コネクトーム

マクロスケール（ミリメートル解像度）のコネクトームは、解剖学的に区別できるモジュール（領域、区画、またはノード）に分割できる大きな脳システムを捉えようとします。各モジュールは、それぞれ異なる接続パターンを持っています。メソスケールおよびマクロスケールのコネクトームデータベースは、細胞解像度のものよりもはるかにコンパクトになる可能性がありますが、神経ボリュームをネットワークノードに正確に解剖学的または機能的に分割するための効果的な戦略が必要です。^{[ 7 ]}

軸索追跡などの確立された脳研究手法は、コネクトームデータセット構築のための初期の道筋を提供しました。しかし、近年では、拡散強調磁気共鳴画像法（DW-MRI）や機能的磁気共鳴画像法（fMRI）といった非侵襲的な画像技術を用いることで、生体における研究が大きく進歩しました。前者はトラクトグラフィーと組み合わせることで、脳内の主要な線維束を再構築できます。後者は、研究者が脳のネットワーク活動（安静時または特定の課題遂行時）を捉えることを可能にし、機能的に接続された構造的・解剖学的に異なる脳領域を特定できるようにします。

特に、 WU-Minnコンソーシアムが主導するヒューマン・コネクトーム・プロジェクトの目標は、複数の画像技術と解像度を組み合わせて、健康な人間の脳の構造的および機能的な地図をマクロスケールで構築することであった。

接続性マッピングの初期試み

2000年代を通じて、複数の研究者がヒト大脳皮質の大規模な構造アーキテクチャをマッピングしようと試みてきた。ある試みでは、個人間の皮質厚または体積の相互相関を利用した。 ^{[ 8 ]}このような灰白質厚の相関は、構造的接続の存在を示す指標として想定されてきた。このアプローチの欠点は、皮質接続パターンについて非常に間接的な情報しか得られず、被験者グループ全体で単一の接続データセットを導出するために多数の個人からのデータが必要となることである。他の研究者は、DW-MRI画像データから全脳接続マトリックスを構築しようと試みてきた。

ブルーブレインプロジェクトは、原子レベルの刃先まで研ぎ澄まされたダイヤモンドナイフと電子顕微鏡を用いて組織切片を画像化し、マウスのコネクトーム全体を再構築しようと試みた。その結果、2018年に脳の737領域における主要な細胞の種類、数、位置に関する情報を提供するアトラスが完成した。^{[ 9 ]}

神経細胞はシナプスやギャップ結合を介して隣接する細胞と通信するだけでなく、組織内を拡散して遠く離れた細胞の受容体を活性化する化学物質（通常は神経ペプチド）を介して遠隔の細胞とも通信します。このような神経調節物質は数百種類あり、個々の神経細胞はそのうちのごく少数を放出し、またそれらに反応します。これらの相互作用を記述するグラフは、コネクトームの別の形態です。最大規模（そして2025年現在唯一の）化学コネクトームが完全に解明されている動物はC. elegansであるが^{[ 16 ]} 、他の動物でも予備的な研究が行われている^{[ 17 ] [ 18 ] 。}

「マイクロスケール」（マイクロメートル解像度）でコネクトームをマッピングするということは、ニューロンごとに神経系の完全なマップを作成することを意味します。これは、線虫やハエなどの小さな動物では（かろうじて）可能ですが（例えば、ショウジョウバエのコネクトームを参照）、より複雑な生物でこれを行うことの難しさは明らかです。脳を構成するニューロンの数は簡単に数十億に達します。人間の大脳皮質だけでも、 ^{10¹⁴個の}シナプス結合で結ばれた約9×10¹⁰^個のニューロンが含まれています。^{[ 19 ]}比較すると、ヒトゲノムの塩基対数は3× ^{10⁹です。今日、マイクロスケールでヒトのコネクトームを構築する主な課題のいくつかには、現在の技術ではデータ収集に数年かかること、データを注釈するためのマシンビジョンツールはまだ初期段階にあり不十分であること、そして結果として得られる}脳グラフの分析のための理論やアルゴリズムがすぐに利用できないことなどが挙げられます。データ収集の問題に対処するため、いくつかのグループがハイスループットのシリアル電子顕微鏡を構築している。^{[ 20 ] [ 21 ]}マシンビジョンと画像処理の問題に対処するため、Open Connectome Project ^{[ 22 ]}はこの障害をアルゴリズムアウトソーシング（alg-sourcing ）している。最後に、統計的グラフ理論は、これらの脳グラフを解析するための高度なパターン認識および推論ツールを開発している新興分野である。

現在の非侵襲的イメージング技術では、光学的に透明な小型動物（ダニオネラやゼブラフィッシュの幼生など）を除いて、ニューロンごとのレベルで脳の活動を捉えることはできません。大型脊椎動物の細胞レベルでのコネクトームのマッピングには、現在、死後（死亡後）の脳組織の限られた部分の顕微鏡分析が必要です。ハイスループットDNAシーケンスに依存する非光学的技術は、アンソニー・ザドール（CSHL）によって提案されています。^{[ 23 ]}

従来の組織学的回路マッピング手法はイメージングに依存しており、細胞染色のための光学顕微鏡技術、経路追跡のための標識剤の注入、または電子顕微鏡（EM）による連続切片組織ブロックの化学的脳保存、染色、再構築などが含まれます。これらの古典的な手法はそれぞれ、コネクトミクスへの応用において特有の欠点があります。細胞プロセスと接続性を追跡するための単一細胞の染色（例えばゴルジ染色）は、光学顕微鏡の解像度の限界と長距離投射の捕捉の難しさに悩まされます。脳全体にわたる長距離経路を検出するための神経解剖学の「ゴールドスタンダード」とよく言われる経路追跡は、一般的にかなり大きな細胞集団と単一の軸索経路の追跡しかできません。EM再構築はC. elegansのコネクトームの構築に成功裏に使用され^{[ 24 ]}、最近（2025年現在））は、時間、資金、人員を相当投入して、ショウジョウバエの神経系全体にまで拡張されてきた。^{[ 25 ] [ 26 ]} しかし、神経系全体のより大きな組織ブロックへの応用では、従来、より長い距離にわたる投射が困難であった。

2011 年 3 月、学術誌Natureはマイクロコネクトームに関する 2 つの論文を発表しました。Bock ら^{[ 27 ]}と Briggman ら^{[ 28 ]}です。どちらの論文でも、著者らはまず少数の細胞の機能特性を特徴付け、次にそれらの細胞から発せられるプロセスのサブセットを手動でトレースして部分的なサブグラフを取得しました。オープンサイエンスの原則に沿って、Bock ら (2011) の著者らはデータを公開しました。Bock らによる 12 テラバイトのフル解像度データセットはNeuroDataで入手可能です。^{[ 22 ]}また、数百の細胞間の機能的相互作用の重要なトポロジーも徐々に明らかにされる予定です。^{[ 29 ]}

2016年、米国政府の情報機関先端研究プロジェクト活動（IARPA）は、 BRAINイニシアチブの一環として、げっ歯類の視覚皮質の1立方ミリメートルをマッピングする5年間の複数機関によるプロジェクトであるMICrONSを開始しました。^{[ 30 ] [ 31 ]}生物組織のごく少量ではありますが、このプロジェクトは現在存在する中で最大規模のマイクロスケールコネクトミクスデータセットの1つを生み出すでしょう。

ヒトコネクトームプロジェクト（HCP）は、ヒトの脳機能の根底にある神経経路をマッピングするために、 2009 年に米国国立衛生研究所（NIH）によって開始されたイニシアチブです。 ^{[ 55 ]}目標は、ヒトの脳内の構造的および機能的な接続に関する情報を取得して配布し、コネクトミクスの領域における解像度と実用性を高めるために、画像化および分析方法を改善することでした。^{[ 55 ]}研究者は、個人内および個人間の配線パターンを理解することで、私たちの思考、感情、行動を生み出す電気信号を解明することを期待しています。コネクトームイニシアチブ内の他のプログラム、例えばライフスパンコネクトームや疾患コネクトームなどは、異なる年齢層間の脳の接続をマッピングし、特定の臨床診断を受けた個人のコネクトームの変動を研究することに焦点を当てています。^{[ 55 ]}コネクトーム調整施設は、HCP データの中央リポジトリとして機能し、研究者を支援します。^{[ 55 ]}このプロジェクトの成功により、コネクトミクスが神経科学の他の分野にどのように影響を与える可能性があるかを理解するための道が開かれました。最近、「コネクトームII」プロジェクトの可能性が言及されており、これは複数の被験者を含むハイスループット研究用に設計されたスキャナーの開発に焦点を当てるものです。^{[ 56 ]}このプロジェクトは、構造的接続性の画像化における空間解像度を高めるために、最近の視覚化技術の進歩を活用することを目指しています。^{[ 56 ]}この分野の進歩には、スキャナーによって収集された神経画像情報を補完する、さまざまな種類の行動データを取得するためにウェアラブルモバイル技術を組み込むことも含まれる可能性があります。^{[ 56 ]}

線虫 Caenorhabditis elegans は、一般的にC. elegansと呼ばれ mm未満の小型の線虫（または回虫）です。神経系は非常に小さく、ニューロン数は 302 個、シナプス結合数は約 5000 個です（例えば、人間の脳には 1000 億個のニューロンと 100 兆個以上のシナプスがあります）。 ^{[ 57 ]} シナプス結合ネットワークが完全に再構築された最初の動物であり、 ^{[ 58 ]} 2025 年現在既知の化学的（神経ペプチド）コネクトームを持つ唯一の動物である。^{[ 16 ]}

C. elegans のコネクトームの再構築は、1986 年に White、Brenner らによって発表された電子顕微鏡写真の手動注釈から始まった。^{[ 24 ]}この先駆的な研究に基づいて、 C. elegansの最初のコネクトーム (当時は著者らによって「神経回路データベース」と呼ばれていた) が、1992 年に Achacoso と Yamamoto によってフロッピー ディスク付きの書籍として出版された。^{[ 59 ] [ 60 ]}そのコネクトームのコンピュータ表現に関する最初の論文は、3 年前の 1989 年に Achacoso によって医療におけるコンピュータ応用シンポジウム (SCAMC) で発表された。^{[ 61 ]} C. elegans のコネクトームは後に改訂された。^{[ 62 ] [ 63 ]}

C. elegansの神経系の小ささにより、より大きな生物では困難または非現実的な研究が可能になりました。これには、動物の発生中の変化^{[ 64 ] [ 65 ]}、不変の細胞系統にもかかわらずシナプスと接続の両方のレベルでの個体間の変動[ 66 ] 、および発生と老化中の変化^{[ 67 ]}が含まれます。 研究者らは、年齢による最大の変化は配線回路であり、脳領域間および脳領域内の接続性は年齢とともに増加することを見出しました [ 67 ]。^{他の研究では、} コネクトームを行動、環境影響、およびその他の利用可能な情報と組み合わせて、神経解剖学と行動の関連性を研究し^{[ 68 ]} 、利用可能になったら他の動物のコネクトームと比較することを提案しまし^{た[ 67 ] 。}

完全なコネクトームを持つ他の2つの小型動物は、ホヤCiona intestinalisの幼生^{[ 69 ]} （177個のCNSニューロン、1772個の神経筋接合部と1206個のギャップ接合部を含む6618個のシナプス）とPlatynereis dumerilii（2728個のニューロン、25,509個のシナプス）である^{[ 70 ] 。}

ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）は、神経系の構造と動作を研究するための魅力的なモデル生物です。その中枢神経系（CNS）は非常にコンパクトで、幼虫では約3,000個のニューロン、成虫では約200,000個のニューロンを収容しており、個体間で神経結合がかなり定型化されています。^{[ 71 ]}このCNSは小さいながらも、複雑でよく研究されている幅広い行動を支えており、CNSに関する実験を可能にする遺伝子ツールも多数存在します。ショウジョウバエのCNSの解剖学的データセットを取得することは、他の生物の神経系に関する洞察を提供する可能性のある重要なステップとなるでしょう。過去10年間、主に電子顕微鏡データ収集と画像処理の技術進歩により、ショウジョウバエの成虫と幼虫の形態で、シナプス規模のコネクトームデータセットが複数作成されています。

ショウジョウバエのコネクトミクスは、1991年にラミナの回路の記述から始まった。^{[ 72 ]} しかし、使用された方法は主に手動であり、さらなる進歩はより自動化された技術を待つ必要があった。2011年には、ハエの脳全体について、脳の区画と相互接続するニューロンの経路のレベルでの高レベルのコネクトームが発表され、^{[ 73 ]}オンラインで入手可能である。^{[ 74 ]} デジタル画像処理などの新しい技術が、詳細な神経再構築に適用され始めた。^{[ 75 ]}その後すぐに、ショウジョウバエの視覚系にある髄質 の柱、^{[ 76 ]}またキノコ体のアルファ葉^{[ 77 ]}など、より大きな領域の再構築が続いた。2020年には、ショウジョウバエ の中枢脳の半分の高密度コネクトームが、このデータのクエリと探索を可能にするウェブサイトとともに公開された。 ^{[ 78 ] [ 79 ]}半脳コネクトームの再構築と初期解析に使用された方法は以下のとおりです。^{[ 80 ]} 2023年から2024年にかけて、VNCを除いた成体雌D. melanogasterの中枢脳にある139,255個のニューロンのコネクトームが取得、再構築され、公開されました。^{[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]}

現在、成虫のハエの腹側神経索（VNC）の公開データセットが2つあります。雌成虫神経索（FANC）は、ハーバード大学医学部のWei-Chung Allen Lee研究室がハイスループットssTEMを使用して収集しました。^{[ 84 ]}さらに2024年に再構築されました。 ^{[ 85 ]}雄成虫神経索（MANC）はその後すぐに再構築されました。^{[ 86 ]} さらに、 1齢幼虫の完全な中枢神経系（脳とVNCが接続）のコネクトームが、3016個のニューロンの単一データセットとして再構築されています。^{[ 87 ] [ 88 ] [ 89 ]}

進歩はまだ続いており、2025年現在、2つのチームが、雄と雌のハエの両方で脳とVNCの両方を含む完全な成体CNSコネクトームを報告している。^{[ 25 ] [ 26 ]}

マウス網膜^{[ 28 ]}およびマウス一次視覚野^{[ 27 ]}の部分的なコネクトームが利用可能である。哺乳類回路（脳全体ではない）の最初の完全なコネクトームは2021年に構築された。この構築には、出生から成体までの中枢神経系と単一の筋肉間のすべての接続の発達が含まれていた。^{[ 90 ]}

MouseLightと呼ばれるオンラインデータベースは、マウスの脳のサブミクロン解像度画像の集合データベースに基づいて、マウスの脳にマッピングされた 1000 を超えるニューロンを表示します。このプラットフォームは、単一細胞投影に基づいて、視床、海馬、大脳皮質、および視床下部を示します。^{[ 91 ]}このマウスの脳を作成するためのイメージング技術では、シナプスを詳細に見ることはできませんが、多くのシナプスを含む軸索の分岐を表示できます。^{[ 92 ]}マウスのコネクトームを研究する上での制限要因は、人間の場合と同様に、マウスの脳のすべての細胞タイプをラベル付けすることの複雑さです。これは 10 万以上のニューロンを再構築する必要があるプロセスであり、イメージング技術はまだそれを実行できるほど進歩していません。^{[ 92 ]}

マウス脳全体に超微細構造回路マッピングを拡張するために必要な技術の一部は研究中である。^{[ 93 ]}しかし、マウスの脳は、 2025年時点で再構築された最大のショウジョウバエの脳の約1万倍の大きさである。したがって、マウスのコネクトームには、接続性マッピングにおける非自明な進歩が必要となるだろう。^{[ 94 ]}