SCIENCE 10 May 2024 Vol 384, Issue 6696
A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution (ナノスケールの解像度で再構成された人間の大脳皮質のペタボクセル断片)
Alexander Shapson-Coe # 1 2, Michał Januszewski # 3, Daniel R Berger # 1, Art Pope 4, Yuelong Wu 1, Tim Blakely 5, Richard L Schalek 1, Peter H Li 4, Shuohong Wang 1, Jeremy Maitin-Shepard 4, Neha Karlupia 1, Sven Dorkenwald 4 6 7, Evelina Sjostedt 1, Laramie Leavitt 4, Dongil Lee 1 8, Jakob Troidl 9, Forrest Collman 10, Luke Bailey 1, Angerica Fitzmaurice 1 11, Rohin Kar 1 11, Benjamin Field 1 11, Hank Wu 1 11, Julian Wagner-Carena 1, David Aley 1, Joanna Lau 1, Zudi Lin 9, Donglai Wei 12, Hanspeter Pfister 9, Adi Peleg 1 13, Viren Jain 4, Jeff W Lichtman 1
Jeff W. Lichtmanは、ハーバード大学の分子細胞生物学および脳科学センターの教授である。神経科学の分野の、特に神経回路の構造と機能の解明に貢献している。Lichtman教授の研究は、コネクトミクスと呼ばれる分野で、ニューロン間のシナプス接続を詳細にマッピングすることに焦点を当てている。その研究グループは、高解像度の電子顕微鏡技術を用いて、哺乳類の脳内のニューロン回路の3D再構築を行っている。
日本発のコネクトームを(群馬大学 岩崎広英教授によるJeff Lichtman研究室への留学記)
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01387-9
編集部のまとめ
ヒトの脳を完全に理解するには、まず細胞内レベルでの構造特性を解明することから始まる。科学界に貴重なリソースを提供し、ヒト側頭皮質の構造をより深く理解するために、Shapson-Coeらはヒト側頭皮質1立方ミリメートルの電子顕微鏡による再構築を行った。著者らは、1.4ペタバイトの電子顕微鏡データを作成し、細胞タイプ、血管、シナプスを分類・定量化し、これらのデータを解析するための自由に利用できるツールを開発した。その結果、著者らはヒト側頭皮質のこれまで知られていなかった側面を明らかにすることができた。
Abstract
人間の脳の働きを完全に理解するためには、その構造を高解像度で知る必要がある。ここで紹介するのは、てんかんの病巣にアクセスするために外科手術で取り除かれた、ヒトの側頭皮質の1立方ミリメートルの超微細構造を計算集約的に再構成したものである。この皮質には、約57,000個の細胞、約230ミリメートルの血管、約1億5,000万個のシナプスが含まれ、1.4ペタバイトに相当する。我々の解析によると、グリアはニューロンより2:1で多く、オリゴデンドロサイトが最も一般的な細胞であること、深層の興奮性ニューロンは樹状突起の向きに基づいて分類できること、各ニューロンへの何千もの弱い結合の中に、稀に最大50シナプスの強力な軸索入力が存在することが示された。このリソースを用いたさらなる研究が、人間の脳の謎に貴重な洞察をもたらすかもしれない。
はじめに
ヒトの生命維持に必要な臓器のほとんどは、他の動物と比較して大きな違いはないが、ヒトの脳が果たす機能は、ヒトと地球上の他の生命体とを明らかに区別している。しかし、ヒトの脳機能の根底にあるシナプス回路に関する詳細な知識は不足している。コネクトミクス・イメージング・アプローチは、個々のニューロンとそのシナプス結合のレベルでの結合性を研究するのに十分な大容量・高解像度の神経回路を、数千のニューロンからなるスケールで描画することができるようになった。このようなデータセットを作成することが、このプロジェクトの目標である。
理由
ヒトの神経回路を得るための重要な障壁のひとつは、高品質のヒト脳組織へのアクセスであった。臓器生検は、ヒトの多くの臓器系において貴重な情報を提供してくれるが、脳では腫瘍性腫瘤の検査や切除を除いて生検はほとんど行われないため、正常なヒトの脳構造を調べるには問題が多い。ヒトの細胞から作られた脳オルガノイドを使用する試みもあるが、現在のところ、脳組織の構造に近似していない（例えば、皮質層が存在しない）。直接的なアプローチとしては、大脳皮質の一部が病理学的部位へのアクセスを阻害するために廃棄されるような神経疾患に対する神経外科的介入から得られたヒト標本から、細胞や回路をマッピングすることであろう。われわれは、神経外科手術の副産物であるヒトの脳組織を活用することで、正常な、ひいては障害されたヒトの神経回路を研究できると考えた。
結果
ここでは、大脳皮質全層に及ぶ、体積1 mm3のヒト側頭皮質のサンプルについて述べる。このサンプルは、てんかん患者の海馬病変にアクセスするための手術中に得られた。このサンプルをハイスループット連続切片電子顕微鏡で画像化し、ペタスケールのデータセットを作成した。数千のニューロン、1億以上のシナプス結合、グリア細胞、血管系、ミエリンなど、ヒトの脳質を構成する他のすべての組織要素を再構築した。このデータセットは大規模で精査が不完全であるため、我々はオンラインリソース（https://h01-release.storage.googleapis.com/landing.html）で全データを共有し、解析と校正のためのツールも提供している。われわれは、深層にこれまで認識されていなかった方向性を持つニューロン（図、パネルJ参照）と、サンプル全体のニューロン間の非常に強力で稀なマルチシナプス結合（図、パネルK参照）を発見した。
結論
このサンプルはてんかん患者から得られたものであり、長期的なてんかんやその治療がサンプルのナノメートルスケールの構造に微妙な影響を与えている可能性がある。この研究は、ヒトの脳機能を可視化し、最終的にはその物理的基盤を解明するためのヒト・コネクトミクス・アプローチの実現可能性を証明するものである。すべてのデータと関連ツールに無料でアクセスできるようにすることで、この試みが促進されることが期待される。
ニューロピル（A）とナノメートル分解能でのそのセグメンテーション（B）、同定されたシナプス（C）、興奮性ニューロン（D）、抑制性ニューロン（E）、アストロサイト（F）、オリゴデンドロサイト（G）、ミエリン（H）、血管（I）など。これまで認識されていなかった神経細胞クラス（J）および多シナプス結合（K）も同定された。
〇新しいタイプのニューロン
本研究では、ヒト側頭葉の皮質深層において、以前は認識されていなかった方向性を持つニューロンのクラスを発見した(図6)。このニューロンは「triangular neuron (compass cell コンパス細胞)」とも呼ばれ、6層に位置し、方向性を持つ大きな基底樹状突起を持っている。これらの基底樹状突起は、放射状方向に対して様々な角度で伸びており、前方（正方向）または後方（逆方向）に向かう2つの主要なサブグループに分類される。
- 本ニューロンが存在する層: compass neuron (コンパス細胞)は主に5層5および6層に位置し、6層の深部に多く見られます。
- 形態的特徴: これらのニューロンは大きな基底樹状突起を持ち、その突起の方向は放射状方向に対して約126°の平均角度をもつ。
- 方向性の分布: 基底樹状突起の方向に基づき、前方（セクション5292方向）に向かうものと、後方（セクション0方向）に向かうものに分けられ、それぞれが鏡像対称の形態的特徴を示す。
- クラスター形成: これらのコンパス細胞は、基底樹状突起の方向に基づいてクラスターを形成する傾向がある。同じ方向に基底樹状突起を持つ隣接するニューロンが有意に集まることが観察されました。
- 機能的役割: 基底樹状突起の方向が示す機能的な意義はまだ明確ではありませんが、これらの特徴がニューロン間の特定の接続パターンや信号伝達経路に関与している可能性がある。
この新しいニューロンの発見は、ヒトの脳構造とその機能の複雑さをさらに理解するための重要な一歩となることであろう。また、これらのニューロンが正常な脳機能や神経疾患にどのように寄与しているかを解明するためのさらなる研究が期待される。
(A)1本の大きな樹状突起と1本の大きな樹状突起を持つニューロンの位置。色は図4Aと同様、細胞体サイズを表す。(B) 三角ニューロンの基底樹状突起の方向の分布（方向は半径方向と基底樹状突起の方向の間の角度）。(C)頂端樹状突起がzスタックの前方（マゼンタ）または逆方向（薄緑）を向いているニューロンの側面図。(D) 基底樹状突起が反対方向を向いている2つの三角形ニューロンの例。これら2つのサブグループの鏡面対称性を示す。(E) 基底樹状突起の半径方向の角度のヒストグラム。(F) (B)と(E)のデータの極座標プロット。このような樹状突起の角度は、樹状突起の半径方向における角度のヒストグラムとなる。(G)この図における方向の色分けについての説明。(HからJ）2つのサブグループのメンバー間の解剖学的クラスタリング。(K)実際のデータ（左）と樹状突起の方向をシャッフルしたコントロール（右）において、各セルの基底樹状突起の方向を最近接と比較した棒グラフ。
Discussion
ヒトの脳サンプルの研究には特別な課題がある。死後しばらくして固定された組織は、シナプスを同定するのに十分な品質であるが(60)、細胞質を含まない膜状の構造が観察されることがあり、これは急速に保存されたサンプルでは見られない。幸い、神経細胞、グリア、およびそれらの小器官の可視化という点で、H01脳サンプルの組織学的品質は、過去に使用されたげっ歯類灌流心臓サンプルと同等であった（23, 25, 55）。膜切断がほとんどなかったため、データは手作業でも機械学習でも再構成できた。このことは、新鮮な組織を固定液に迅速に浸漬することは、灌流に代わる実行可能な方法であり、今後ヒトのコネクトミクス研究において特に有用であることを強く示唆している(61)。さらに問題なのは、健康な人の新鮮なサンプルが、このような神経外科的ルートで入手できる可能性が低いことである。この患者の側頭葉は、神経病理学的報告にあるように、光学顕微鏡による実質的な病理学的変化を示さなかったが、長期てんかん、あるいは薬理学的薬剤による治療が、皮質組織の結合性や構造に何らかの微妙な影響を及ぼしている可能性はある。この組織には、非常に大きな棘、異常な物質で満たされた軸索瘤、広範な渦巻きを形成した少数の軸索など、奇妙なものがいくつか確認された（図S2）。現在のところ、これらが病理学的過程から生じたものなのか、単にまれなものなのかは判断できない。異なる基礎疾患を持つ個体から得られたサンプルを比較することで、ここで見られた現象についてよりよく理解することができるだろう。
連合野からヒトの脳組織を研究する際のもう一つの課題は、その回路が少なくとも部分的には経験の結果として確立されている可能性が高いことである。ヒト大脳皮質の被験者間変異を記述したアトラスは、ミクロスケールとマクロスケールでは存在するが（62）、ナノメートルスケールでのヒトのデータセットがないため、ヒト大脳皮質微小回路の被験者間変異は現在のところ不明である。同一のゲノムを持つ線虫の個体間では、接続の大部分は定型化されていたものの、ニューロン間の接続の40％は個体間で異なっていた(19)。ヒトの経験、行動、遺伝にははるかに大きなばらつきがあり、またヒトや他の脊椎動物は、個々に識別されたニューロン・タイプではなく、識別されたニューロン・クラス（63）のプールを持っているという事実を考えると、ヒトの脳間で神経回路を比較することは、より難しいかもしれない。この挑戦は、学習された情報の物理的なインスタンス化を明らかにする機会にもなる。たとえ回路がその特殊性において異なっていたとしても、「エングラム」（64, 65）という将来の分野で十分なデータを調べることで、記憶のメタロジックが見つかる可能性がある。
間違いなく、神経回路の結合データの意味を解明するアプローチは黎明期にあるが、このペタスケールのデータセットはその手始めである。
