複雑な脳の研究に新時代到来か？従来よりも約1,000倍の速度で大量の脳組織を高解像度で可視化する方法を開発

・脳組織の広い領域を、驚くべき詳細さで迅速に可視化する新しい技術が開発された。
・膨張顕微鏡法と格子光シート顕微鏡法という2つの新開発技術を利用。
・このデータ集約型アプローチにより、研究者は脳内の特定のタンパク質を追跡することができる。

人間の脳は、おそらく全宇宙で最も複雑な構造です。そのコンパクトなサイズにもかかわらず、800億個以上のニューロン【神経細胞】と、ほぼ同数のその他の細胞が含まれています。これらのニューロンは、それぞれ約7,000個のシナプスを介して、非常に複雑なネットワークでつながっています。

現代神経科学の基礎を築いたのは、スペインの病理学者サンティアゴ・ラモン・イ・カハールで、19世紀後半のことでした。彼は何千枚もの詳細な図解を作成し、ニューロンとそのネットワークの複雑さを明らかにしました。

20世紀になると、ニューロンとその機能についての理解は、ますます正確で分子的なものになっていきました。科学者たちが、活動電位と総称されるイカの巨大な軸索のニューロンにおける電気信号の伝達を理解し始めたのもこの時期です。

今日、私たちは脳組織をかつてないレベルで可視化する技術を手に入れました。ニューロンが他のニューロンと新たな結合を形成する仕組みや、個々のタンパク質がニューロンの構造や機能にどのような影響を及ぼすのかも解明されています。

それでも、最近の進歩にもかかわらず、科学者たちは、多くの時間を費やすことなく、脳全体を驚くほど詳細に構築するのに役立つ、大量の試料の細胞内解像度を達成できていないのです。

このたび、マサチューセッツ工科大学とハーバード大学の研究者たちが、脳組織の広い領域を、既存の手法の1,000倍もの速度で高解像度に可視化できる技術を開発しました。

この新しい技術は、新たに開発された2つの技術、「膨張顕微鏡法」と「格子光シート【格子状に配列した微小な励起点からなる厚さ300ナノメートル以下の非常に薄いシート状の光】顕微鏡法」を利用して構築されました。

この技術は、わずか数日で、マウスの大脳皮質をナノメートルの解像度で画像化できる可能性があります。これにより、科学者は神経ネットワークの超微細な構造を探求し、脳の病気をよりよく理解し、意思決定のためのより良い人工知能を開発することができるかもしれないのです。

どのように機能するのか？

この方法では、組織試料を拡大し、従来の光学顕微鏡で細胞内の詳細を容易に研究できるようにします。これは、小さな試料を膨潤性ゲルに注入することによって行われます。すべての組織分子はゲルの足場にしっかりと固定されるため、膨張しても相対的な3次元位置は変わりません。

膨張後、試料の体積は劇的に増大します。その大きさは、高速・高解像度の顕微鏡で捉えられる大きさになります。この大きさにするために、研究チームは高解像度、高速、かつ、試料全体を画像化する前に光退色（色素の光化学変化）したり損傷したりしない程度に穏やかな顕微鏡を必要としていました。

その解決策となったのが「格子光シート顕微鏡法」です。これは、極薄の光シートを試料に通し、焦点面（顕微鏡の理論上の最もシャープな焦点面を表し、被写界深度に位置する）だけを照射します。

このようにして、組織を傷つけることなく、細胞以下の解像度で試料を撮像することができます。この新技法は、膨大な体積の試料を、（既存の方法と比較して）極めて速いスピードで鮮明な画像を得ることができるのです。

実験

研究チームは、この技術をマウスの脳組織に適用しました。その結果、樹状突起スパイン（通常シナプスで1本の軸索からの信号を受け取るニューロンの樹状突起から突出した小さな膜状の突起）などの複雑な細胞内の詳細が迅速に明らかになりました。

ミバエの脳内のドーパミン作動性ニューロンとシナプス・タンパク質
出典：研究チーム

これはデータ集約型の方法です。例えば、体積20,000,000μm³のミバエの脳全体を可視化するために、研究チームは51,000以上の脳の3次元部分を画像化する必要があり、これは約200テラバイトのデータに相当します。

研究チームは、データを調べ、脳の詳細な洞察を示す没入型クリップを作成するために、いくつかのアルゴリズムを開発しました。そして、1,500本以上の樹状突起スパインを分析し、ミバエの脳全体で約4,000万個のシナプスを数えました。

この技術によって、研究者は脳内の特定のタンパク質を追跡することもできます。さらに、この技術は、他の生物学的システムや、癌などの様々な病気を可視化する可能性を秘めているのです。