逐個調查腦神經細胞的連接情況，製作神經廻路詳細地圖「連接組」的研究正在穩步推進之中。英美的研究團隊花了十多年時間完成了果蠅幼蟲大腦的完整迴路圖，並於3月發表了里程碑式的論文。該研究成果不僅可以成爲闡明思考和感情等腦功能和疾病的基礎，也有助於開發出新原理的人工智慧（AI）和電腦。
研究人員確定了果蠅幼蟲大腦全部神經細胞的連接狀況，並製作出了立體圖（供圖：劍橋大學、約翰斯·霍普金斯大學）
紅、藍、黃、綠、紫色球束成多束，從裏面延伸出來的繩子互相纏繞在一起。這就是果蠅幼蟲大腦連接組的形象寫照。英國劍橋大學和美國約翰斯•霍普金斯大學等組成的國際團隊於3月在美國科學雜誌科學上發表了這一成果。帶繩子的球代表一個個神經細胞。研究團隊將所有神經細胞按種類分別著色，以三維的形式重現出了神經細胞的連接方法。
果蠅幼蟲的大腦比罌粟籽要小，卻有3016個神經細胞。神經細胞之間互相連接的「突觸」達到54.8萬個。
研究團隊用奈米級解析度的電子顯微鏡拍攝了數千張大腦的截面影像（奈米爲10億分之一米），透過人工操作將影像中的神經細胞和突觸一一確定出來，並將神經細胞的連接方法彙總成立體圖，還用自己開發的電腦程式調查了神經廻路的特徵。
迄今爲止，連接組的製作僅限於神經細胞數量爲數百個的線蟲等。蒼蠅幼蟲的大腦更加複雜，德國科隆大學的伊藤啓教授稱讚道：「這是匹敵於解讀出人類基因體的成果。」伊藤教授參加了由美國霍華德•休斯醫學研究所主導的另一個研究專案，在2020年發表了比幼蟲尺寸更大的果蠅成蟲大腦的部分連接組資訊。
在英美團隊的幼蟲連接組中，還明確了向大腦輸入資訊的感覺神經和輸出資訊的運動神經之間的聯繫方式，從輸入到輸出經過幾個神經細胞和突觸等，各種解析都有了可行性。伊藤教授說：「這一點就像，有了正確的路綫圖才能有電車轉乘指南一樣。」在大腦的神經廻路中也存在最短路徑和多個迂迴路徑，各種長度的路徑連接組成資訊的輸入和輸出。
研究團隊還發現了與最先進的AI原理相似的快捷方式和循環等結構。研究團隊期待透過分析連接組和AI的共同點和不同點，闡明大腦的計算原理以及對AI進行改造。劍橋大學教授馬塔•茲拉蒂奇說：「神經廻路的構造會影響大腦進行的計算。今後，我們將從機械方面去了解大腦的作用機制。」
在蒼蠅幼蟲中，大腦也承擔着學習和行為選擇等各種功能，研究意義重大。現在討論人的大腦整體連接組的製作還爲時過早，但最終會在小鼠等身上實施。腦科學的新時代即將開始。
對開發AI也有新啓發
大腦的神經廻路最初在細胞水平上完全獲得闡明的是線蟲。在對線蟲的研究中，後來獲得諾貝爾獎的悉尼•布萊納博士等人於1986年發表論文。當時的技術需要大量的勞動，但還是製作出了約300個神經細胞的完整地圖。
在2000年代後半期，神經廻路地圖被稱爲「連接組」，2010年代以後，正式開始了以人爲物件的連接組研究。但是人的大腦中大約有1000億個神經細胞，製作完整地圖是極其困難的。當前地圖使用的是使用磁共振造影設備（MRI）的影像，解析度僅保持在毫米級。
在對果蠅連接組研究的推進程序中，AI和虛擬實境（VR）等最新技術的貢獻也很大。在伊藤教授等人的專案中，美國谷歌公司開發出了腦影像處理技術。透過影像確定神經細胞和突觸的工作中應用了VR，比在電腦畫面上的工作效率更高。
用於AI的「神經網路」原本是將大腦神經廻路簡化而成的。解析蒼蠅等神經廻路很有可能會給AI研究帶來新的構思。培養出的神經細胞的活動也有可能會關係到用於計算的「生物電腦」等的隊形變換。
日文：越川智瑛、《日經產業新聞》、2023/3/24
中文：JST客觀日本編輯部
