私という人間？遺伝子が答えられない疑問に、遺伝子が答えられるかもしれない丨Zhanjuan

"私という人間？"

ゲノムの違いによって、個人と他の何百万もの人々との間の生理学的特徴の違いが決まります。しかし、遺伝子は単なる工場の設定に過ぎません。母親の胎内から出てきた「私」は、どのようにして今の私になったのでしょうか。私の思考や行動を決定するものは何でしょうか?

神経科学者たちは、その答えは人間の脳内のニューロン間のあらゆるつながりにあると信じている。

この記事は、「The Magical Connectome」（人民郵政通信出版、2022年9月版）の序文から抜粋することを許可されており、編集者が一部を削除し、タイトルを追加しました。

著者 |セバスチャン・スン

翻訳 |孫天奇

この森を横切る道も、足跡もなかった。細くて柔らかい枝だけが、森のすべての空間を際限なく息苦しいほどに占めています。それらは互いに絡み合っており、その間の隙間は非常に狭いため、太陽光さえも入りません。約1000億個の種が同時に植えられ、この暗い森が育ちましたが、すべての木はいつかは枯れる運命にありました。

ここは壮大な森であり、喜劇の森であり、悲劇の森でもある。この森は本当に素晴らしい。時々、この森がすべてだと思う。すべての小説とすべての交響曲、すべての残忍な殺人とすべての親切な行為、すべての恋愛とすべての口論、すべてのユーモアとすべての悲しみは、この森から生まれました。

この森が直径 1 フィート未満の空間に存在していると知ったら、驚かれるかもしれません。地球上にはそのような森が 70 億以上存在し、あなたはその 1 つの所有者であり、あなたの頭蓋骨の中に成長しています。私が話している木は、ニューロンと呼ばれる特殊な種類の細胞です。神経科学の目標は、これらの奇妙な分野を探求し、心のジャングルを征服することです (図 1 を参照)。

図 1 心のジャングル—大脳皮質のニューロン。カミロ・ゴルジ（1843-1926）の手法で染色され、サンティアゴ・ラモン・イ・カハール（1852-1934）によって描かれた

神経科学者は彼らの言葉を、脳内の電気信号として聞きます。彼らは精密な図面と写真を用いてニューロンの形態を明らかにした。しかし、散在する数本の木に基づいて、どうやって森全体を理解できるのでしょうか?

17 世紀、フランスの哲学者であり数学者であったブレーズ・パスカルは、宇宙の広大さを次のように表現しました。

人は目の前のつまらないものを捨て去り、自然界全体の偉大さと荘厳さを眺めるべきである。世界を照らす永遠のランプのように燃える偉大な光を彼に見せなさい。地球を見せて、太陽の大きな円に比べると地球はただの点に過ぎないということを知らせてください。驚いたことに、太陽の大きな円も、空の星に比べれば小さな点でした。

これらの考えはパスカルに衝撃を与え、彼は自分の無意味さを感じ、「永遠の沈黙と無限の空間」が自分を怖がらせたことを認めた。彼は外の空間について考えていましたが、私たちが彼と同じ恐怖を感じるには、「考える」こと自体について考えるだけでいいのです。誰の頭蓋骨にも素晴らしい器官があり、この器官はおそらく無限に複雑です。

神経科学者として、私はパスカルの恐怖を直接理解しています。同時に、ある種の恥ずかしさも感じました。私は時々、私たちの分野の進歩について公開講演をしますが、講演のたびに次のような質問が殺到します。「うつ病や統合失調症の原因は何ですか？」アインシュタインとベートーベンの脳の何が特別だったのでしょうか?子どもの学習を良くするにはどうすればいいでしょうか?そんな質問に満足のいく答えが返ってこず、観客の表情が変わった。私はとても恥ずかしかったので、結局聴衆にこう謝りました。「申し訳ありませんが、皆さんは私がすべての答えを知っているから教授だと思っているようですが、実際は、自分がいかに無知であるかを知っているからこそ、私は教授なのです。」

脳のように複雑なものを研究するのは、ほとんど無駄に思えるかもしれません。脳には何千億ものニューロンがあり、さまざまな種類や形の木のようなものです。最も強い意志を持った探検家だけが、あえてそのような森に入って見てみるのですが、実際に歩いてみると、ほんの少ししか見えず、はっきりしません。脳が依然として謎に包まれていることに疑いの余地はない。聴衆が興味を持っている脳の病気や特別な利点は言うまでもなく、最もありふれた質問でさえ、私たちにとっては今や説明するのが難しいのです。私たちは毎日、過去を思い出し、現在を認識し、未来を想像します。脳はどうやってこれを実現するのでしょうか?本当のところは誰も知らないと断言できます。

人間の脳の複雑さを考慮して、一部の神経科学者は、特にニューロンが少ない動物の研究に目を向けるようになりました。たとえば、図 2 の線虫には、脳と呼ばれる器官がありません。ニューロンは一つの臓器に集中しているのではなく、体全体に分散しています。神経系を構成するニューロンは合計でわずか 302 個です。研究するのは簡単そうに思えますし、パスカルのような悲観主義者でも、C.エレガンス（体長約1ミリメートルのこの線虫の学名）の森を見ても怖がらないだろうと思います。

図2 線虫

虫のニューロンはそれぞれ特定の位置と形を持ち、固有の名前が付けられています。昆虫は工場の組立ラインで大量生産される精密機械のようなものです。昆虫の神経系はどれも同一の部品のセットで構成されており、それぞれの部品は常に同じように組み立てられています。

さらに、この標準化された神経系の構造は私たちによって完全にマッピングされています。その結果、図 3 のような航空雑誌の裏表紙の路線図が完成しました。各空港に 3 文字のコードがあるように、各ニューロンには 4 文字の名前があります。これらの線は、航空地図上の線が都市間のルートを表すのと同じように、ニューロン間の接続を表します。 2 つのニューロンの間にシナプスと呼ばれる接点がある場合、それらのニューロンは「接続されている」と言われます。シナプスを通して、あるニューロンは別のニューロンに情報を渡すことができます。

図3. 線虫の神経系の構造、またはコネクトーム

ラジオを作るには、抵抗器、コンデンサ、トランジスタなどの電子部品を接続する必要があることは、エンジニアなら誰でも知っています。同様に、神経系を構築するには、ニューロンの細い枝を通してそれらを接続する必要があります。そのため、図 3 のような図はもともと回路図と呼ばれていました。最近、私たちは「コネクトーム」という新しい用語を提案しました。この用語はもはや電子工学者からではなく、ゲノミクスから発想されたものです。 DNA（デオキシリボ核酸）は分子の長い鎖であり、鎖上の各点はヌクレオチドと呼ばれるということを聞いたことがあるかもしれません。ヌクレオチドには、A、C、G、T の文字で表される 4 種類があります。ゲノムはDNA 内のこれらのヌクレオチドの配列全体であり、非常に長い 4 文字の文字列と考えることができます。この文字列には合計約 30 億文字が含まれます。もしそれを本に書いたら、100万ページの厚さになるでしょう。図4にその抜粋を示します。

図4 ヒトゲノムの小さな断片

同様に、コネクトームは神経系内の神経間の接続全体です。この用語はゲノムと同様に、全体を意味します。接続グループとは、1 つの接続や複数の接続ではなく、すべての接続を指します。理論的には、脳はワームと同じように配線図で表すことができますが、脳はそれよりはるかに複雑です。それで、あなたのコネクトームはどんな興味深いことを語ってくれるでしょうか?

まず第一に、それは一つのことを証明します - あなたはユニークだということです。あなたはこれをずっと前から知っていたと言うかもしれません（もちろん知っていました）、しかし過去には、自分をユニークにするものは何なのかを理解することが驚くほど困難でした。あなたのコネクトームと私のコネクトームの間には大きな違いがあり、それはそれらのバグの標準化されたコネクトームとは異なります。この意味では、すべての人はユニークですが、バグはそうではありません。 (虫に悪気はありません!)

多様性は幸福の源です。脳の働きを研究する上で最も興味深いことの一つは、各人の脳の働きがいかに異なるかということです。なぜ私はあの外向的な友達のように外向的になれないのでしょうか？なぜ私の息子は学業成績でクラスメイトに追いつけないのでしょうか?私のいとこはなぜ幻覚を見ているのでしょうか?母はなぜ記憶を失ったのでしょうか？なぜ私のパートナー（または私自身）は理解してくれないのでしょうか？

心と思考の違いはコネクトームの違いによるものです。 「自閉症の人の脳は普通の人の脳とは違う」など、新聞の見出しにはこの理論が示唆されていることが多い。コネクトームは性格や IQ、さらには記憶力も説明できるかもしれません。あなたの記憶はあなたの最もユニークな部分であり、あなたのコネクトームにエンコードされている可能性があります。

この理論は古くから存在していますが、神経科学者たちはそれが正しいかどうかまだわかっていません。しかし、この理論が大きな意味を持つことは明らかです。もしこれが正しければ、精神障害を治療する根本的な方法はコネクトームを修復することとなります。実際、品質の向上、飲酒量の削減、結婚生活の維持など、人が行うあらゆる変化は、実際にはつながりグループに対する変化です。

別の理論を見てみましょう。心と思考の違いはゲノムの違いによるものです。つまり、あなたのゲノムがあなたをあなた自身にしているのです。現代では、個人のゲノム配列を解析することはもはや難しい作業ではありません。近い将来、私たちは自分の DNA を迅速かつ安価に配列できるようになるでしょう。そして、遺伝子は精神障害や、性格やIQなどのいくつかの共通特性に影響を与えることがわかっています。では、ゲノムがすでに十分に研究されているのなら、なぜコネクトームを研究するのでしょうか?

理由は簡単です。遺伝子だけでは、脳がなぜそのように機能するのかを説明できないからです。あなたは母親の子宮の中で丸くなった瞬間に、自分のゲノム全体を持っていましたが、その時点ではファーストキスの記憶はありませんでした。記憶は生涯を通じて形成されるものであり、生まれつきのものではありません。ピアノを弾ける人もいれば、自転車に乗れる人もいますが、これらは後天的に身についたスキルであり、遺伝子によって備わった本能ではありません。

母親があなたを妊娠した瞬間から固定されているゲノムとは異なり、コネクトームは生涯を通じて常に変化します。神経科学者たちは、これらの根本的な変化がどのように起こるのかを解明しました。まず、ニューロンは互いの接続を調整して、接続を強くしたり弱くしたりすることで、接続の重み付けを変更します。第二に、ニューロンは新しいシナプスを作成したり、シナプスを削除して再配線したりすることができ、また、新しい枝を成長させたり、既存の枝を縮小したりすることで接続の構造を変更することもできます。最終的には、新しいニューロンが生成され続け、古いニューロンは死に続け、接続が再構築されます。

人生経験（両親の離婚や海外での壮大な冒険など）がコネクトームをどのように変化させるかは、まだ正確にはわかっていません。しかし、これら 4 つの「再」、つまり reempower (再強化)、reconnect (再接続)、rewire (再配線)、regenerate (再生成) は、あなたの経験によって影響を受けることを示す証拠がたくさんあります。同時に、4つの「再」も遺伝子の指揮下にあります。遺伝子は心に影響を与えます。特に、脳がつながり始める幼児期や小児期にはその影響が顕著です。

コネクトームは遺伝子と経験の両方によって形成され、脳の働きを説明するには両方の影響を考慮する必要があります。コネクトーム分岐理論はゲノム分岐理論と互換性がありますが、この世界での生活で獲得した影響を考慮しているため、ゲノム分岐理論よりも豊かで複雑です。コネクトーム理論は、コネクトームが私たちの行動や思考によって形作られると考える点で、それほど運命的ではありません。私たちの脳の配線構造が私たちの人格を形成しますが、逆に私たち自身も脳の配線構造に影響を与えます。

この理論は次のように要約できます。

あなたはゲノム以上の存在です。あなたはコネクトームなのです。

この理論が正しければ、神経科学の最も重要な目標は 4 つの「re」を習得することです。コネクトームにどのような変化があれば望ましい行動がとれるのかを知る必要があり、次に、これらの変化を生み出すための対応する方法を開発する必要があります。成功すれば、神経科学は精神障害を効果的に治療し、脳の損傷を治し、生活をより良くすることができるようになるでしょう。

しかし、コネクトームの複雑さを考えると、これは困難な課題です。 C. elegans には 7,000 の接続しかありませんが、そのコネクトームをマッピングするのに 10 年以上かかりました。あなたのコネクトームはゲノム内の文字数の 1000 億倍の大きさで、接続の数はゲノム内の文字数の 100 万倍です。コネクトームと比較すると、ゲノムは子供の遊びのようなものです。

今日、私たちはついにこの課題に対処するための強力なテクノロジーとツールを手に入れました。最先端の顕微鏡と組み合わせることで、コンピューターは脳画像の膨大なデータベースを収集して保存することができ、流入するデータを処理および分析してニューロン間の接続をマッピングするのに役立ちます。このような機械知能に頼ることで、私たちは長年悩まされてきたコネクトームをようやく理解できるようになりました。

21 世紀が終わる前に、人間のコネクトーム全体の配列を解読する機会が得られると私は信じています。私たちは線虫からショウジョウバエ、そしてマウス、サルへと進み、最後に究極の砦である人間の脳に立ち向かいます。将来の世代が私たちの業績を振り返るとき、彼らはこれがどれほど重要な科学革命であったかに驚くでしょう。

コネクトームが脳について何かを教えてくれるまで、あと数十年待たなければならないのでしょうか?幸いなことに、そうではありません。現在の技術は、脳の小さな部分の接続を観察するのに十分であり、そのような局所的な知識も非常に有用です。さらに、ネズミとサルは進化的に非常に近い関係にあるため、多くの問題を明らかにするのにも役立ちます。彼らの脳は私たちの脳と非常に似ており、動作原理の多くは同じです。彼らのコネクトームを研究することは、私たち自身の脳を理解するための多くの洞察も与えてくれるでしょう。

西暦79年、ベスビオ山が噴火し、ローマの都市ポンペイが何トンもの火山灰と溶岩に埋もれました。ポンペイでは時間が止まり、地下で永遠に眠っていましたが、約2000年後に建設作業員によって偶然発見されました。 18 世紀の考古学者がこれを発掘したとき、豪華な別荘、通りの噴水、公衆浴場、バー、パン屋、市場、ジム、劇場、そして食べ物、衣服、住居、交通を反映した壁画など、ローマ人の生活の鮮明な描写を見て非常に興奮しました。ここは廃都市ですが、ローマ人の生活の詳細を観察することができます。

ポンペイと同様に、今日では死んだ脳の画像を分析することによってのみコネクトームを探すことができます。この研究はもともと神経解剖学と呼ばれていますが、脳の考古学と考えることもできます。何世代にもわたる神経科学者が顕微鏡でニューロンの冷たい死骸を見つめ、その過去について考えてきたのです。死んだ脳は、その分子が防腐液で凍結されており、かつてそこから生まれた思考や感情の記念碑のようなものです。かつての神経解剖学の研究は、コインや墓、陶器の壺などの散らばった証拠から古代文明を再現するようなものでしたが、現在ではコネクトームはポンペイのように脳の凍ったパノラマとなっています。これらのパノラマ画像は、神経解剖学者が生きた脳の機能を研究し、再構築する能力に革命をもたらしました。

生体を直接研究できる優れた技術があるのに、なぜ死んだ脳を研究するのかと疑問に思うかもしれません。もしタイムトラベルして、そのままの状態で残っているポンペイに直接行くことができたら、もっと多くのことを知ることができるのではないでしょうか。実際にはそうではないかもしれません。想像してみれば、動く都市を訪れて観察することには多くの制限があることに気づくのは難しくありません。生きている人の行動を観察すると、同時に他の人の行動を見逃してしまいます。あるいは、赤外線衛星画像を見て、ある地域の平均的な活動を確認することもできますが、細かい詳細はわかりません。こうした制約があるため、活動的な都市を直接視察することは、私たちが想像したほどスムーズではありません。

生きた脳を直接研究するために使用する技術にも、同様の制限があります。頭蓋骨を開くと、ニューロンの形態や電気信号を観察することができますが、脳には数千億個のニューロンがあり、一度に観察できるのはそのうちのごく一部だけです。非侵襲的な画像化技術を用いて頭蓋骨を通して脳の内部を観察すると、個々のニューロンを観察することはできず、ある領域の形態や活動といった大まかな情報しか得られません。おそらく将来的には、より高度な技術によってこれらの限界を打ち破り、生きた脳内のすべてのニューロンを直接観察できるようになるでしょうが、現時点では、これは単なる空想にすぎません。生きている脳と死んだ脳を研究することには、それぞれ利点と欠点があります。私の意見では、最善のアプローチは 2 つの方法を同時に組み合わせることです。

しかし、死んだ脳を研究するのは無意味であり、生きている脳を研究することだけが神経科学の進むべき道であると考える神経科学者もいます。その理由は次のとおりです。

あなたはあなたのすべてのニューロンの活動です。

ここでの「活動」とは、ニューロンの電気信号を指します。これらの電気信号は、特定の瞬間のニューロンの活動に関する豊富な情報を提供し、その瞬間の思考、感情、気持ちをコード化します。

前に、あなたはあなたのコネクトームであると言いましたが、ここでは、あなたはあなたのすべてのニューロンの活動であると書かれています。では、あなたはいったい何なのでしょうか?これら 2 つの記述は矛盾しているように見えるかもしれませんが、実際には、自己についての異なる理解を伴うため、両立可能です。活動理論が指す自己とは、常に変化する動的な自己です。今はとても怒っているかもしれませんが、しばらくすると興奮し、人生の意味について考え、家事をし、外の落ち葉を鑑賞し、テレビをつけてフットボールの試合を観戦します。この自己は意識から切り離せないものです。脳の神経活動は常に変化しているため、この自己の性質は流動的です。

コネクトーム理論で言う自己は、幼少期の記憶が生涯を通じてあなたに付き添うのと同じように、静的な自己です。私たちの家族や友人は、この自己の本質（しばしば人格と呼ばれる）が安定しているという事実に慰められています。あなたの性格は意識の中で現れますが、眠っているときなど、意識していないときも存在し続けます。この意味での自己は、コネクトームと同様に、時間の経過とともにゆっくりとしか変化しません。これはコネクトーム理論で自己と称されるものです。

過去には、意識の自己吸引について多くの研究が行われてきました。 19 世紀、アメリカの心理学者ウィリアム・ジェームズは「意識の流れ」という概念を提唱しました。つまり、意識は川のように常に心の中に流れているというものです。しかし、ジェームズは一つのことを忘れていました。それは、すべての川には川床が必要だということです。地面のくぼみがなければ、水はどこに流れるか分からないでしょう。神経活動が流れる経路を提供するのがコネクトームであり、この意味では「意識の川床」と呼ばれるべきものです。

これは非常に良い比喩です。神経活動がコネクトームを形成するのと同じように、水の流れも時間の経過とともにゆっくりと川底を形成します。これら 2 つの異なる自己概念、つまり、1 つは流れが速く常に変化する川の水であり、もう 1 つは安定していてゆっくりと変化する川底であり、これらは実際には切り離せないものです。

著者について

セバスチャン・スンは、プリンストン大学のアンソニー・B・エヴニン神経科学およびコンピューターサイエンス教授であり、サムスン電子の社長、サムスン研究所の所長であり、コネクトミクス分野の先駆者です。

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