スペインの神経解剖学者であるサンティアゴ・ラモン・イ・カハールは、人間が歩き、話し、考え、人間であるために、ニューロン（神経細胞）がどのような活動をしているかを明らかにして、1906年にノーベル賞に輝いた。それから100年以上が経過したが、現代の神経科学はニューロンの種類を区別するところから、それほど進んでいない。顕微鏡の進歩はあったものの、脳細胞はいまだに、どのように見えるか、どのように発火するか、という2つの労働集約的な特徴だけで定義されている。

それが理由で世界中の神経科学者は、ニューロンを特徴づけるために、より微妙な違いを示すことができる新しい方法に飛びつくのである。例えばシークエンシング技術がそうで、この技術によって同じDNAをもつ細胞で遺伝子のスイッチをオン／オフにするメカニズムが明らかになった。そして、新しい方法によって、脳はラモン・イ・カハールの想像をはるかに超えて、ノードが密に存在し、エネルギーが枝分かれしている複雑な森であることがわかり始めてきた。

花びらの落ちたバラのようなニューロン

国際研究チーム（アレン脳科学研究所のエド・レインのチームと、ハンガリーのセゲド大学のガボール・タマシュ研究室）は8月27日に、新種のニューロンを世界に紹介した。これは現時点では、人間の脳にしか存在しないと考えられている。

束になってふくれた細胞から軸索という神経繊維が長く伸びる様子は、研究者に花びらの落ちたバラを連想させた。このため「ローズヒップ・ニューロン」と名づけられた。専門誌『Nature Neuroscience』の記事によると、この新種のニューロンは脳の1つの領域から別の領域へと情報が流れるのを制御するという目的に、その特殊な形状を使っていると推測されている。

「それらは本当にシステムのブレーキ役のように振る舞います」と、アレン脳科学研究所の研究者で今回の研究論文を執筆したひとり、エド・レインは言う。アレン研究所は野心的な脳マッピングのプロジェクトをいくつも進めている。

ニューロンは基本的特色で2つに分けられる。ひとつは興奮性ニューロンで、情報を隣の細胞に伝える役目を果たす。もうひとつは抑制性ニューロンで、興奮性ニューロンが発火するのをゆっくりにするか、やめさせる働きをする。ローズヒップ・ニューロンは後者で、その生理機能を見ると極めて強力な「流れを止めるもの」であると思われる。

ローズヒップ・ニューロン（上）がピラミッド型の細胞（下）と結合している顕微鏡画像。PHOTOGRAPH COURTESY OF TAMAS LAB/UNIVERSITY OF SZEGED

連係プレーから生まれた発見

この発見はチームの努力のたまものだった。レインの研究チームは、寄付された2人の人間の脳から凍結組織を入手し、そこからニューロン核を分離して、1つずつウェルプレートに載せた。そして、それぞれのニューロン核のなかにあるRNAの配列を決定していった。DNAをクルマの設計図だとすれば、RNAは部品リストになる。

クラスタリング・アルゴリズムを使って、研究チームはユニークな遺伝子発現パターンを複数特定し、それにマッチする16種類の細胞の型を見つけた。抑制性ニューロンが11種類、興奮性ニューロンが1種類、ニューロン以外の細胞が4種類だ。

レインのチームがニューロン核を96個に分かれたウェルプレートに置いているときに、研究パートナーであるハンガリーのセゲド大学のガボール・タマシュ研究室は、脳外科手術を受けた患者からもらった生きた脳の組織サンプルを分析していた。こちらは従来からある手法を使い、特別な染料で細胞を分類し、各細胞がさまざまな電気刺激にどのように反応するかを記録していった。

タマシュのチームはそのなかに、ほかの多くのニューロンと結合しているグループを発見した。その分子マーカーが、レインの細胞の型の1つと完璧に近く一致したのだ。マウスの脳に分子プロファイルの似た細胞はないか探してみたが、なかった。マウスにはなく、人間の脳にあるニューロンが発見されたのだ。

「まだほかの種は調べていないので、これが（人間固有の）まったく新しい細胞の型かどうかは言えません」とレインは語る。「ですが、人間の脳はマウスを大きくしたものだという推定は慎重に検討したほうがいいと、今回の発見は語っています」

細胞の“百科事典”をつくる試み

生きた人間の脳の組織を入手するのはとても難しいため、電気生理学やニューロンの接続状態を調べる研究のほとんどでは、マウスが使われる。だが、今回の研究のようなトランスクリプトミクス的アプローチ［編注：1つの生物において転写されているすべての転写産物を意味するトランスクリプトームを扱う学問がトランスクリプトミクス。ゲノム情報を利用して、1つの生物や細胞に含まれるすべての転写産物について体系的に発現動態などを解析する］は凍結組織を使うことができる。それなら世界中のバイオバンクにたくさん保存されているのだ。

「これから5年、10年ほどの間に、トランスクリプトミクス法が大いに前進していくことになります。なぜなら、既存のアプローチよりも処理できる量がはるかに多いからです」と、リチャード・シェイエルマンは言う。彼はクレイグ・J・ヴェンター研究所の所長で、カリフォルニア大学サンディエゴ校で免疫学を教えている。「ですから、わたしたちは細胞が表現する部品リストに基づいてアトラスを完成させ、それから情報をリンクさせることで細胞の機能を詳しく学べるようになるでしょう」

シェイエルマンは「細胞オントロジー」と呼ばれるものを最初に計画した研究者の1人だ。これは科学者がさまざまな種類の細胞をどのように表現しているかを照合する作業である［編注：オントロジーとは、対象世界にかかわる諸概念を整理して体系づけ、コンピューターにも理解可能な形式で明示的に記述したもの］。

単に細胞の特徴を集めたものではなく、細胞同士の時間、空間、機能的関係も語っている。現在の科学者は、遺伝子発現のスイッチのオン／オフで細胞を特徴づけられるようになったので、シェイエルマンは新しい時代のために細胞の“百科事典”をつくろうとしているのだ。

ザッカーバーグ夫妻の団体も研究を支援

それは神経科学を超えた動きになっている。2016年10月に世界中の科学者数百人が団結して、「ヒト細胞アトラス」という大型プロジェクトに着手し始めた。人体のすべての細胞のトランスクリプトミクスデータを集めて、細胞がどのように組織になるのか、細胞同士がどのようにして会話をするのか、細胞がどのように老化するのか、どうしてうまく機能しなくなるのか、といったことを理解するのが目的だ。

フェイスブックのマーク・ザッカーバーグ夫妻が設立した慈善団体のチャン・ザッカーバーグ・イニシアチヴは、このプロジェクトに最初に出資した組織のひとつである。シェイエルマンはこの慈善団体から、細胞の種類を決めるために使われるマーカー遺伝子を特定するためのソフトウェアをつくる補助金を勝ち取っている。それは遺伝子情報をほかのデータとともに、コンピュータが解読できる分類体系に自動的に翻訳するツールだ。

レインの脳細胞データは、そのツールの最初のテストケースで、今年の3月に専門誌『Human Molecular Genethics（ヒト分子遺伝学）』に2本の論文が掲載された。この研究は始まった1ばかりだ。

『Nature』誌にはすでに別の論文が載っていて、そこではその研究チームのトランスクリプトーム単独で75個もの細胞の型を定義している。細胞の型がどれだけあるのかについては、神経科学者の間で意見が分かれる。だが、おそらく数千から数万種類の間だろう。

100年以上前に「神経科学」の分野の意味を明確にしたのはラモン・イ・カハールだった。だが現在、その意味を明確にしているのは、ニューロンの助けを借りたアルゴリズムなのだ。