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大阪大学 大学院基礎工学研究科 特任助教(常勤)
堀部 和也(ほりべ かずや)
TEL：06-6850-6360 FAX: 06-6850-6360
E-mail: horibe＊irl.sys.es.osaka-u.ac.jp
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研究成果のポイント
- 脳内を复雑に情报伝达する长距离の神経ネットワークについて、その配线の仕组みを数学とデータ解析から提案
- ヒトの脳において、长距离の情报伝达ネットワークが何を頼りにして配线されるかは解明されていなかった。今回、数学を駆使して、脳の表面を通る最短経路に沿って长距离の神経ネットワークが配线されることを予测
- ヒトの胎児での长距离の神経线维の発达を探る手掛かりになることが期待される
- さらに、神経が脳内でどのように长距离に配线され、知能を実现するのかという问いにも挑戦する糸口になることが期待される
概要
大阪大学大学院基础工学研究科の堀部和也特任助教(常勤)(研究当时：理学研究科大学院生)、东京大学大学院教育学研究科の多贺厳太郎教授、広岛大学大学院统合生命科学研究科の藤本仰一教授(大阪大学大学院理学研究科招へい教授)らの共同研究グループは、「脳内を长距离に配线する神経ネットワークは胎児期の脳表面を通る最短経路に沿って発达する」という理论を提案しました。
図１でこぼこな曲面と脳の表面上の最短経路(白线)
平面では异なる2点をまっすぐ结ぶ线が最短経路となりますが、でこぼこな曲面では最短経路がどこを通るかは曲面の形によって决まります。脳の表面もでこぼこのある曲面と考えることができ、最短経路を数学から求めることができます。
脳内の神経细胞は、细长い线维を伸ばして互いに繋がるネットワークを作っていますが、その配线は一见すると极めて复雑です。主な神経ネットワーク※1は、特定の位置から、决まった方向を通って离れた特定の位置へ、脳全体にわたり长距离に配线することで情报を伝达し、论理的思考、注意や言语など多様で高度な知能を生み出しています。长距离の神経ネットワークは胎児期に活発に形成されることは明らかになってきましたが、ネットワークの配线规则、すなわち、「神経は何を手がかりにして长距离に配线されるのか？」は未だほとんど不明なままでした。
今回、本研究グループは、长距离の神経ネットワークが形成される胎児期に注目し、脳表面にある沟などでこぼこのある曲面の上を通るあらゆる最短経路を计算しました(図1)。その结果、最短経路はある脳の特定の位置で特定の方向へよく通过し、长距离の神経ネットワークが形成される位置や方向と対応することを明らかにしました。この结果から「长距离の神経ネットワークが脳表面の最短経路に沿って配线される」という、脳の形(几何学)に基づく神経ネットワークの长距离の配线规则が示唆されました。脳表面の形は神経ネットワークに比べて计测しやすいことから、今まで神経ネットワークが未成熟なため、计测が困难であったヒトの胎児での长距离の神経线维の発达を探る手がかりになることが期待されます。さらには、チンパンジーといった霊长类の脳表面データを解析することで、言语などヒト特有の知能を実现する神経线维の长距离ネットワークが进化を通じてどのように获得されたかを明らかにすることが期待されます。
本研究は、2023年7月24日(月)午前9時(日本時間)に科学雑誌『Cerebral Cortex』オンライン版に掲載されました。
研究の背景
长距离の神経ネットワークは、脳の特定の位置から决まった场所と方向を通过して、特定の位置へと繋ぐことで様々な情报伝达を行い、高度な脳机能を実现しています。これら长距离神経ネットワークは、论理的思考や言语などに重要であり、ヒトだけに太く强固な接続があります。长距离の神経ネットワークは、脳表层(皮质)近くの组织に、胎児のごく初期から作り始められますが、何を手がかりとして远く离れた位置同士を配线するかはほとんど不明なままでした。
研究の手法と成果
道路交通网や电力输送网やインターネットなど、长距离のネットワークを作る场合には、配线する场所の地形に応じて、配线の材料(ケーブルやアスファルトなど)にかかる费用(コスト)を抑えた、つまり距离が短い経路に配线されます。
そこで、本研究グループは、「神経ネットワークも脳表面の最短経路に沿って配线する」という仮説を立てました。最短経路が脳表面のどの场所や方向を通るかを明らかにすべく、胎児期の脳の形の公开データを使って、表面のあらゆる场所から离れた场所へ至る最短経路を网罗的に计算しました。
図２脳表面での最短経路の通过频度
(左)最短経路をよく通过する部位(ホットスポット、赤色)と通过しにくい部位(青色)。ホットスポットの周辺(黄色)は次に通过しやすい。(右)ホットスポットを通る最短経路(白线)の束。
その结果、脳表面で最短経路がよく通过する部位(ホットスポット)と通过しにくい部位を复数発见しました(図2左)。さらに、これらの部位は解剖学でよく知られた部位と対応しました。例えば、あるホットスポットは、神経ネットワークにおいて太い配线がある部位(ウィルニッケ野とブローカ野)にそれぞれ现れました。これら复数のホットスポットを通过する最短経路の束を観察したところ、脳の発达で最初に现れる沟を”つの字状”に囲むような経路を通过していました(図2右)。
面白いことに、この最短経路の位置や方向は、弓状束と呼ばれる长距离の神経ネットワーク(连合线维)に対応することが明らかになりました。加えて、他のホットスポットを通る最短経路の束は、别の长距离神経ネットワーク(帯状束など)の位置や场所と対応していました。
本研究成果が社会に与える影响(本研究成果の意义)
本研究成果により、脳の表面の形から长距离の神経线维ネットワークが配线する位置や方向を予测できることが示唆されました。この予测は、脳表面の最短経路と神経线维の配线データとを定量的に比较することで、さらなる検証が期待されます。长距离の神経线维の配线がうまく行われないことによる机能障害が临床的に知られていますが、未成熟な线维の计测が难しく、早期発见が困难でした。神経线维に比べ脳の表面の形は観察しやすく、形から神経线维のネットワーク配线を推定することで、机能障害の早期発见に繋がることが期待されます。さらには、生物や人工物に限らず、长距离に作られるネットワークの地形に応じた普遍的な配线规则を解き明かす可能性を示しています。
特记事项
本研究成果は、2023年7月24日(月)午前9時(日本時間)に英国科学誌「Cerebral Cortex」(オンライン)に掲載されました。
- タイトル：“Geodesic theory of long association fibers arrangement in the human fetal cortex”
- 著者名：Kazuya Horibe, Gentaro Taga, Koichi Fujimoto
- 顿翱滨：
なお、文部科学省科学研究費補助金 (26220004, 19KK0247, 23H05425) および日本医療研究開発機構(AMED)革新的先端研究開発支援事業(AMED-CREST)(JP21gm1310012) および国立研究開発法人 科学技術振興機構 (JST) CRESTの助成を受けました。
用语説明
※1 神経ネットワーク
私たちの脳は、多数の神経细胞(ニューロン)によって构成されています。これらのニューロンは、他の多くのニューロンと接続されており、それぞれが情报を受け取り、処理し、送信する神経ネットワークをつくります。神経ネットワークの情报の送受信は、私达の知能を実现しています。
堀部特任助教(常勤)のコメント
私たちの脳はどのようにかたちが作られ、机能を获得するのか？という素朴な疑问から研究を始めました。本研究の成果から、长距离の神経ネットワークは脳の表面を通る最短経路に沿って配线されることを予测することができました。最短経路に基づく配线规则は生物、人工物の普遍的なネットワークの形成に当てはまる可能性があります。
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【お问い合わせ先】
