How We're Reverse Engineering the Human Brain in the Lab | Sergiu P. Pasca | TED

翻訳: Akiko Kawagoe 校正: Masaki Yanagishita

How does the human brain build itself?

人間の脳は どのように自己形成するのでしょうか

How do circuits in the human brain

人間の脳の回路は どのように配線されるのでしょうか

wire together?

人間の脳の回路は どのように配線されるのでしょうか

For instance, how does one tiny neuron in the outer layer of the brain

例えば 脳の外層にある 小さな神経細胞は

send a thin axon all the way to the spinal cord,

細い軸索を脊髄にまで伸し 適切な神経細胞を見つけ

find the right neuron

手を伸ばして 水の入った

and then control muscle contraction

グラスを掴む時に必要な 筋肉の収縮を

as we extend a hand and grasp a glass of water?

コントロールするのでしょうか

I'm here to tell you

今日は皆さんに

that we can finally grow parts of the human brain

ついに私たちは 誰からの脳でも その一部を育て

from any individual

正常に機能する人間の神経回路を

and then build functioning human circuits

実験室の細胞培養皿の中で

in a laboratory cell culture dish.

作れるようになったことをお伝えします

These clumps of neural tissue are known as brain organoids.

これら神経組織の塊は 脳オルガノイドと呼ばれていて

And when we put them together to form circuits, they become “assembloids.”

神経回路を作るために融合させると 「アセンブロイド」になります

Assembloids could be key to understanding how the human brain is built.

アセンブロイドは 人間の脳が作られる 仕組みを理解する鍵となります

Today, most of what we know about the human brain

現在人間の脳について 分かっていることの大半は

comes from studies in animals, typically mice.

動物― 通常はマウスの研究から 得られたものです

And while we've learned a lot from these animal brains,

これら動物の脳から多くを学ぶ一方で

the characteristics that make the human brain unique,

人間の脳に特有な性質や

and uniquely susceptible to disease,

病気に罹りやすい特性は

remain mysterious.

謎のままです

I’m a physician by training and a professor at Stanford,

私は医師であり スタンフォードの教授でもあります

where my laboratory has been taking unconventional approaches

私の実験室では 型破りな方法を使って

to study how the human brain develops,

人間の脳の発達の仕組みや

how disorders in the human brain arise

障害が起きる仕組みや

and find new ways of treatment.

新しい治療法を探そうとしています

I think the best way to explain, though, how we do this

我々の方法を説明するには

is through the eyes of one of my patients.

ある患者さんの目を通すのが一番でしょう

When I opened my lab at Stanford,

私がスタンフォードで研究室を始めたとき

Eduard, who's on the autism spectrum,

自閉症スペクトラムのエデュアルドから

sent me this drawing

こんな絵が送られてきました

depicting how he thought we were studying brain disorders.

我々が脳の障害を研究していることを 彼がどう思うかが描いてありました

Now to paraphrase him, he said,

彼の言葉を借りると

"What I think you're doing is you're climbing up a ladder,

「あなたは梯子を登って

poking holes in people's brains

人間の脳に穴を開け

and then use tiny telescopes to watch neural cells."

小さな望遠鏡を使って 神経細胞を観察しているようだ」

Of course, that's not what we do.

もちろんそんなことはしていません

So I called him up, explained the process,

そこで私は彼に電話して 経緯を説明しました

and then the next morning he sent me another drawing,

翌朝 彼から別の絵が送られてきました

which I think ended up being a quite accurate representation

こちらの絵は 我々や多くの人が 今やっていることを

of the work that we and many others now are doing.

かなり正確に表していると思います

Again, to paraphrase him, he said,

もう一度 彼の言葉を借りると

"You're taking skin cells

「脳に病気のある患者から

from patients that have specific brain disorders,

皮膚の細胞を取って

then doing some mumbo jumbo to the cells

その細胞にアレコレ施し

to push them back in time

過去に遡らせて

and turn them into stem cells."

幹細胞に変えている」

And then he knew that stem cells can be coaxed to become any cell type.

そして彼は 幹細胞がどんな種類の細胞にも なり得ることを知りました

“So then you’re taking them and turning them into brain cells

「それからあなたは 幹細胞を脳細胞に変えて

that form brain circuits.”

脳の回路を作るのですね」

That's right. We can build human brain circuits in a dish.

その通り 人間の脳の回路が培養皿の中で作れるのです

How is that possible?

そんなことが可能なのか？

Building on the hard work of biologists over the past 15 years or so,

過去15年ほどの生物学者の努力のおかげで

we can today take any cell type from any individual

私たちは今日 どんな個人から どんな種類の細胞を採取しても

and then push it back in time to turn them into stem cells

過去に遡らせて幹細胞に変え

and then guide those stem cells to become any other cell type.

その幹細胞を他のあらゆる種類の細胞に 変えられます

We start by asking a patient to provide a small skin sample.

まず患者さんに 皮膚のサンプルを 少し提供してもらいます

We then take those skin cells,

そしてその皮膚細胞を取って

reprogram them by putting a series of genetic factors

一連の遺伝因子を入れて再プログラムし

and push them back in time

過去に遡らせると

so that those skin cells become stem cells.

皮膚細胞が幹細胞になるのです

It's like cellular alchemy.

まるで細胞の錬金術です

These stem cells have almost magical abilities

これらの幹細胞は 魔法のような力を持っていて

to turn into any other cell type.

どんな種類の細胞にも変われます

So what do we do?

どうやるのでしょうか？

We take the stem cells, we dissociate them,

幹細胞を採取し ばらばらにし

we then aggregate them

凝縮させて

so that they form spheres or tiny balls of cells.

小さな細胞の球や玉を形成します

We then take those, move them into a special plate

そしてそれらを 化学スープのようなものが入った

where there is a kind of chemical soup.

特別な皿に移します

And that chemical soup will allow them to grow

その化学スープによって 細胞の玉が成長し

and transform and turn into a brain organoid.

形質転換し 脳オルガノイドになるのです

By providing different cues, we can turn this brain organoid

さまざまな合図を与えることで この脳オルガノイドを

to resemble specific regions of the central nervous system.

中枢神経系の特定の部位に 似せることができるます

For instance, we have a recipe

例えば 脳の外層である

that allows them to become a cerebral cortex,

大脳皮質を作るレシピがあります

the outer layer of the brain.

大脳皮質を作るレシピがあります

By using a slightly different combination of factors,

ちょっと異なった因子を組合せれば

we can turn them into a spinal cord.

脊髄にすることも可能です

The secret to this process is careful guidance.

コツはこのプロセスを 慎重に扱うことです

In the end, they look like this.

最終的には こんな感じになります

Tiny clusters of brain cells at the bottom of a dish.

皿の底に 小さな脳細胞の塊ができます

And let me be clear.

はっきり言います

This are not brains in a jar.

これは瓶詰めの脳ではありません

(Laughter)

（笑）

These are parts of the nervous system in a laboratory dish.

これらは実験皿の中にある 神経系の一部です

Each of them contains millions of cells,

それぞれに何百万もの細胞があり

and we can even listen as they fire electrical signals.

電気信号の発火音を 聴くことも可能です

(Electrical signals firing)

（電気信号の発火音）

Or we can watch them

あるいは電気活動で発光するのを

as they sparkle with electrical activity.

見ることも可能です

Or we can image inside and watch the cells as they communicate with each other.

内部を撮影し 細胞同士が互いに 意思疎通するのを見ることも可能です

Isn't it remarkable to think that just a few months ago

ほんの数カ月前まで 患者さんの皮膚細胞だったものが

these cells were skin cells in a patient,

今や皿の底で神経細胞になり

and now they are neural cells at the bottom of a dish

容易に研究できるとは

that we can study at ease.

素晴らしいと思いませんか？

(Applause)

（拍手）

Thank you.

ありがとう

So with these models of brain growth,

そこでこの脳の成長モデルが

we started wondering: Could we use them to start to understand disease?

病気の解明に使えないか という疑問が沸いてきました

So for instance, we wanted to know,

例えば 私たちが知りたいのは

could we understand how low oxygen impacts the brains of premature babies?

低酸素が未熟児の脳に与える影響を 解明できるかということです

So to do this, we took brain organoids and put them in a special incubator.

そのために我々は 脳オルガノイドを 採取し 特殊な培養器に入れました

We then lowered the concentration of oxygen and watched them.

その後 酸素濃度を下げて観察すると

We discovered something quite interesting.

面白いことを発見しました

Only one specific cell type was affected by the low oxygen.

低酸素の影響を受けたのは ある一種類の細胞だけだったのです

That cell type is responsible for the expansion of the human cortex.

それは 人間の大脳皮質の 拡大を担う細胞でした

We found exactly how that happens

我々はその仕組みを正確に解明し

and even found the drug that could prevent that process.

そのプロセスを阻止する薬も 発見することができました

These clumps of three-dimensional tissue

この３次元組織の塊は

can be grown in a dish for years.

皿の中で何年も育てることができます

In fact, we've maintained the longest cultures

実際 これまで報告されている中で

that have been reported to date, going beyond 800 days.

最長800日を超えるものがあります

At nine to 10 months, which is the equivalent of birth,

出生に相当する9カ月から10カ月になると

they slowly transitioned, and they started to resemble the postnatal brain.

ゆっくりと変化し 生後の脳に似てくるのです

We have discovered a brain clock

私たちは脳内時計を発見し

which keeps track of time in a dish and outside of the uterus.

培養皿の中や子宮の外での時間を 記録することが分かっています

Understanding the molecular mechanisms that underlie this brain clock

この脳内時計に備わる 分子メカニズムを解明することが

could be key to finding new strategies

人間の脳細胞を 加速させたり 減速させたり

to either accelerate or decelerate or rejuvenate human brain cells.

若返らせたりするための 新たな戦略を見つける鍵となるでしょう

The work that I've shown you so far

これまでにご紹介したものは

is pioneering not just because of what it teaches us

人間の脳について 教えられるだけでなく

about the human brain,

人間の脳について 教えられるだけでなく

but also because of the frontiers of ethics.

倫理のフロンティアとしても 先駆的なものです

Organoids and assembloids are not full replicas of the human brain.

オルガノイドとアセンブロイドは 人間の脳の完全な複製品ではありません

They're not brains in a jar. They're not minibrain.

瓶詰の脳でもなく 脳のミニチュアでもありません

They're not some stepping stone to a Frankenstein monster.

フランケンシュタインの怪物への 足掛かりでもありません

They have no blood flow,

血流はなく

they receive no meaningful inputs and outputs.

意味のあるインプットや アウトプットを受け取りません

But at one point, they may become more complex.

しかしある時点に より複雑になる可能性があります

At one point, they may receive sensory input.

ある時点に 感覚のインプットを 受け取るかもしれません

So as the science advances,

科学が進歩するにつれ

we in the scientific community have been very careful

科学コミュニティに属する我々は

about discussing what are some of the ethical questions,

倫理的な問題や社会的な影響 規制の可能性について

the societal implications and potential regulations.

慎重に議論を重ねてきました

Most of the work that I’ve shown you so far

これまでにご紹介した大半は

has been in one specific brain region.

脳の特定の領域でのものです

But to really understand circuits,

脳の回路を本当に理解するためには

we actually need to build more complicated brain circuits.

より複雑な回路を作る必要があります

And so to do this, six years ago,

これを実現するために ６年前

we came up with a new approach to build human circuits

我々は人間の脳の回路を作る 新しい手法を考え出しました

called an assembloid.

アセンブロイドです

Assembloids are essentially blocks of tissue

アセンブロイドは本来 ブロック状の組織で

that we build in a dish from multiple organoids put together.

皿の中で 複数のオルガノイドを 組み合わせて作られたものです

When we put two brain organoids together,

２つの脳内オルガノイドを 組み合わせてみると

we discovered something really fascinating.

実に興味深いことがわかりました

First, they fused to each other.

まず 互いに融合しました

But then they started to communicate,

その後 コミュニケーションし始め

and brain cells from one side

片側の脳細胞が

started to slowly migrate onto the other side

ゆっくりと反対側に移動し

and form circuits,

本物の脳と同じように回路を

much like they would in the actual brain.

形成し始めました

In fact, we can even watch them live as they move from one side to the other.

一方から他方へ移動していく様子を 実際 生で見ることもできます

I still remember how we were in the lab in absolute awe

人間の細胞が このように奇妙なジャンプ行動をとるのを

when we saw for the first time

実験室で初めて見たとき

how human cells undergo this peculiar jumping behavior.

絶対的な畏敬の念を抱いたことを 今でも覚えています

This is all fascinating, but what is it actually good for?

これだけでもスゴイですが 実際にはどんな効果があるのでしょうか

Dysfunction in the human brain causes brain disorders,

人間の脳の機能不全は

such as autism and schizophrenia and Alzheimer's disease,

自閉症や統合失調症、アルツハイマー病などの 脳疾患を引き起こし

devastating conditions that are poorly understood.

深刻な症状を伴いますが その解明は進んでいません

Nearly one in five individuals suffers from a psychiatric disease.

およそ５人に１人が 精神疾患を罹っています

What is even more striking

さらに驚くべきことに

is that the lowest success rate for finding new drugs

新薬発見の成功率が最も低いのは

is in psychiatry, out of all the branches of medicine,

すべての医学分野の中でも 精神科です

likely because until now we couldn't really access the human brain.

恐らく今まで人間の脳に アクセスできなかったからでしょう

Using brain organoids and assembloids,

脳オルガノイドとアセンブロイドを使うことで

we can create avatars for a patient's brain development

我々は患者さんの脳の発達のために アバターを作り

and then use those to dissect the molecular mechanism of disease.

それを使って病気の分子メカニズムを 解明することができるのです

Let me give you one example.

一つ例をあげましょう

As you have seen,

ご覧いただいた通り

assembloids can be used

アセンブロイドを使うと

to model this healthy jumping behavior of neurons.

ニューロンの健全なジャンプ行動を モデル化することができます

So what we did is we created assembloids from patients with Timothy syndrome,

そこで 自閉症やてんかんを伴う ティモシー症候群という

which is a rare genetic disease associated with autism and epilepsy.

まれな遺伝病の患者さんから アセンブロイドを作製しました

When we looked inside the assembloids, we noticed something remarkable.

私たちはアセンブロイドの中を見て 驚くべきことに気付きました

The cells were moving much faster,

細胞は速く動いていましたが

but every time they would jump, they would jump a shorter distance.

ジャンプするたびに ジャンプする距離が短くなっていたのです

So in the end, they would be left behind.

そして最終的には 取り残されてしまいました

Over the past six years in extensive studies,

過去６年間の詳細な研究により

we've actually dissected the molecular mechanism of this defect

私たちはこの欠陥の分子メカニズムを解明し

and even found ways of restoring it.

回復させる方法まで発見しました

And we're excited to be moving towards a potential therapeutic avenue

来年あたりには 治療法の可能性が見えてくることを

in the next year or so.

楽しみにしています

(Applause)

（拍手）

The premise of organoids and assembloids

オルガノイドとアセンブロイドによって

is that they will slowly allow us to gain new insights

人間の脳の隠れた生態を

into the hidden biology of the human brain.

少しずつ解明できるようになるでしょう

And by doing so,

それによって

they could revolutionize the way we think about human brain development, evolution,

人間の脳の発達、進化、機能 病気についての考え方に

function and disease.

革命が起きるかもしれません

So what's next?

その続きは？

Well, to really be able to gain insight into more complex brain disorders,

より複雑な脳疾患を解明するには

we need to build more complex circuits.

より複雑な回路を作る必要があります

So in the last minute, let me show you

それでは最後に

the most complicated circuit we have built to date.

我々がこれまでに作った中で もっとも複雑な回路をお見せしましょう

The circuit that controls voluntary movement.

随意運動を制御する回路です

To do this, we've created three organoids.

これを実現するために ３つのオルガノイドを作りました

One, shown here in purple, that resembles the cortex.

一つは紫色で 大脳皮質に似たものです

One, in yellow, that resembles the spinal cord,

もう一つは黄色で 脊髄に似たものです

and one, in red, that resembles human muscle.

そしてもう一つは赤色で 人間の筋肉に似たものです

We then put them together and watched them fuse

そしてそれらを一緒に入れ 融合する様子を観察したところ

and noticed something really spectacular.

ものすごいことに気付きました

Neurons on the cortical side started extending axons,

大脳皮質側の神経細胞が 軸索を伸ばし始め

find spinal motor neurons in the spinal side,

脊髄側の運動ニューロンを見つけて

connect with them,

繋がり

and then those farther project and connect to muscle.

さらに脊髄の運動ニューロンは 筋肉へと繋がりました

When we put a light stimulus on the cortical site,

大脳皮質の部位に光刺激を与えると

we noticed the muscle on the opposite side contract.

反対側の筋肉が 収縮することに気付きました

We have modeled for the first time a human cortical motor pathway.

私たちは初めて 人間の皮質運動経路をモデル化したのです

(Applause)

（拍手）

And let me be clear.

はっきり言わせてください

These cells find each other.

これらの細胞は互いに見つけ合うのです

Unlike in engineering, we don't have a master plan,

エンジニアリングとは異なり マスタープランがありません

we don't provide a plan because the human brain builds itself.

脳が自分で構築するものなので プランは提供しません

And then in itself, it's a remarkable opportunity

そしてそれ自体が 人間の脳の発達の根底にある手順を

to try to reverse engineer

リバースエンジニアリングしようとする

what are some of the steps that underlie human brain development?

注目すべき機会なのです

I know that this all sounds science fiction,

SFのようだと思われるでしょうが

but we now do this routinely in the lab.

今 我々が日常的に 研究室で行っていることなのです

We have derived thousands and thousands of organoids and assembloids

さまざまな精神神経疾患の患者さんから

from patients with various neuropsychiatric diseases,

何千ものオルガノイドや アセンブロイドを作っています

including, for instance,

例えば

infecting them with viruses such as polio virus

病気が発生する仕組みを解明するために

to understand how diseases arise.

これらに ポリオウイルスなどを感染させます

The statistician George Box famously said,

統計学者ジョージ・ボックス氏の 有名な言葉があります

"All models are wrong, but some are useful."

「すべてのモデルは間違っているが 中には有用なものもある」

(Laughter)

（笑）

I do the work that I do

私がこの仕事をするのは

because the promise and hope of brain assembloids and organoids

脳アセンブロイドやオルガノイドに 将来性と希望があるからです

is that by allowing us to recreate circuits of the human brain,

人間の脳の回路を再現することで

we will gain new insights into human biology.

ヒト生物学に対する新たな知見が 得られるようになるでしょう

And this in itself will open a new era in the treatment of brain disorders.

そしてそれが脳疾患治療の 新しい時代の幕開けとなるでしょう

Thank you.

ありがとう

(Applause)

（拍手）