんでした。」

Brainbow として知られるそのような技術の 1 つは、生きた動物の脳内のすべてのニューロンに異なる色でラベルを付けるものです。動物の脳の画像を生成することで、科学者はニューロンがどこでどのように相互に接続しているかを確認できます。動物が成長し、老化するにつれて、ニューロンの接続がどのように変化するかを観察することもできます。

別の技術では、ATLUM (自動テープ収集旋盤ウルトラミクロトーム) を使用します。この機械は脳の配線図を読み取ります。

「私たちはリンゴの皮をむくことと似たようなことをしています」とリヒトマンは説明する。 「旋盤で脳を回転させながら、基本的に螺旋状の切り込みを削り取り、この組織のリボンをテープに貼り付けます。最終的には、実質的に脳全体に相当する非常に長いテープが得られます。電子顕微鏡を使用すると、配線の構造を確認するための画像です。」

これまでのところ、Brainbow と ATLUM は、マウスなどの比較的小さな脳を持つ動物の研究にのみ使用されています。

それで、どういう意味ですか？マッピングによって何が実現できるのでしょうか?次のセクションでは、人間の脳のマッピングから何が学べるかを検討してください。

phMRI は痛みを研究できますか?

1997 年以来、英国のオックスフォード脳機能的磁気共鳴画像センターでは、患者が痛みを感じたり、気を紛らわせたり薬物療法を含めたさまざまな形で緩和したりする脳の画像を記録してきました。

脳に対する薬物の効果を測定することで、科学者は鎮痛薬や精神薬についてさらに詳しく知ることができました。

ブレインマッピングの用途

なぜ科学者たちは脳のマッピングという困難な作業に取り組むのでしょうか?リヒトマン氏によれば、答えは簡単です。それは、私たちの脳をより深く理解することです。

私たちは、脳内のすべてのニューロンがどのように接続されているかを示す図を見たことがありません。ジェフ・リヒトマンが言うように、「脳についての私たちの考え方の多くは、実際にそこにあるものについての不完全な知識に基づいています。したがって、私たちは実際にそこに何があるのか​​を知りたいのです。」

脳の配線図は、私たちがどのように学習し、適応するかをより深く理解するのに役立つかもしれない、とリヒトマン氏は言います。

脳マッピングは医師にとっても実用的です。脳神経外科医は脳マッピングを使用して、より安全な手術を計画します。たとえば、てんかんの治療法には、脳の患部を切除するものがあります。

外科医は、機能的 MRI と EEG を使用して、患者の脳内の発作中枢や、話したり動いたりするときに活動する領域をミリメートル単位で特定できます。これらの画像は医師に何を残し、何を切り取るべきかを伝えます。

脳画像診断は治療にのみ使用されるわけではありません。パーキンソン病やアルツハイマー病などの神経変性疾患の診断に使用されます 。 PETなどのタグ付け技術を使用して、医師は特定の脳化学物質の低下を探したり、MRIを使用して組織の損失を示す領域の収縮を検査したりする場合があります。

時間が経つにつれて、医師は病気が進行したり治療が効果を発揮したりするにつれて脳がどのように見えるかをマッピングできるようになります。

自閉症のような発達障害は、脳に構造的な基盤がある可能性があります。リヒトマンは、自閉症にはニューロン間の一連の独特な接続が関与していると考えられていると指摘しています。 Brainbow を自閉症のマウスに適用すると、研究者は配線図が進化し、配線がいつ、どのように、自閉症のないマウスと異なるかどうかを調べることができるかもしれません。

科学者たちはまた、脳におけるさまざまな精神障害の影響を説明することを試みており、ある程度の成功を収めています。これらの患者の脳画像検査により、構造的異常が明らかになりました。たとえば、構造的 MRI は、統合失調症患者は時間の経過とともに側頭葉および前頭前皮質の物質を失うことを示しています 。

パニック障害、双極性障害、うつ病、不安症、摂食障害などは、さまざまな脳画像技術を使用して検査されていますが、科学者の発見をどのように解釈すればよいでしょうか?さらに重要なのは、どこでそれらを見ることができるかということです。

医師や科学者は、この記事でカバーできる以上に脳のマッピングから多くのことを学んできました。以下に 2 つのハイライトを示します。

皮肉

右海馬傍回と呼ばれる脳領域を使用して皮肉を検出します。研究者らは、その領域に症状が悪化した患者の機能的MRIを使用してこれを発見し、皮肉の感覚をまったく失いました。

意識

ニューヨーク大学のロドルフォ・リナス氏によると、私たちの脳は、脳の深部にある同期中枢と、高度な思考をもたらすニューロンループに分けることができるそうです。

中心がループを調和して機能させ続けると、私たちは意識を感じます。しかし、いずれかの部分が損傷した場合、意識の一部またはすべてを失う可能性がある、とコーネル大学ワイル医科大学のニコラス・シフ氏は言う。

これは、何年も意識の外面的な兆候がない患者が、聞き慣れた声に反応して完全に正常な脳活動を示す理由を説明する可能性があります。これらには、言語を処理するニューラル ネットワークのように、単独で動作するループがあります 。

ブレイン アトラス: 脳マップの使用方法

神経情報学は、私たちの脳にあるすべてのデータを利用可能な形式でインターネット上に置きます。データには、画像、ニューロンの動作のモデル、さまざまな脳領域で「オン」になっている遺伝子のマップが含まれます。

データを共有および検索可能にすることで、脳研究者はお互いの研究に便乗して、さらに多くのことを発見できるようになります。

エンジニアは、脳の研究者がデータを共有および比較できるようにするソフトウェアを作成しています。例えば現在では、脳の大きさや形が異なるアルツハイマー病患者のMRIが、同様の脳の特徴を持っているかどうかをソフトウェアで分析している。

特定の脳構造を持つ人は双極性障害になりやすいのでしょうか?この疑問や他の多くの疑問は、新しい患者の画像を研究するのではなく、過去の患者の画像を再分析するコンピュータ プログラムによっていつか答えられるかもしれません。

研究者が答えを見つけるために使用できる脳地図帳の例を以下に示します。

完全な脳マップ

研究者たちは、統計を生成するのに十分な規模の集団の脳を画像化した後、洗練された脳マップを作成しました。加齢、エイズの進行、メタンフェタミンの使用に伴い、どこで脳の体積が減少するかを示す地図があります。

人間の脳の完全な地図はどのようなものになるでしょうか?それはあなたの興味次第です。脳の構造を知りたい場合は、大脳皮質の写真から始まり、ニューロン番号 888,898,432,857 にズームインできる、仮想の Google Earth バージョンをご覧になるとよいでしょう。

この完全な Google Earth タイプの地図は、多くの点で停止しています。そのようなポイントの 1 つは、人間の脳のすべてのニューロンとその接続の画像化です。ハーバード大学の生物学者ジェフ・リヒトマン氏によると、マウスでこのデータを取得するだけでも骨が折れるという。

ショウジョウバエの脳のマッピング

長年にわたり、科学者は、わずか数百のニューロンからなる非常に単純な「脳」を持つ種の相互接続ニューロンの完全なマップを作成することしかできませんでした。その最初のものは、「体長1ミリメートルで300個の神経細胞を持つ線虫」であるカエノラブディティス・エレガンスだった、とリヒトマン氏は言う。

年に研究者らは、ショウジョウバエの幼虫 (キイロショウジョウバエ) の複雑な脳の最初のコネクトームを発表しました。ショウジョウバエの脳は、3,000 個のニューロンと 50 万個のシナプスがあることに気づくまでは単純に見えるかもしれません。ショウジョウバエの脳のマッピングには5年以上かかりました。

人間の脳の完全な地図

完全な脳マップの定義は、あなたの興味によって異なります。たとえば、あなたが神経精神科医であれば、脳の完全なマップは、出生から最初の症状が現れるまで双極性障害が脳内でどのように展開するのか、そしてそのプロセスを止めるためにリチウムが何をするのかを示すタイムラプス画像である可能性があります。

それはあなたにとって十分ではないかもしれません。脳の機能を隅々まで知りたいと思うかもしれません。残念ながら、それは不可能かもしれません。神経生物学者のチャールズ・ウィルソン氏は、「私たちは、あまりにも速すぎたり、遅すぎたりする機能を捉えることはできません」と述べています。

他のプロセスには寿命がかかります。誰かの誕生から死亡までを追跡した画像研究は存在しない。 「私たちが知っているメソッドは、関心のあるものをすべて処理することはできません。私たちが知っているメソッドは、そのほんの一部以上を処理することはできません」とウィルソン氏は言います。現時点では、これらすべての地図を 1 つに統合する取り組みは進行していないとリヒトマン氏は述べています。

しかし、これらの地図の一部、またはすべてを最終的に入手できない根本的な理由はないとウィルソン氏は言います。

あなたはそれをすべて使います

私たちが脳の10パーセントしか使っていないというのは迷信です。うちは全部使ってます。脳画像には、すべての部分の活動が集合的に記録されています。さらに、小さな領域にダメージを与えると、主要な能力が失われる可能性があります。ワシントン大学のエリック・チャドラー教授のウェブサイトについて詳しく読んでください。