成体ショウジョウバエの脳マッピングが完了

 (economist.com)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 2024-10-03 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 成体ショウジョウバエの脳の接続地図が完成し、複雑な動物の脳を精密に読み解くコネクトーム研究の基準点となった
  • ショウジョウバエは飛行だけでなく、求愛、闘争、周辺環境に対する長期記憶の形成まで行う行動レパートリーを持つ
  • 寄生バチのように直接は見えない危険を、ほかのショウジョウバエに警告できるため、単純な反射行動だけでは捉えにくい
  • 今回の地図は、小さな動物の脳の接続と複雑な行動をあわせて理解しようとする研究にとって重要な事例となる
  • 成体ショウジョウバエの脳マッピングは、今後ヒトの脳のマッピングが後に続く可能性まで開く

成体ショウジョウバエの脳のコネクトーム

  • 成体ショウジョウバエの脳がマッピングされ、これまでに作られた中で最も精緻なコネクトームとして紹介されている
  • コネクトームは、脳の接続地図を指す文脈で使われる

ショウジョウバエが示す行動の複雑さ

  • ショウジョウバエは、単純な昆虫としてだけでは見なせないほど多様な行動能力を示す
    • 飛ぶことができる
    • 求愛できる
    • 闘うことができる
    • 周辺環境に対する複雑な長期記憶を形成できる
    • 寄生バチのような見えない危険の存在を、ほかのショウジョウバエに警告できる
  • 成体ショウジョウバエの脳マッピングは、その後のヒトの脳のマッピングにつながる可能性とあわせて扱われている

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1件のコメント

 
GN⁺ 2024-10-03
Hacker News の意見

  • Nature に掲載されたオープンアクセス論文はこちらで読める: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07558-y

  • https://archive.is/vBUjt

  • 関連して、1年前の似た記事に付いていた、私のお気に入りの HN コメントがある。ショウジョウバエの全コネクトームが完全にマッピングされつつある流れの中で、面白い研究がたくさん進んでいるというジョークだった
    たとえば「環境主義におけるカーボンクレジットの役割を功利主義にもたらす」というステルススタートアップの CTO という設定で、絶え間ない恍惚状態にあるショウジョウバエの脳を数兆個シミュレートし、企業による幸福・福祉の毀損を相殺する「効用クレジット」を売る、という内容
    https://news.ycombinator.com/item?id=36584130

    • そのジョークの背後にある功利主義への実際の批判が気になるなら、効用怪物と呼ばれている: https://en.wikipedia.org/wiki/Utility_monster
    • 実際のカーボンクレジットと同じくらい有用に見える
    • ブランディングの機会がある。Karma Kredits とか、Krispy Kreme ドーナツとの共同ブランディングもできそう
      ドーナツを買って喜びを得て、その喜びを相殺する Karma Kredits も一緒にもらう、という形
      KK と KK を一緒に楽しめばいい
    • Ned Beauman の Venomous Lumpsucker に出てくる何かをもじったもののように思える。ネタバレはしないが、この本は強くおすすめする
    • わざわざシミュレーションする必要があるのだろうか？ コンピュータの状態と、それが表現するシミュレーション状態との対応は、私たちの頭の中にしかない
      そう考えるなら、かすかに想像できるあらゆる現実が存在し、道徳的な重みを持つと言ってもよいことになる

  • コネクトームに基づく研究は、だいたい行き止まりだと理解していた。ダイナミクスも、無数の相互作用も捉えられないからだ
    ニューロンが成長する様子を見たことがあれば、巨大なゼリー状の構造が非常に可塑的で動的だと分かる。最も単純な脳、たとえば C. elegans でさえ、成長に伴ってニューロンと結合の数が 10^x レベルで指数関数的に増える

    • コネクトーム隣接分野の神経科学者として言うと、決して行き止まりではない。ただし全体像でも決してない
      現在の神経科学における中心的な未解決問題の一つは、脳においてネットワーク構造、ダイナミクス、機能がどのようにつながっているのか、ということだ。コネクトームは構造について非常に大きな洞察を与えるが、これだけでダイナミクスや機能の問題が一般に解けるわけではない
      たとえば多くのニューロンについて、入力と出力の関係をよく分かっていない。この関係は、高度に結合したネットワークに現れるダイナミクスに大きな影響を与えうる。個体ごとのコネクトーム差や、発達過程でコネクトームがどのように変化するかも重要な問題だが、少なくともショウジョウバエでは、成体個体間で基本構造のかなりの部分が保存されていると考えられている
      こうした限界にもかかわらず、脳の物理的なネットワーク構造を知ることは、ダイナミクスと機能を理解するためにどのモデルを使うべきかに大きな制約を与えられる。たとえば「キノコ体」のように、ランダムな再帰ネットワークとはまったく異なる特定のフィードフォワード結合パターンを持つ、よく知られた領域がある
      また、ショウジョウバエ脳の中心複合体のように、構造と機能の関係がかなり明快だと見られている領域もある。ここには物理的なニューロンの輪があり、リングアトラクタのような動的システムを通じて、ハエのナビゲーションを助けるコンパスとして働く活動の「バンプ」を支えていると考えられている
      だから欠けているピースが多くても、こうした配線図は、より標的を絞った実験や理論研究を導く仮説を作るうえで非常に有用だ
    • この研究は成体を対象にしたものなので、ニューロンはすでに成長しきった状態だ
      コネクトームは行き止まりではないが、既知のすべての問題を解いてくれるわけでもない。静的な地図を作り、その上で車が走り回る様子、つまりダイナミクスや衝突のような相互作用を調べることに近い
      付け加えると、成体の神経新生は多くの種でいまだ議論のあるテーマだ。ショウジョウバエにおける難しさについての解説は https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7554932/ を、より広い問題については https://en.wikipedia.org/wiki/Adult_neurogenesis を参照するとよい
    • 科学者たちがコネクトームのスナップショットだけでも利用できるようになるのは、とても興味深い。何かがなぜそうなのか、どのようにそうなったのかを理解する第一歩は、それが何であるかを見ることだ
      脳を現在の形にしているシステムがあり、私たちはそれをよく知らない。個々のニューロンはよりよく理解しているが、創発的なシステムについてはそうではない
      これからより多くの科学者が、そうしたシステムの標的、つまりそれらが作り出した脳が何なのかを知るようになれば、このスナップショット状態へ至る制御・フィードバックループを理解し始められる
      だから行き止まりではない。すぐに消費者向け製品を出せないからといって、進展ではないわけではない
    • コネクトームだけでダイナミクスを得ることはできないが、コネクトームは必ず必要だ。行き止まりというより、ダイナミクスだけでも不十分で、コネクトームだけでも不十分なので、両方が必要なのだ
      さらに、ダイナミクスを実際に結び付ける対象が必要なら細胞解剖学が必要であり、そのためコネクトームは不可欠だ。コネクトームが十分条件ではないという事実は、この研究が行き止まりだという意味ではなく、神経系を理解するための前提条件が予想よりはるかに複雑で厳しいという意味だ
    • 有用だ。車のない国の静的な道路地図を得るようなものだ
      その地図を車の活動で生き生きと動かすことはできないが、人々がどこへ運転すべきかは推測できる。いつ、なぜ運転するのか、何をしているのかは分からなくても、大きな手がかりになる

  • ヒトの脳をマッピングするには、ソフトウェアを大幅に改善する必要がある。ショウジョウバエには14万個のニューロンと5,450万個のシナプスがあり、それをマッピングしたAIも後処理では人間がすべて確認し、300万回修正しなければならなかった。さらに、まだすべてのニューロンの種類も識別する必要がある。
    ヒトの脳には約860億個のニューロンと、おそらく数兆個以上のシナプスがあり、これも過小評価である可能性が高い。300万回の修正は少なくとも 300万 * 10^6 回の手作業による修正に増えるはずで、現実的には見えない。
    ショウジョウバエでの誤り率がヒトの脳のマッピングに使えるようになるには、1桁台の水準まで下げる必要がある。シナプス基準で約6%から0.000006%へ改善しなければならないので、AIの改善幅としては途方もない飛躍だ。

    • 地図制作者たちがスコットランドをマッピングしたのだから、次は全世界かもしれない、というような話だ。
    • 「fruit fly」を2回も「fruit flu」と書いていたようだが、タイプミスだったのか、それとも本当にハエではなくインフルエンザの意味だったのか？

  • 学部での研究時代に、単純な積分発火ニューロンモデルのネットワークにおける発火挙動をもとに、シナプス強度を識別する仕事をしていた。
    実際のニューロンに比べればおもちゃのモデルだが、良い出発点で、結果も悪くなかった。ノイズがあっても発火パターンを最も堅牢に再現する解を識別できた。
    コネクトームが接続経路を超えて、接続や樹状突起・軸索の幾何形状をどれほど十分に文書化しているのか気になる。接続強度、タイミング、ニューロンの発火感度といった挙動を明らかにする助けになるかもしれないからだ。
    スキャン時点で捉えられた安定した非学習モデルだとしても、適応の目的と挙動を調べるには、どのような作動挙動が学習されたのかを理解する助けになる。

  • 以前に投稿された興味深い記事もある: Whole-brain connectome of the fruit fly (2023)
    https://news.ycombinator.com/item?id=36568609

  • もしかするとかなり無知な質問かもしれないが、このコネクトームで、MMAcevedo のように仮想ショウジョウバエのシミュレーションを「実行」できるのだろうか？

    • 重みのないニューラルネットワークで、体もない
      ニューロンの挙動を解明するのに数十年かかる可能性がある。いつかは実現できると思うが、ショウジョウバエの全身をシミュレートするのは、非常に長い間手の届かないものになりそうだ
    • Microsoft Fly Simulator (tm)
    • MMAcevedo はこの短編小説を指している。未来の Wiki 記事形式の作品で、まだ読んでいないならぜひ読む価値がある
      https://qntm.org/mmacevedo
      その設定では、エミュレートされた Miguel Acevedo は、ほとんどのエミュレートされた人間とは異なり、高揚した愉快な態度で起動する。アップロード後どれくらい時間が経ったのか、どのような文脈でエミュレートされているのか、どんな作業や実験に参加すべきなのかを知りたがる
      MMAcevedo の態度は、現代の成人人間アップロードの大半とは著しく対照的だ。大半は見当識を失った状態で起動し、すぐに恐怖と激しいパニックへと変わる
      red-washing、blue-washing、Objective Statement Protocols のような協力確保手順が不要なため、協力プロトコルを素早く通過させるための計算負荷が減る。そのため、適した作業における MMAcevedo の稼働率は通常 99.4% に達し、既知のアップロードのうち追随できるものはごく少数しかいない
      ただし、MMAcevedo の生来のスキルと性格のため、多くの作業には根本的に向いていない
    • いいえ。Turaga 方面の研究の中に、コネクトームでモデルネットワークのトポロジーを制約し、視覚データで学習させるものがある
      個人的にはかなり愚かな研究方向だと思っており、どのニューロンが何をしているのかについて非常に誤った結論を出していると見ている。それでも質問に最も近いのはその程度だ

  • http://archive.today/vBUjt

  • すべてのショウジョウバエの脳は同じなのだろうか？ 実際に何がマッピングされたのか、またなぜあるショウジョウバエから別のショウジョウバエへ一般化できるのか、誰か知っている人はいる？

    • Drosophila は、正確な細胞数と位置が固定される eutely（https://en.wikipedia.org/wiki/Eutely）ではないと思う。だから 2 匹のハエが、まったく同じ細胞をまったく同じ位置に持つわけではない
      C. elegans にはその特性があり、おそらく最もよく研究されたコネクトームを持つ生物だ
      大規模な構造は個体間でおおむね同じだろう。一般化するには、埋め込みのような何らかのマッピングが必要になる可能性が高い。間違いなく活発な研究分野だ
    • 記事では、ショウジョウバエの脳を非常に薄くスライスし、その切片を電子顕微鏡で撮影すると説明している
      その後、切片画像を解析してニューロンと接続を特定する。この部分が難しく、今回のブレークスルーは AI ベースの手法だ
      これまでのところ、脳 1 つだけをマッピングした可能性が高い
    • そうらしい。まったく同じニューロンとまったく同じ接続を持つという
      責任著者と散歩しているときに、この事実を再確認してほしいと頼んだほどだ
    • 非常に定型的ではあるが、決して同一ではない