科学者たちは「ミニ脳」を成長させた。最終的には意識が発達するのでしょうか?

科学者たちは、培養皿で「ミニ脳」（脳オルガノイドとも呼ばれる）を育てており、これらの脳神経細胞のクラスターを通じて脳の機能の一部をシミュレートし、脳神経の発達と疾患に関する理解を深め、変えることを期待している。

彼らはそれを人間の脳に近づけることに努めており、近年の進歩は特に急速です。彼らは、試験管内で培養されたニューロンが自発的に興奮するなど、いくつかの驚くべき現象を発見しました。これは、ニューロンが成長し、人間の脳内で新しい接続を確立する方法の 1 つです。未熟児の脳に見られるものと同様の活発な脳波が脳オルガノイドで観察されており、この脳全体の協調した電気活動は意識のある脳の特徴の 1 つです。

そこで、差し迫った疑問が浮かび上がります。これらの脳オルガノイドは最終的に意識を獲得するのでしょうか?科学者たちは答えを探しています。

著者 |シャオイエ

1980年代、アメリカの哲学者ヒラリー・パトナムは有名な「容器の中の脳」という思考実験を提唱しました。それから半世紀も経たないうちに、生物学者は実験室のシャーレの中で本物の「瓶に入ったミニ脳」、つまり脳オルガノイドを育てることに成功した。

これはわずか数ミリ幅の脳神経細胞の集まりですが、脳の機能の一部をシミュレートすることができます。そしてすぐに、私たちは重要な疑問に直面します。そのような脳オルガノイドは意識を発達させることができるのでしょうか?

脳オルガノイド研究は急速に進歩している

オルガノイドはミニ臓器とも呼ばれ、その名の通り、本物の臓器に似たミニチュアモデルです。これらは、多能性幹細胞または成体細胞の試験管内三次元培養による自己組織化によって形成されます。これらは人間の臓器の構造と非常に類似しており、模倣臓器の機能の一部を再現することができます。

オルガノイドの起源は、1907 年に H.V. が発見したまで遡ります。ノースカロライナ大学の動物学教授であるウィルソンは、機械的に分離された海綿動物の細胞が再集合し、自己組織化して、同じ通常の生命機能を備えた新しい海綿動物になる可能性があることを明らかにした論文[1]を発表しました。

1950 年代までに、他の科学者が他の動物の細胞を使用して同様の実験を行い、脊椎動物の細胞はすべて自己組織化能力を備えていることを実証しました。これにより、将来不可欠となるオルガノイド培養技術の重要な特徴である自己組織化の基礎が築かれました。それは細胞を巻き上げるようなものです。適切な培養環境が提供されている限り、細胞はそれぞれの機能を発揮し、自己組織化してオルガノイドを形成します[2]。

幹細胞技術はオルガノイドの急速な発展のもう一つの鍵です。 1980 年代、旧ソ連の科学者 A.J. のチームが、フリーデンシュタインは一連の最先端の実験を行い、生体内実験[5]を通じて、骨髄中にさまざまな骨組織を生成できる骨芽細胞[3]または骨髄間質幹細胞[4]の一種を発見しました。 1990年代に、米国ケース・ウェスタン・リザーブ大学の生物学教授アーノルド・キャプランがこれを間葉系幹細胞（MSC）[6]と改名し、最終的にこの名前は学術界で広く受け入れられました。 MSCは自己複製能力と多方向分化能力を備えた多能性幹細胞であることが証明されています[7]。さまざまな細胞タイプに変換することができ、幅広い臨床応用価値を持っています。

同じく1980年代には、ウィスコンシン大学マディソン校の発生生物学者ジェームズ・トムソン教授も、霊長類の幹細胞の可能性を研究しながら、この分野に長きにわたって専念しました。 1998年になってようやく、彼は寄付されたヒト胚を使って世界初のヒト胚性幹細胞株を構築した[8]。 2007年、彼は日本の京都大学の山中伸弥チームと協力し、ヒトの成人細胞を多能性幹細胞（iPSC）に誘導することに成功しました[9]。 iPSC 細胞は、体外で無制限に増殖する可能性があります。これらは、胚性幹細胞において幹細胞マーカーを発現できるだけでなく、三胚葉の細胞や組織に分化する可能性も有している[10]。

この時点で、すべての準備が整いました。自己組織化特性と幹細胞分野の急速な発展により、オルガノイド研究に新たな活力が吹き込まれました。 21世紀の最初の10年間は​​、肝臓オルガノイド[11]、腸管オルガノイド[12]、網膜、前立腺、肺、腎臓、乳房、脳オルガノイドなどの培養に成功するなど、目覚ましい成果が発表されました。オルガノイドは急速な発展により注目の研究テーマとなっています。 2013年、オルガノイドはサイエンス誌によってその年のトップ10テクノロジーの1つに選ばれました[13]。さらに10年後、MITテクノロジーレビューは2023年の「世界のブレークスルーテクノロジートップ10」予測の中で、研究者が複雑な組織をゼロから設計し、工場でカスタマイズされた臓器を育てる方法を模索するにつれて、人工臓器製造技術は今後10〜15年で成熟すると予測しました。

数多くのオルガノイドの中でも、脳オルガノイドは特に重要です。何百年もの間、人間の脳の発達と神経系疾患の謎を解明することは、脳科学と医学の分野における大きな課題でした。学術界はさまざまな努力を重ね、さまざまな生体内および生体外の細胞や動物モデルを確立するだけでなく、2次元法を用いてヒトの脳神経細胞を培養し、関連する疾患のメカニズムを分析する試みも行っています。しかし、動物モデルの場合、種の違いにより、実験動物の脳モデルは人間の脳の複雑さを完全にシミュレートすることができず、実験結果が人間の脳に完全に適用できない可能性があります。培養皿で培養された2次元ニューロンの空間構造、細胞タイプの複雑さ、相互作用、微小環境も、3次元の人間の脳のものとは非常に異なります[14]。

脳オルガノイドは上記の欠点を補うものです。 2008年、日本の幹細胞生物学者笹井芳樹氏の研究チームは、幹細胞の自発的な組織化から生まれた神経球の中に、皮質前駆細胞と機能的ニューロンを含む皮質様構造が生成されることを発見しました[15]。これは最初の一次脳オルガノイドモデルでした。 2013年、オーストリア科学アカデミー分子生物工学研究所のユルゲン・ノブリッヒと英国ケンブリッジ大学の発生生物学者マデリン・ランカスターは、ネイチャー誌[16]に論文を発表し、ヒト多能性幹細胞から作られた初の3次元脳オルガノイドを報告した。研究チームは、生物学的ゲルであるマトリゲルを使用して脳の周囲の組織をシミュレートし、回転式バイオリアクターを使用して栄養素の吸収と酸素の拡散を助けました。この連続三次元懸濁培養では、神経発達を促進する成長因子が添加され、最終的に前脳、脈絡叢、海馬、前頭葉などの複数の独立かつ相互依存的な脳領域構造を含む、さらに改良された脳オルガノイド培養が得られました。

その後、世界中の科学者たちは脳の領域特異性を持つさまざまな脳オルガノイドの研究を続けました。彼らはさまざまな小分子と成長因子を組み合わせ、中脳、視床、小脳、線条体などを含む脳オルガノイドを得ることに成功しました。他の科学者は、人間の脳の発達や神経細胞の移動などの現実のプロセスをさらにシミュレートするために、2つ以上の脳領域のオルガノイドを組み立てて「アセンブロイド」を形成しようと試みました。例えば、2019年にCell Stem Cell誌に発表された論文[17]では、視床オルガノイドと皮質オルガノイドを融合して、視床と皮質の間のニューロンの双方向投射プロセスをシミュレートしました。複数の脳領域を組み立てるだけでなく、筋肉組織などの非神経オルガノイドと脳オルガノイドを組み立てて神経による他の組織への制御を観察する研究[18]もあり、実際の人体と同様の結果が得られています。

脳オルガノイド技術の発展の簡略図、出典：10.1038/s41392-022-01024-9[19]

実際の脳との違い

実際には、脳オルガノイドは幅がわずか数ミリメートルで、脳に似た細胞の集まりです。研究室で培養されたミニモデルなので、他の脳研究方法にはない利点があります。例えば、脳オルガノイドに電極を接続すると、ニューロン間の信号伝達がトリガーされ、実際の脳を自発的に模倣することができます。

では、脳オルガノイドは本物の脳のミニチュア版なのでしょうか?実際にはそうではなく、現在の脳オルガノイドは本物の脳と完全には一致していません。

まず、脳オルガノイドの最も大きな欠点は、酸素や栄養分を供給する血管がないため、数ミリメートルに達すると成長が止まってしまうことです。天然の生物組織とは異なり、脳オルガノイドの成長は培養皿に浸透する栄養溶液に依存します。ある程度の大きさに達すると、栄養が不十分であれば成長が止まり、中心部の細胞が死に始めますが、残念ながら、実際の脳のように見えるまで成長するずっと前に死んでしまいます。そのため、様々なチームが、脳オルガノイドに血管を成長させたり、血管付きオルガノイドを培養して脳オルガノイドと融合させたり、脳オルガノイドに人工的にチャネルを開いてより多くの栄養素を注入し、より成熟したシナプスを生成したりするなど、さまざまな方法を試みてきました[20]。

第二に、実際の脳とは異なり、脳オルガノイドには周囲の環境からの感覚入力が欠けており、これは脳回路の発達に不可欠な鍵の 1 つです。脳オルガノイドには、見る目も、聞く耳も、嗅ぐ鼻も、味わう口もありません。皿の中に隔離された脳オルガノイドは、感覚入力なしでは経験や情報を自律的に符号化することができません。 [21]

2020年にネイチャー誌に掲載された論文では、比較的控えめな見解が示されており[22]、現在広く使用されている脳オルガノイドモデルは、複雑な脳疾患や正常な認知に必要な複雑な脳回路をシミュレートすることはおろか、実際の脳の発達と組織の基本的な特徴を再現することもまだできないと述べています。研究者らは、その原因の1つがオルガノイド細胞の「アイデンティティ危機」にあることを発見した。脳オルガノイド細胞は通常、固有の細胞サブタイプに分化することができず、さまざまな遺伝子の「寄せ集め」がまったく異なるタイプの細胞に見られることがあり、発達プログラムを混乱に陥れるのである。もう一つの理由は、実験室培養法では細胞に大きなストレスがかかることです。すべての脳オルガノイドモデルは細胞ストレス応答遺伝子を異常に高いレベルで発現し、それが異常な細胞行動と異常なタンパク質の生成につながり、最終的にオルガノイド細胞が正常に発達するのを妨げます[23, 24]。

実際の脳の発達過程は交響曲のようなもので、さまざまな楽器が同時に演奏され、指揮者の調整の下で互いに協力し合い、美しく調和のとれた複雑な動きを生み出します。オルガノイドの科学者たちは、脳オルガノイドにおいてこのようなレベルの複雑さを実現するための第一歩を踏み出したに過ぎません。

脳オルガノイドは意識を発達させることができるか？

脳オルガノイドはまだ本物の脳からは程遠いが、科学者たちが「ペトリ皿の中の脳のような物」は最終的に意識を獲得するのだろうか？という疑問について考えるのを妨げるものではない。

現在の研究状況に基づき、ほとんどの脳オルガノイド科学者は、脳オルガノイドは意識の形態を発達させないし、発達させることもできないと考えています。

脳オルガノイドを初めて培養したランカスター氏は、現在の脳オルガノイドは複雑な脳波パターンを作り出すのに必要な解剖学的構造を欠いており、意識を生み出すにはまだ原始的すぎると考えている。 「脳オルガノイド内のニューロンは、入力と出力がない場合でも互いに通信する可能性があるが、これは必ずしも人間の意識に似たものを意味するものではない」[25]。ランカスターとほとんどの研究者の見解では、死んだ豚の脳を「若返らせる」ことは、脳オルガノイドよりも意識を生み出す可能性が高い。

今年6月、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の神経科学者ケネス・コシックは、雑誌「パターン」[26]に意見記事を発表し、脳オルガノイドの研究によって最終的には実験室で意識が作り出される可能性があるが、現在の技術や将来の技術条件に基づくと、この可能性は存在しないと示唆した。

まず、前述のように、脳オルガノイドの無視できない欠陥は、脳オルガノイドが意識のいかなる運用上の定義もまだ満たしていないことを示唆しているが、科学者がこれらの欠陥を克服するためには、まだ乗り越えるべきハードルがたくさんある。オルガノイドが意識を獲得するかどうかを議論するのはまだ時期尚早だ。

第二に、哲学者や科学者は何千年もの間、「意識とは何か」という問いを探求してきました。さまざまな理論があり、一般的に受け入れられている定義はまだありません。現代科学は意識を科学的問題のカテゴリーに分類し、神経メカニズムの観点から説明します。これは、高階理論 (HOT)、グローバルニューラルワークスペース理論 (GNWT)、統合情報理論 (IIT)、再入および前処理理論の 4 つの理論に分けられます。これらの理論は、脳の周りの意識の問題を探求するだけでなく、意識の生成に必要なさまざまな能力（表現、感覚、知覚など）に影響を与える、被験者の身体と環境との相互作用の重要性も強調しています。脳オルガノイドの最も顕著な特徴の 1 つは、動きや知覚のいずれの面でも、身体から完全に切り離されており、身体的経験の履歴がないことです。実験では、脳オルガノイドの神経発火活動が、経験をエンコードする脳に関連するパターンに似ていることが示されていますが、経験をエンコードできるが経験の履歴を持たないフレームワーク（脳オルガノイド）は意識を生み出すことができるのかという疑問が残ります。内容がなければ意識は存在できるでしょうか?

2022年には、コシックはNautilus誌[27]に長文の論文を発表し、脳オルガノイドが意識を持たない重要な理由は、中核特性である抽象抽出能力を持たないためだと提唱した。意識には、感覚世界に対する印象と運動フィードバックの相関関係に基づいた抽象的なプロセスが必要です。食卓の上の赤いリンゴを見ると、次のようなプロセスが引き起こされます。物体によって反射された光が網膜の光受容体を活性化し、脳に信号を送ります。信号には、物体の色、サイズ、環境に関する豊富な情報が含まれています。長年の人生経験を経て、「赤」と「リンゴ」という2つの概念に対応する放電パターンが生成され、最終的にテーブルの上に赤いリンゴがあることに「気づき」ます。しかし、脳オルガノイドにおける神経発火活動は、現実には何の関連もありません。

もちろん、肯定的な意見を持つ科学者もいます。英国サセックス大学の認知神経科学者アニル・セスは、ネイチャーポッドキャスト[28]で、脳オルガノイドが意識を発達させる可能性を否定しないと述べた。脳オルガノイドの複雑さと人間の脳との類似性が増すにつれ、たとえその構造が人間の脳と完全に同一でなくても、意識的な経験を持つ可能性は十分にあります。

ほとんどの科学者は否定的な見解を抱いていますが、いくつかの興味深い実験は、意識の基本要素が徐々に現れてきた可能性があることを示唆しています。

カリフォルニア大学サンディエゴ校の神経科学者アリソン・ムオトリの研究室には、ゴマ大の脳オルガノイドが浮かんでいるペトリ皿が何百枚も展示されている。彼は脳オルガノイドを操作するためにさまざまな珍しい方法を使用しており、彼の実験の1つは幅広い注目を集めています。 2019年、ムートリのチームはCell Stem Cell[29]に論文を発表し、未熟児の脳に見られるものと同様の協調した活動波を生み出す脳オルガノイドの作成を報告した。この脳全体の協調した電気活動は意識のある脳の特徴の 1 つであるため、研究チームは脳オルガノイドが本質的に人間の脳の初期発達をシミュレートしていると考えています。しかし、その結果には疑問が残る。主な理由は、未熟児の脳波に似ているからといって、脳オルガノイドが乳児の脳と同一視できるわけではないからだ。さらに、赤ちゃんの脳波は大人の脳波とは異なり、非常に混沌とした不規則な変動を示すことがよくあります。

ムオトリ研究室にある脳オルガノイドの皿。クレジット: David Poller/ZUMA Wire、Alamy Live News経由

同年、京都大学の坂口英也氏のチームは、Stem Cell Reports[30]誌上で、皮質球状体内の個々のニューロン間のネットワーク活動と接続を可視化することに成功したと報告した。研究チームはカルシウムイオンの活動の動的な変化を検出し、自らをクラスターに組織化し、近くの他のクラスターとネットワークを形成できる細胞間の統合活動を発見した。この同期した神経活動の現れは、記憶を含むさまざまな関連する脳機能の基礎となる可能性があります。この研究のもう一つの重要な発見は、試験管内で培養されたニューロンが自発的に発火するという点であり、これは人間の脳内でニューロンが成長し、新たなつながりを形成する方法の 1 つです。

避けられない倫理的問題

学界は意識の問題についてさまざまな意見を持っていますが、科学者は一般的に、意識システムを定義するよりもそれを作る方がはるかに簡単であることを認識しています。したがって、脳オルガノイドの研究は盲点も浮き彫りにしている。科学者たちは意識を定義し測定するための合意された方法を持っていないのだ。

ムオトリ自身も、オルガノイドが意識状態に達したかどうかを判断するためにどの定義を使用すればよいかわからないと認めています。したがって、脳オルガノイドが意識を生み出すことができるかどうかは、研究者の個人的な理論的嗜好となり、研究方法や目的に影響を与えることになる。

だから、事前に計画を立てましょう。アニル・セット氏は、オルガノイドの意識状態を評価する明確な方法が存在しないため、事前に倫理的な枠組みを決定する必要があると示唆している。米国のエモリー大学神経倫理プログラムのディレクターであるカレン・ロンメルファンガー氏は、脳オルガノイド研究と他の身体オルガノイド研究の違いは生物学的側面だけでなく倫理的側面も関係していることに同意している。イタリアのパヴィア大学のアンドレア・ラバッツァ氏は、将来的にはオルガノイドが痛みなどの基本的な感覚を経験する能力を示し、それによって知覚力や基本的な意識さえも示すようになると考えている。このため、脳オルガノイドに道徳的地位を与えるべきかどうか、また研究を規制するためにどのような制限を導入すべきかを検討する必要がある[31]。

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