オスのショウジョウバエ・コネクトーム、脳と神経索をまたぐ166,691個のニューロンをマッピング
研究者らは、脳、視葉、腹側神経索にまたがる166,691個のニューロンから成るオスのショウジョウバエのコネクトームを公開した。
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Google Research、ハワード・ヒューズ医学研究所（HHMI）のJanelia Research Campus、ならびに国際的な共同研究グループは、成体オスのショウジョウバエの中枢神経系について、シナプス解像度のコネクトームを公開した。この再構築には、中枢脳、両側の視葉、腹側神経索にまたがる166,691個の校正済みニューロンが含まれる。腹側神経索は、脊椎動物の脊髄としばしば比較される昆虫の構造である。
Googleは、校正済みニューロン数で測ると、このリソースは現時点で最大の脳地図だとしている。約1億2,500万個のシナプス結合と、11,691種類の注釈付きニューロン型を報告している。付随する研究は2026年9月3日に*Cell*に掲載され、Google AIは9月9日にこの研究を公に取り上げた。
この成果は、ハエの心をシミュレーションしたものではない。ニューロン、その形状、そして信号が伝わり得る物理的な結合を示す構造地図である。その直接的な価値は、研究者が感覚入力から高次脳領域を経て、運動やその他の身体行動に関連する回路に至る連続的な経路を調べられるようになった点にある。
一、新しいコネクトームに含まれるもの
MaleCNSデータセットは、1匹の成体オス*Drosophila melanogaster*の中枢神経系を再構築している。その範囲には、中枢脳、視覚処理を担う視葉、頸部連絡路、腹側神経索が含まれる。
この連続的なカバー範囲は重要である。従来のコネクトームでは、脳または神経索が別々にマッピングされることが多く、完全な感覚―運動経路を研究する際には、異なる標本やデータセット間でニューロンを対応付ける必要があった。MaleCNSでは、単一標本内で脳と神経索の結合が維持されており、2つの再構築物の人為的な境界を越えることなく回路を追跡できる。
このプロジェクトに先立ち、いくつかの重要な成果があった。2020年の「hemibrain」再構築では、メスのハエの脳の一部について、約25,000個のニューロンと2,100万個の結合がカバーされた。2024年には、FlyWire Consortiumが139,255個のニューロンと5,450万個のシナプスを含む成体メスの完全な脳を公開した。これとは別に、2026年のBrain and Nerve Cordデータセットでは、メスの脳と腹側神経索が統合され、そのリソースでは155,916個の校正済みまたは概ね校正済みのニューロンが報告された。
したがってMaleCNSは、最初の完全なショウジョウバエ脳でも、最初の脳・神経索再構築でもない。その固有の貢献は、完成したオスの中枢神経系、脳地図として公表された中で最多の校正済みニューロン数、そして個々のシナプス解像度で既存のメスのコネクトームと比較可能な参照データである。
「完全」という言葉にも留保が必要である。著者らは、あらゆる生物学的詳細に誤りがないと主張するためではなく、再構築の解剖学的カバー範囲と、追跡可能なニューロンの実質的にすべてを把握していることを表すためにこの語を用いている。標本端部のアーティファクトやセグメンテーション上の問題により、再構築できなかった細胞が少数存在した。
研究では、ニューロピル領域のシナプス前部位の94%とシナプス後部位の42%が、校正済みニューロンに関連付けられたと報告している。検出されたシナプス結合の40.1%では、両側が校正済みニューロンに属していた。これらの率は、先行する大規模コネクトームと同等かそれ以上だが、「完全な配線図」がすべてのシナプスを完全に網羅した目録を意味するわけではないことを明確にしている。
二、AIと人手による校正が地図を生み出した方法
再構築は、高度化された集束イオンビーム走査電子顕微鏡法から始まった。7台の顕微鏡システムが13か月間稼働し、0.082立方ミリメートルの体積を等方的な8ナノメートルの解像度で撮影した。得られたデータセットは約160テラボクセルに及んだ。
計算システムは、顕微鏡画像を整合させ、一貫した3次元ボリュームにまとめた。次にGoogleのflood-filling networksが初期ニューロンセグメンテーションを行った。これらの畳み込みニューラルネットワークは、画像内のある位置から開始し、周辺のどのピクセルが同じ生物学的対象に属するかを予測することで、長く複雑に絡み合った神経突起を計算上分離できるようにする。
アルゴリズムは、可能性の高いシナプス、細胞核、神経伝達物質の特性も検出した。これらの予測により、電子顕微鏡ボリュームは、専門家が検査できるニューロン形状と結合の候補へと変換された。
AIによって手作業の再構築が不要になったわけではない。自動セグメンテーションでは、2つのニューロンを誤って結合したり、1つのニューロンを複数の断片に分割したりすることがあり、そうした誤りは後続の結合性解析すべてを歪め得る。そのため人間の専門家が生成された構造を確認し、セグメンテーションの誤りを修正し、解剖学的および細胞型の注釈を付与した。
論文は、初期セグメンテーションの校正に約44人年の作業が必要だったと推定している。研究者らは、100個を超えるシナプス結合を持つ自動セグメント化断片をすべて確認し、検出された細胞核を追加の把握手段として用いた。ニューロン関連として検出された141,780個の細胞核のうち、98.9%は校正済みニューロンに直接結び付けられた。チームは、残りのほぼすべても断片ベースのレビューを通じてカバーされたと推定している。
この分業こそが、この発表の背後にある主要なAIの成果である。機械学習により、ナノメートルスケールの画像ボリュームを候補となる3次元ニューロンへ変換することが実現可能になった一方、生物学の専門家は構造の検証と、それらが何を表すかの解釈に引き続き責任を負った。したがってこのデータセットは、AI支援による科学的再構築であり、自律的な発見システムや大規模言語モデルの出力ではない。
三、オスとメスの脳をシナプスごとに比較可能に
オスの地図により、オスとメスのショウジョウバエ脳コネクトームをシナプス解像度で包括的に比較することが初めて可能になった。研究者らは、両性間で構造的に類似した7,205種類のニューロン型を対応付け、そのうち114の共有型を性的二型として分類し、262のオス特異的型と69のメス特異的型を特定した。
「性特異的」な型は、一方の性には存在するが、他方の参照コネクトームには直接対応する型がない。「二型」の型は両方に存在するが、形態または結合性が異なる。これらのカテゴリーを合わせると、オスの中枢脳のニューロンの4.8%、メスの中枢脳の2.4%を占める。
目に見えて異なるニューロンの比較的少ない数は、ネットワーク内での影響範囲を過小評価している。この研究は、2つのデータセット間で有意に異なる結合に、オスの脳では約18%、メスの脳では8%のニューロンが関与すると推定している。性特異的ニューロンと二型ニューロンは互いに不釣り合いに多く結合しており、控えめな構造変化がより広い回路に影響し得る集中領域を形成している。
これらの違いは一様には分布していなかった。研究者らは、周辺部の感覚ニューロンと運動ニューロンはオスとメスで概ね類似している一方、性特異的ニューロンと二型ニューロンは高次脳中枢に集中していることを見いだした。一部の回路はスイッチとして機能し、共有された感覚情報を異なる下流経路へ振り分ける。
注釈には、ハエの性分化に関連する転写因子*fruitless*と*doublesex*の発現情報が含まれている。これにより研究者は、遺伝的制御を細胞同一性、回路アーキテクチャ、求愛や攻撃性といった実験で観察された行動に関連付けられる。
コネクトームだけでは、特定の結合が行動を引き起こすことを証明できない。代わりに、実験の探索空間を絞り込む。科学者は候補となるニューロンや経路を特定し、生きたハエで操作し、予測された行動効果が生じるかを検証できる。
四、単なる公開画像ではないオープンな研究リソース
MaleCNS version 1.0は、査読済み論文が9月に発表される前の2026年6月8日にリリースされた。このデータセットはCC BYライセンスで提供され、Neuroglancer、neuPrint、Clio、専用の細胞型エクスプローラーを通じて探索できる。
研究者は、セグメンテーションボリューム、ニューロンスケルトン、注釈、神経伝達物質予測、シナプス位置、パートナーテーブル、完全な結合グラフもダウンロードできる。Janeliaは、プログラムによるアクセスに加え、公開neuPrintインスタンスを支えるダウンロード可能なNeo4jデータベースも提供している。
こうしたアクセス手段により、このコネクトームは構築したグループ以外にも有用になる。視覚を研究する研究室は特定の光受容体の下流にあるニューロンを取得でき、行動研究者は感覚ニューロンと運動出力の間の経路を調べることができ、計算論的神経科学者は撮影と再構築のプロセスを繰り返すことなくネットワーク全体を解析できる。
主論文と同時に公開された3件の関連研究では、このリソースを視覚処理、味覚、社会行動に適用している。そのうち1件は、R1–R6視覚ニューロンからDNg13運動ニューロンへ至る経路をマッピングした。これには、求愛に関わる特殊な視覚領域「love spot」に関連するオス特異的ニューロンが含まれる。別の解析では、体の各所にある感覚ニューロンから、摂食、運動、ホルモン放出、求愛に関連する回路へ至る味覚情報を追跡している。
この地図は、光学顕微鏡画像、遺伝学的ドライバー系統、生理学的記録、先行するコネクトームと対応付け可能な標準化細胞型も提供する。構造的な予測が実験的に有用になるのは、研究者が生きた動物の対応する細胞を特定し、操作できる場合に限られるため、この相互運用性は重要である。
五、この地図が説明することと説明しないこと
コネクトームが記録するのは物理的な配線であり、機能している神経系の完全な状態ではない。瞬間ごとに変化する電気的活動、神経調節、学習、シナプス可塑性、あるいはハエの履歴や内的状態の影響を直接捉えるものではない。したがって、この地図だけでハエの行動を再現したり、個々のニューロンが何を「意味する」かを確立したりすることはできない。
この再構築は、1匹のオスの標本を表している。メスのデータセットとの比較には、真の性関連差、個体間の通常の変異、撮影または再構築手法によって導入された可能性のある差異が含まれる。研究者らは、形態、結合性、既知の遺伝的マーカーを用いて保守的に対応付けを行ったが、集団レベルの変異を測定するには、追加のオスおよびメスのコネクトームが必要となる。
その実用的な貢献は、より限定的で検証可能である。MaleCNSは、感覚情報がどのように運動・行動回路へ到達するかについて仮説を立てるための、共通で検査可能な参照データを神経科学者に提供する。また、AI支援セグメンテーション、大規模電子顕微鏡法、構造化された人手による校正によって、166,000個を超える検証済みニューロンを含む中枢神経系全体の地図を作成できることも示している。
よくある質問
これは最初の完全なショウジョウバエ脳地図ですか？
いいえ。研究者らは2024年に、139,255個のニューロンから成る成体メスの脳のコネクトームを公開した。MaleCNSは、オスのショウジョウバエの中枢神経系全体について完成した最初のコネクトームであり、校正済みニューロン数では最大の脳地図である。
このデータセットにはハエの脊髄が含まれますか？
脳との完全な頸部接続とともに、脊椎動物の脊髄に相当する昆虫の構造である腹側神経索が含まれている。
AIは人の支援なしに神経系をマッピングしたのですか？
いいえ。AIシステムは画像の整合、ニューロンのセグメンテーション、候補シナプスの検出を行ったが、専門家は構造の校正と注釈の追加に推定44人年を費やした。
コネクトームはショウジョウバエの動作するシミュレーションですか？
いいえ。これは構造的な配線図である。行動をシミュレーションするには、さらに神経活動、シナプス動態、感覚入力、筋肉、身体と環境との相互作用のモデルが必要となる。
研究者はデータをダウンロードできますか？
はい。Janeliaは、CC BYライセンスの下で、ダウンロード可能なボリューム、注釈、ニューロンスケルトン、結合性テーブル、シナプスデータ、データベースエクスポートを提供している。
参考ソース
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