脳マッピング

脳マッピングは、（生物学的）量または特性を（人間または非人間の）脳の空間表現にマッピングしてマップを作成することを前提とした一連の神経科学技術です。

2013年に脳マッピング・治療学会（SBMT）によって確立された定義によれば、脳マッピングは、要約すると、イメージング、免疫組織化学、分子および光遺伝学、幹細胞および細胞生物学、工学、神経生理学、ナノテクノロジーの使用を通じて脳と脊髄の解剖学と機能の研究として具体的に定義されています。

2024年、287人の研究者からなるチームが成体動物（キイロショウジョウバエ）の完全な脳マッピングを完了し、その結果をNature誌に発表した。^{[1] [2]}

すべての神経イメージングは​​脳マッピングの一部であると考えられています。脳マッピングは、脳イメージングのより高度な形態として考えられ、行動を脳領域に投影したマップ（fMRIを参照）などの追加（画像化または非画像化）データ処理または分析の結果によって補完された脳画像を生成します。そのようなマップの1つはコネクトグラムと呼ばれ、皮質領域を円の周囲に描き、葉ごとに整理します。リング内の同心円は、皮質の厚さや曲率など、さまざまな一般的な神経学的測定値を表します。円の中心には、白質繊維を表す線が皮質領域間の接続を示し、分数異方性と接続の強度によって重み付けされています。^[3]高解像度の脳マップはコネクトームと呼ばれます。これらのマップには脳内の個々の神経接続が組み込まれており、配線図として表示されることがよくあります。^[4]

脳マッピング技術は常に進化しており、画像の取得、表現、分析、視覚化、解釈技術の開発と改良に依存しています。^[5] 機能的および構造的神経画像は、脳マッピングのマッピング側面の中核です。

科学者の中には、愛や音楽の才能、特定の記憶といった「脳の部位」の発見など、科学雑誌や一般紙でなされた脳画像に基づく主張を批判する者もいる。多くのマッピング技術は比較的解像度が低く、1 つのボクセルに数十万のニューロンが含まれている。また、多くの機能は脳の複数の部位に関係しており、このタイプの主張はおそらく使用されている機器では検証できず、一般的に脳機能の分割方法に関する誤った仮定に基づいている。脳機能のほとんどは、大きな領域ではなく非常に多数の小さな個々の脳回路を調べる、はるかにきめの細かい測定で測定された後でのみ正しく説明される可能性がある。これらの研究の多くには、サンプル サイズが小さい、機器のキャリブレーションが不十分であるなどの技術的な問題があり、再現できない。これらの考慮事項は、センセーショナルな雑誌記事やニュースの見出しを作成するために無視されることがある。場合によっては、脳マッピング技術は、科学的に検証されていない方法で商業目的、嘘発見、または医療診断に使用されている。 ^{[6] [ページが必要]}

1980年代後半、米国では、国立科学アカデミー医学研究所に、さまざまな技術を横断して神経科学情報を統合することの価値を調査するための委員会を設立するよう委託されました。^{[7] [ページが必要]}

特に興味深いのは、構造的および機能的磁気共鳴画像法（fMRI）、拡散MRI（dMRI）、脳磁図法（MEG）、脳波（EEG）、陽電子放出断層撮影（PET）、近赤外線分光法（NIRS）などの非侵襲性スキャン技術を使用して、人間の脳の解剖学、生理学、灌流、機能、表現型をマッピングすることです。健康な脳と病気の脳の両方をマッピングして、統合失調症、自閉症、臨床的うつ病の患者など、さまざまな集団の記憶、学習、老化、薬物の影響を研究することができます。これがヒューマン・ブレイン・プロジェクトの設立につながりました。^{[8] [ページが必要]また、外傷性脳損傷（}フィニアス・ゲージ のケースのように）^[9]を理解し、脳損傷の治療を改善するためにも非常に重要になる可能性があります。^{[10] [11]}

一連の会議を経て、国際脳マッピングコンソーシアム（ICBM）が誕生しました。^{[12] [ページが必要]} 最終的な目標は、柔軟な計算脳アトラスを開発することです。

インタラクティブで市民科学的なウェブサイトであるEyewireは、マウスの網膜細胞をマッピングし、2012年に立ち上げられました。2021年には、人間の脳の最も包括的な3DマップがGoogleの研究者によって公開されました。これは、脳の100万分の1のニューロンとその接続、血管、その他の構成要素を示しています。マップのために、1 mm³サイズの断片が約30ナノメートルの厚さの約5,300個の断片にスライスされ、それぞれが電子顕微鏡でスキャンされました。インタラクティブマップには1.4ペタバイトのストレージスペースが必要でした。^{[14] [15]}約2か月後、科学者たちは、100時間以内に新しい方法でスキャンした、サルの脳のニューロンレベルの解像度の最初の完全な3Dマップを作成したと報告しました。マップ全体を圧縮しても1ペタバイト以上のストレージスペースを必要とするため、彼らは3Dマップのほんの一部だけを公開しました。^{[16] [17]}

2021年10月、BRAINイニシアティブ細胞センサスネットワークは、一次運動野の細胞タイプのアトラスとセンサスを含む17の研究でマウス（哺乳類）の脳全体のアトラスを作成する長期プロジェクトの第1フェーズを終了しました。^{[18] [19] [20]}

2024年、76の機関にまたがる287人の研究者からなるチームであるFlyWireが、成体動物（キイロショウジョウバエ）の脳マッピング、つまりコネクトームを完成させ、その結果をNatureに発表した。^[1]これに先立ち、脳が完全に再構築された成体動物は線虫Caenorhabditis elegansだけだったが、このショウジョウバエの脳マップは、関係する研究者の1人であるMurthyによると、初の「複雑な脳の完全なマップ」だという。^{[2]主要なマッピングデータは、}人工知能と市民科学者の支援を受けて電子顕微鏡で収集され、人工知能が犯したエラーを修正した。結果として得られたモデルには、5000万を超えるシナプスを持つ14万を超えるニューロンが含まれていた。^[21]このモデルから、脳が視覚などの機能のためにどのように新しい接続を作成するかを特定し、ニューロン接続マップのセグメントが神経系を含む外部信号とどのように相互作用するかを追跡するためのデジタルツインに相当するものを作成することが研究者によって期待されている。 ^[22]

2021年、動物の脳が生涯を通じてどのように変化するかを示す最初のコネクトームが報告されました。科学者たちは、それぞれ異なる発達段階にある8匹の同質遺伝子C.エレガンス^{の脳全体をマッピングし、比較しました。 [23] [24]}その年の後半、科学者たちは電子顕微鏡とブレインボウイメージングを組み合わせて、初めて哺乳類の神経回路の発達を示しました。彼らは10匹のマウスのCNSと筋肉の間の完全な配線図を報告しました。^[25]

2021年8月、2016年に開始されたMICrONSプログラムの科学者ら^[26]は、機能的コネクトミクスデータセットを公開した。このデータセットには、「マウスが自然な映画やパラメトリック刺激を見ている間に記録された、一次視覚皮質（VISp）と3つの高次視覚野（VISrl、VISal、VISlm）の推定75,000個のニューロンのカルシウムイメージングが含まれています」。^{[27] [28]}このデータに基づいて、科学者らは「立方ミリメートルの体積内で、マウスの一次視覚皮質の6層すべてと3つの高次視覚野（LM、AL、RL）にまたがる解剖学的および機能的データのインタラクティブな視覚化」であるMICrONS Explorerも公開した。^[29]

2022年には、アホロートルの脳の発達と再生に関する初の時空間細胞アトラスであるインタラクティブな時空間トランスクリプトームアトラスによるアホロートル再生終脳の解釈により、アホロートルの脳再生に関する重要な知見が明らかになった。^{[30] [31]}

• タライラック アトラス、1988 年
• ハーバード全脳アトラス、1995年^[32]
• MNI テンプレート、1998 (SPM および国際脳マッピングコンソーシアムの標準テンプレート)
• 発達中の人間の脳の地図帳、2012年^[33]
• 乳児脳アトラス、2023年^[34]

• リタ・カーター (1998)。『心の地図』
• FJ チェン (2006)。脳マッピングと言語
• FJ Chen (2006).脳マッピング研究に焦点を当てる。
• FJ Chen (2006).脳マッピング研究の動向。
• FJ Chen (2006).脳マッピング研究の進歩。
• 平田耕一 (2002)。ヒト脳マッピングの最近の進歩：国際脳電磁トポグラフィー学会第12回世界会議議事録 (ISBET 2001)。
• Konrad Maurer と Thomas Dierks (1991)。脳マッピングのアトラス: 脳波と誘発電位のトポグラフィック マッピング。
• Konrad Maurer (1989)。脳波と誘発電位の局所脳マッピング。
• Arthur W. Toga と John C. Mazziotta (2002)。『脳マッピング：方法』。
• 湯浅達彦、ジェームズ・プリチャード、小川S.（1998）。「機能的脳マッピングの最新進歩：科学と応用」