ショウジョウバエの脳がDoomをプレイ？—そこには落とし穴がある

最近、オンライン上のデモが大きな注目を集めています。ショウジョウバエの脳が『Doom』をプレイしたり、『Minecraft』をナビゲートしたり、『Beat Saber』を攻略したり、仮想通貨取引を行ったり、さらにはPythonを学習したりするという、驚くべき偉業が披露されています。これらのバイラル動画は、デジタル化された生物が自律的に複雑なタスクに取り組んでいるかのような印象を与えます。

しかし、これらのデモは見かけ通りのものではありません。Google ResearchとHHMI Janelia Research Campusが公開した、成体のオスショウジョウバエの中枢神経系の完全な配線図である「Male CNS」は、構造的な地図を提供しているに過ぎません。これは、Drosophila melanogaster（キイロショウジョウバエ）の脳の8ナノメートルの厚さの切片13万4000枚から緻密にトレースされた、16万6000個のニューロンと1億2500万個のシナプス結合を詳細に示しています。

このコネクトームは、電源や部品のない電気回路図のような静的な設計図です。ニューロンがどこで接続されているかは示していますが、信号の強さ、シナプス荷重、神経伝達物質の動的な相互作用までは指定していません。これらのデモで見られる「プレイ」は、この生物学的トポロジーの「上に」重ねられた人工ニューラルネットワーク（ANN）と強化学習アルゴリズムから生じています。

重要な違いはここにあります。生物学的な地図は配線のレイアウトを提供するだけで、計算上の主体性はソフトウェアが提供しているのです。開発者は標準的な機械学習技術を適用し、これらのANNを訓練してゲームの入力を解釈し出力を生成させており、実質的にハエの脳の構造を訓練済みネットワークの足場として利用しています。これは思考するハエではなく、生物学的構造を活用した高度なソフトウェアに過ぎません。

Google ResearchとHHMI Janelia Research Campusによって公開された「Male CNS」は、コネクトームです。これは、成体のオスショウジョウバエの中枢脳および腹部神経索の完全な構造マップです。この複雑な設計図は、約16万6000個のニューロンと1億2500万個の接続を詳細に記しており、昆虫の神経構造に対する前例のない視点を提供しています。

科学者たちは、1匹のオスショウジョウバエの組織を約13万4000枚の超薄切片（それぞれわずか8ナノメートルの厚さ）にスライスすることで、この地図を丹念に作成しました。その後、高度な計算手法を用いて、膨大な画像スタック全体を通して個々の細胞とそのシナプス結合をトレースし、神経ネットワーク全体を再構築しました。

この野心的なプロジェクトは、以前に公開されたメスのFlyWireコネクトームを拡張したものであり、オスショウジョウバエのための包括的な全生物回路図を提供します。研究者は現在、ナビゲーションから求愛行動に至るまで、特定の神経経路がどのように複雑な行動を制御しているかを調査するための基礎的な地図を手に入れました。しかし、この解剖学的データセットは配線のみを記述したものであり、脳に命を吹き込む動的な電気信号や化学信号を捉えるものではありません。

配線図は、どれほど完全であっても、機能する脳ではありません。複雑な電子機器の回路図を考えてみてください。そこにはすべての抵抗器、コンデンサ、配線が示されていますが、どれだけの電流が流れているか、いつ信号が切り替わるか、あるいは部品がさまざまな入力にどう反応するかまでは分かりません。オスショウジョウバエのコネクトームは接続の精巧な構造マップを提供しますが、生きている脳を定義する重要な動的情報は欠落しています。

この構造マップには、重要な生理学的詳細が欠けています。ニューロンのelectrical dynamics（電気的ダイナミクス）、シナプス結合の可変的な強度、あるいはニューロン発火後の不応期などが特定されていません。さらに、このマップは、脳の活動を微調整する何百もの神経伝達物質や神経修飾物質による複雑な化学的変調を説明できません。これらの欠けている要素は、生物学的な脳がどのように情報を処理し、行動を生み出すのかという根本的な部分です。

バイラルなゲームデモは、人工的な層を追加することで、こうした生物学的な複雑さを回避しています。開発者は、ゲームの入力（ジョイスティックの動きなど）と出力（キャラクターのアクションなど）をハエのニューロンのトポロジーにマッピングし、本質的にそれを足場として利用しています。そして、人工的なシナプス重みを初期化し、強化学習やバックプロパゲーションといったmachine learning algorithms（機械学習アルゴリズム）を用いてネットワークをトレーニングします。このプロセスにより、シミュレートされたハエの脳は『Doom』や『Minecraft』をプレイすることを「学習」できますが、ゲームを動かしている知能は人工モデルによるものであり、生物学的な配線図の中に自発的に現れた意識によるものではありません。基礎となる研究の詳細については、「A Connectomics Milestone: Mapping the Complete Male Fruit Fly Brain」をお読みください。

コネクトームは、バイラルなミームを超えて、真の科学的探究のための強力なツールを提供します。研究者は現在、視覚的な操縦や正確な動きの追跡など、ハエの複雑な行動を特定の神経回路がどのように支えているかという仮説を厳密に検証できるようになりました。この構造マップは、脳の機能的ダイナミクスを理解するための重要な基盤となります。

オスのCNSコネクトームを使用したデジタルシミュレーションは、実際のハエを用いた以前のin vivo実験の結果をすでに再現しています。これは、詳細な配線図が、静的な回路構造と測定可能な動的行動との間のギャップをどのように埋めることができるかを示しており、侵襲的な処置なしで神経生物学的な理論を検証するための新しい道を提供しています。

今後の研究では、male（オス）とメスのハエのコネクトームを比較し、性差のある行動を解明することを目指しています。科学者たちはまた、この高解像度マッピングをゼブラフィッシュやマウスなどのより複雑な生物に拡張し、ますます複雑化する神経アーキテクチャを理解する計画です。しかし、推定86 billion neurons（860億個のニューロン）と数兆の結合を持つ完全なヒトのコネクトームは、現在の画像処理およびデータ処理能力をはるかに超えています。

本物のハエの脳が『Doom』をプレイしているのですか？

いいえ。バイラルなデモは、生物学的な神経結合のマップ上に重ねられた人工モデルを使用しているだけであり、生きているハエの脳や完全にエミュレートされた脳を動かしているわけではありません。

オスのハエのコネクトームには何が含まれていますか？

成体のオスのハエの中央脳および神経索全体にわたる、約16万6000個のニューロンと1億2500万個のシナプス結合がマッピングされています。

コネクトームは科学者に何を教えてくれますか？

どのニューロンが接続されているかを明らかにし、脳の構造が行動とどのように関連しているかを調査するための回路図を研究者に提供します。

コネクトームから欠けている情報は何ですか？

この構造マップだけでは、変化する信号強度、電気的活動、神経伝達物質の影響、あるいは生きた脳の完全なダイナミクスを捉えることはできません。