How data is helping us unravel the mysteries of the brain | Steve McCarroll

翻訳: N.K KooZN 校正: Masaki Yanagishita

Nine years ago,

９年前

my sister discovered lumps in her neck and arm

私の妹は首と腕にしこりを見つけました

and was diagnosed with cancer.

がんと診断されました

From that day, she started to benefit

その日から 彼女は

from the understanding that science has of cancer.

科学による がんに関する理解の 恩恵を受けることになりました

Every time she went to the doctor,

医者に行くたびに

they measured specific molecules

特定の分子を測定しました

that gave them information about how she was doing

それは彼女の調子はどうか 次にどうすべきかの

and what to do next.

情報を与えました

New medical options became available every few years.

数年ごとに新しい医学的選択が 可能になっていきました

Everyone recognized that she was struggling heroically

彼女が生物学的な疾患と 毅然と戦っていることを

with a biological illness.

皆が認めました

This spring, she received an innovative new medical treatment

この春 彼女は臨床試験として

in a clinical trial.

革新的な新規治療を受けました

It dramatically knocked back her cancer.

それは劇的にがんを弱体化させました

Guess who I'm going to spend this Thanksgiving with?

今度の感謝祭を私が誰と過ごすか 当ててみてください

My vivacious sister,

私の快活な妹ですよ

who gets more exercise than I do,

私よりもよく運動をします

and who, like perhaps many people in this room,

そして この会場の皆様と同様に

increasingly talks about a lethal illness

致命的な疾患のことを

in the past tense.

過去形で話すことが増えてきました

Science can, in our lifetimes -- even in a decade --

科学は我々が生きている内に いや10年以内にも

transform what it means to have a specific illness.

特定の疾患に対する考え方を 変えてしまう可能性があります

But not for all illnesses.

でも全ての疾患に対してではありません

My friend Robert and I were classmates in graduate school.

ロバートと私は大学院で クラスメイトでした

Robert was smart,

ロバートは聡明でしたが

but with each passing month,

月日が経つごとに

his thinking seemed to become more disorganized.

思考が乱れていくように見えました

He dropped out of school, got a job in a store ...

大学院を中退し ショップ店員をしましたが

But that, too, became too complicated.

店の仕事さえ 難し過ぎてできなくなりました

Robert became fearful and withdrawn.

ロバートはおびえ 引っ込み思案になりました

A year and a half later, he started hearing voices

１年半後 彼には いろいろな声が聞こえるようになり

and believing that people were following him.

誰かに後を付けられていると 思い込むようになりました

Doctors diagnosed him with schizophrenia,

医者は統合失調症と診断し

and they gave him the best drug they could.

最良の薬を処方しました

That drug makes the voices somewhat quieter,

薬のおかげで 声は幾分静かになりました

but it didn't restore his bright mind or his social connectedness.

でも彼の明晰な頭脳と社会的繋がりは 回復しませんでした

Robert struggled to remain connected

ロバートは学問と仕事と友人に

to the worlds of school and work and friends.

繋がりを残すために戦いました

He drifted away,

彼とは疎遠になり

and today I don't know where to find him.

今はもうどこで彼に会えるのかも分かりません

If he watches this,

彼がこのトークを見ているなら

I hope he'll find me.

私だとわかってくれることを願います

Why does medicine have so much to offer my sister,

なぜ医学は 私の妹には多大な恩恵をもたらし

and so much less to offer millions of people like Robert?

何百万もの ロバートのような患者には ほとんど何ももたらせないのでしょう

The need is there.

必要性はそこにあるはずです

The World Health Organization estimates that brain illnesses

世界保健機関の推定では 脳の疾患

like schizophrenia, bipolar disorder and major depression

例えば統合失調症や双極性障害や うつ病が

are the world's largest cause of lost years of life and work.

人生や仕事にかける時間を奪う 最大の要因であると発表しています

That's in part because these illnesses often strike early in life,

理由の一端として このような疾患は 人生の早い時期に発症し

in many ways, in the prime of life,

いろいろな意味で 人生の最良の時に発症するからです

just as people are finishing their educations, starting careers,

人が学校を卒業して働き始め

forming relationships and families.

人間関係や家族を作る時です

These illnesses can result in suicide;

これらの疾患は自殺という結果を招く 可能性があり

they often compromise one's ability to work at one's full potential;

全力で働く能力を しばしば損なってしまいます

and they're the cause of so many tragedies harder to measure:

多くの計り知れない悲劇の 原因にもなります

lost relationships and connections,

人間関係が失われたり

missed opportunities to pursue dreams and ideas.

夢や発想の追求を 断念せざるを得なかったりします

These illnesses limit human possibilities

これらの精神疾患は人間の可能性を

in ways we simply cannot measure.

計り知れない仕方で 制限します

We live in an era in which there's profound medical progress

今 我々がいる時代は 意味深い医学的進歩が

on so many other fronts.

多くの領域にまで見られる そういった時代です

My sister's cancer story is a great example,

妹のがんの場合が非常に良い例です

and we could say the same of heart disease.

心臓病についても 同じことが言えるでしょう

Drugs like statins will prevent millions of heart attacks and strokes.

スタチンのような薬剤は 何百万もの心臓発作や脳卒中を防ぎます

When you look at these areas of profound medical progress

現代における意義深くかつ大いに進歩した医学の領域に目を向けると

in our lifetimes,

they have a narrative in common:

ある共通点があります

scientists discovered molecules that matter to an illness,

科学者はある疾患に重要な分子を発見し

they developed ways to detect and measure those molecules in the body,

体内でこの分子を検出し 測定する方法を開発し

and they developed ways to interfere with those molecules

薬物である 別の分子を使って

using other molecules -- medicines.

この分子の働きを妨げる方法を 開発します

It's a strategy that has worked again and again and again.

何度も成功した戦略です

But when it comes to the brain, that strategy has been limited,

脳においては このような戦略には限界がありました

because today, we don't know nearly enough, yet,

現時点では 脳がどのように機能するのか

about how the brain works.

十分に理解されていないからです

We need to learn which of our cells matter to each illness,

それぞれの疾患にどの細胞が 影響するのか

and which molecules in those cells matter to each illness.

これらの細胞のどの分子が疾患に影響するのか 知る必要があります

And that's the mission I want to tell you about today.

それが皆様に今日お伝えしたい 使命なのです

My lab develops technologies with which we try to turn the brain

私の研究室では脳の問題を ビッグデータの問題へと

into a big-data problem.

捉え直す技術を開発しています

You see, before I became a biologist, I worked in computers and math,

生物学者になる前の私は コンピュータと数学の分野で働いていました

and I learned this lesson:

こんな教訓を得ました

wherever you can collect vast amounts of the right kinds of data

あるシステムの機能に関して 膨大な量の適切なデータを

about the functioning of a system,

収集できるとき

you can use computers in powerful new ways

そのシステムがどう機能するのかを 理解するために

to make sense of that system and learn how it works.

コンピュータを強力で新しい方法で 使えるという教訓です

Today, big-data approaches are transforming

今日では ビッグデータを使った手法は

ever-larger sectors of our economy,

より大きな経済分野を変えつつあります

and they could do the same in biology and medicine, too.

生物学や医学においても 同様なことが可能でしょう

But you have to have the right kinds of data.

しかし 適切な種類のデータを 得る必要があります

You have to have data about the right things.

適切な対象についてのデータです

And that often requires new technologies and ideas.

そのためには しばしば 新しい技術と発想が必要とされます

And that is the mission that animates the scientists in my lab.

この使命こそ 私の研究室の科学者たちの やる気に火を付けるのです

Today, I want to tell you two short stories from our work.

今日は 我々の仕事から得た 短い話を２つしたいと思います

One fundamental obstacle we face

脳問題をビッグデータ問題に 捉え直す上で

in trying to turn the brain into a big-data problem

我々が直面する根本的な障壁の１つは

is that our brains are composed of and built from billions of cells.

脳が何十億という細胞から 構成されているという事実です

And our cells are not generalists; they're specialists.

細胞はジェネラリスト(万能型)ではなく スペシャリスト(専門家)なのです

Like humans at work,

人が仕事をするように

they specialize into thousands of different cellular careers,

何千もの異なった種類の細胞に

or cell types.

専門分化しています

In fact, each of the cell types in our body

実際 体内のそれぞれの型の細胞は

could probably give a lively TED Talk

自らの機能について

about what it does at work.

知的好奇心をそそるTEDトークができるのかもしれません

But as scientists, we don't even know today

しかし科学者にとってさえ どの位の種類の細胞型が存在するか

how many cell types there are,

現在も分かっていませんし

and we don't know what the titles of most of those talks would be.

そのトークのタイトルが 何になるのかも想像がつきません

Now, we know many important things about cell types.

今や 細胞型について 多くの重要なことが分かっています

They can differ dramatically in size and shape.

それぞれ 大きさや形が 驚くほど異なっています

One will respond to a molecule that the other doesn't respond to,

ある細胞は 他の細胞が反応しない分子に反応して

they'll make different molecules.

違った分子を生成します

But science has largely been reaching these insights

科学ではこれらに関する洞察を 大抵の場合

in an ad hoc way, one cell type at a time,

その都度に得てきました— 一度に１つの細胞型

one molecule at a time.

一度に１つの分子というように

We wanted to make it possible to learn all of this quickly and systematically.

この過程全てを素早く体系的に 実現したいと思っていました

Now, until recently, it was the case

つい最近まで こんな感じでした

that if you wanted to inventory all of the molecules

脳の一部やどこかの臓器にある 全分子のリストが

in a part of the brain or any organ,

欲しいときには

you had to first grind it up into a kind of cellular smoothie.

まず 細胞がスムージーのようになるまで すりつぶす必要がありました

But that's a problem.

でもそれは問題です

As soon as you've ground up the cells,

細胞をすりつぶすや否や

you can only study the contents of the average cell --

平均的な細胞の内容物しか 研究できません

not the individual cells.

個々の細胞ではありません

Imagine if you were trying to understand how a big city like New York works,

大都市ニューヨークがどう機能するのか 理解するところを想像してみてください

but you could only do so by reviewing some statistics

平均的なニューヨーク住民についての

about the average resident of New York.

統計データを見返すことぐらいしか できませんよね

Of course, you wouldn't learn very much,

もちろん 多くは知り得ないでしょう

because everything that's interesting and important and exciting

なぜなら 興味深く 重要で エキサイティングなことは

is in all the diversity and the specializations.

その多様性と特殊性の中にあるからです

And the same thing is true of our cells.

同じことが細胞についても言えます

And we wanted to make it possible to study the brain not as a cellular smoothie

我々は脳の研究を 細胞スムージーではなく

but as a cellular fruit salad,

細胞のフルーツサラダとして 実現したかったのです

in which one could generate data about and learn from

それぞれのフルーツ一切れからデータを得て

each individual piece of fruit.

研究できます

So we developed a technology for doing that.

我々はそれをする技術を開発しました

You're about to see a movie of it.

これからその映像を見てもらいます

Here we're packaging tens of thousands of individual cells,

何千もの個々の細胞を

each into its own tiny water droplet

一つずつの小さな水滴中に入れます

for its own molecular analysis.

その細胞だけの分子が分析ができます

When a cell lands in a droplet, it's greeted by a tiny bead,

細胞が水滴に入ると 小さなビーズが出迎えます

and that bead delivers millions of DNA bar code molecules.

ビーズには何百万もの DNAバーコード分子が含まれています

And each bead delivers a different bar code sequence

それぞれのビーズは異なるバーコードの配列を

to a different cell.

異なる細胞へと届けます

We incorporate the DNA bar codes

我々はDNAバーコードを

into each cell's RNA molecules.

それぞれの細胞のRNA分子と 反応させます

Those are the molecular transcripts it's making

RNAは その細胞が使う特定の遺伝子の転写物です

of the specific genes that it's using to do its job.

And then we sequence billions of these combined molecules

結合した分子をもとに 何十億もの塩基配列を決定し

and use the sequences to tell us

その配列から どの細胞のどの遺伝子に

which cell and which gene

由来した分子であるかの

every molecule came from.

情報を得ます

We call this approach "Drop-seq," because we use droplets

この手法を「ドロップシーク」と名付けました

to separate the cells for analysis,

分析では水滴（droplets）を 細胞の分離に使うからです

and we use DNA sequences to tag and inventory

DNA配列を使って タグ付けとリスト作りをし

and keep track of everything.

全てを追跡します

And now, whenever we do an experiment,

今や 実験をする時には

we analyze tens of thousands of individual cells.

何万もの個々の細胞の分析をします

And today in this area of science,

今日 この科学分野において

the challenge is increasingly how to learn as much as we can

ますます課題になることは この膨大なデータセットから

as quickly as we can

少しでも多く そして 少しでも早く学ぶことです

from these vast data sets.

少しでも多く そして 早く学ぶことです

When we were developing Drop-seq, people used to tell us,

ドロップシークを開発していた頃 よくこう言われました

"Oh, this is going to make you guys the go-to for every major brain project."

「君たちは 主要な脳研究プロジェクトから 意見を求められる立場になるね」

That's not how we saw it.

それは我々の思惑とは違いました

Science is best when everyone is generating lots of exciting data.

誰もが大量の胸躍るデータを産み出す時こそ 科学は最高なのです

So we wrote a 25-page instruction book,

それで我々は25ページの 実験法指示書を作りました

with which any scientist could build their own Drop-seq system from scratch.

科学者なら誰でもゼロから ドロップシークの構築が可能になります

And that instruction book has been downloaded from our lab website

その指示書は我々の研究室のウェブサイトから

50,000 times in the past two years.

この２年で５万回もダウンロードされました

We wrote software that any scientist could use

科学者なら誰でも使えるソフトも作ったのです

to analyze the data from Drop-seq experiments,

ドロップシーク実験から得た データの分析ができるのです

and that software is also free,

しかもこのソフトは無料です

and it's been downloaded from our website 30,000 times in the past two years.

これもこの２年で ３万回もダウンロードされました

And hundreds of labs have written us about discoveries that they've made

何百もの研究室がこの手法を使って発見した

using this approach.

彼らの成果を報告してくれました

Today, this technology is being used to make a human cell atlas.

今や このテクノロジーによって 人の細胞の一大地図が作られようとしています

It will be an atlas of all of the cell types in the human body

この地図は人体の全細胞型と

and the specific genes that each cell type uses to do its job.

それぞれの細胞型の活動時に使用される 特定の遺伝子の一大地図になると思われます

Now I want to tell you about a second challenge that we face

さて我々が直面するもう一つの課題について 話したいと思います

in trying to turn the brain into a big data problem.

脳問題をビッグデータ問題として 捉え直す試みです

And that challenge is that we'd like to learn from the brains

何十万もの生きた人の脳から

of hundreds of thousands of living people.

情報を得たいのです

But our brains are not physically accessible while we're living.

でも 脳は人が生きている間 身体の一部として入手することはできません

But how can we discover molecular factors if we can't hold the molecules?

分子を入手できないのなら どのように 病原分子を発見したら良いのでしょうか

An answer comes from the fact that the most informative molecules, proteins,

その答えは 情報を最も多く含む分子であるタンパク質は

DNAにコード化されているという 事実から得られます

are encoded in our DNA,

which has the recipes our cells follow to make all of our proteins.

DNAは全てのタンパク質を作るために 細胞が従うレシピのようなものです

And these recipes vary from person to person to person

このレシピは人によって異なります

in ways that cause the proteins to vary from person to person

そのため それぞれの細胞型が それぞれのタンパク質を発現する

in their precise sequence

正確な順序と量は

and in how much each cell type makes of each protein.

人によって異なってくるのです

It's all encoded in our DNA, and it's all genetics,

全てはDNAにコード化されています すなわち遺伝子による調節です

but it's not the genetics that we learned about in school.

でもこれは学校で習う遺伝学とは違います

Do you remember big B, little b?

ビッグBとリトルb遺伝子のことを 覚えていますか

If you inherit big B, you get brown eyes?

ビッグB遺伝子を受け継いでいれば 茶色の目でしたね

It's simple.

単純ですね

Very few traits are that simple.

こんなに単純な遺伝的形質というのは めったにないのです

Even eye color is shaped by much more than a single pigment molecule.

目の色でさえ 単一ではなく 多くの色素分子によって決定されます

And something as complex as the function of our brains

脳の機能のように複雑なものは

is shaped by the interaction of thousands of genes.

何千もの遺伝子の相互作用によって 決定されます

And each of these genes varies meaningfully

それぞれの遺伝子は 意味を持つ仕方で

from person to person to person,

個々人により異なります

and each of us is a unique combination of that variation.

我々はそれぞれ この多様性の ユニークな組み合わせなのです

It's a big data opportunity.

ビッグデータにとってのビッグチャンスです

And today, it's increasingly possible to make progress

かつては不可能だった規模での

on a scale that was never possible before.

進歩への可能性が今ますます高まっています

People are contributing to genetic studies

人々が膨大な数に上る 遺伝学的研究に

in record numbers,

尽力し続けています

and scientists around the world are sharing the data with one another

世界中の科学者が お互いに研究データを共有し

to speed progress.

それが進歩に拍車を掛けます

I want to tell you a short story about a discovery we recently made

我々が最近発見した 統合失調症の遺伝学について

about the genetics of schizophrenia.

少しお話ししたいと思います

It was made possible by 50,000 people from 30 countries,

発見できたのは30か国５万もの人々が

who contributed their DNA to genetic research on schizophrenia.

統合失調症の遺伝子研究に 自らのDNAを提供してくれたからです

It had been known for several years

その数年前から明らかだったのは

that the human genome's largest influence on risk of schizophrenia

統合失調症を発症するリスクに対して ゲノムが与える もっとも大きな影響は

comes from a part of the genome

免疫系の多くのタンパク質をコードする

that encodes many of the molecules in our immune system.

ゲノムの一部に 由来するということでした

But it wasn't clear which gene was responsible.

しかしどの遺伝子が原因なのか はっきりとわかっていませんでした

A scientist in my lab developed a new way to analyze DNA with computers,

私の研究室のある科学者がコンピュータで DNAを分析する新たな方法を開発して

and he discovered something very surprising.

とても驚くべき発見をしました

He found that a gene called "complement component 4" --

「補体成分４」と呼ばれる遺伝子—

it's called "C4" for short --

略してC4ですが—

comes in dozens of different forms in different people's genomes,

異なる人のゲノム内には別の型として存在し 数十もの種類があります

and these different forms make different amounts

これらの異なる型が 異なる量のC4タンパク質を

of C4 protein in our brains.

脳内に生成することを発見したのです

And he found that the more C4 protein our genes make,

遺伝子がC4タンパク質を生成すればするほど

the greater our risk for schizophrenia.

統合失調症のリスクも増大する ということを突き止めました

Now, C4 is still just one risk factor in a complex system.

現段階でC4は複雑な系の中での たった１つの危険因子でしかありません

This isn't big B,

ビッグBのように単純ではありませんが

but it's an insight about a molecule that matters.

とても重要な分子についての 情報なのです

Complement proteins like C4 were known for a long time

長い間 C4のような補体タンパク質は

for their roles in the immune system,

免疫システム内での役割を知られていて

where they act as a kind of molecular Post-it note

このタンパク質は 付箋的な役割の分子として

that says, "Eat me."

「私を食べなさい」と言うのです

And that Post-it note gets put on lots of debris

この付箋が壊死組織片や死んだ細胞に

and dead cells in our bodies

貼り付けられ

and invites immune cells to eliminate them.

免疫細胞を呼び寄せて 不要物を除去させるのです

But two colleagues of mine found that the C4 Post-it note

２人の同僚は 付箋分子であるC4が

also gets put on synapses in the brain

脳内のシナプスにも貼られ

and prompts their elimination.

その除去を促すことを 突き止めました

Now, the creation and elimination of synapses is a normal part

シナプスの生成と除去は 人の発達と学習における

of human development and learning.

正常過程です

Our brains create and eliminate synapses all the time.

脳はシナプスの生成と除去を 常時行います

But our genetic results suggest that in schizophrenia,

しかし我々の遺伝学的分析結果によると

the elimination process may go into overdrive.

統合失調症でのシナプスの除去が 行き過ぎているのかもしれません

Scientists at many drug companies tell me they're excited about this discovery,

製薬会社の科学者たちは この発見に胸が躍ったと言います

because they've been working on complement proteins for years

彼らは 免疫系における 補体タンパク質の研究に長年携わり

in the immune system,

それらのタンパク質が

and they've learned a lot about how they work.

どのように働くのか知っています

They've even developed molecules that interfere with complement proteins,

補体タンパク質を阻害する 分子の開発もすでに行いました

and they're starting to test them in the brain as well as the immune system.

これらの阻害物質を 脳や免疫系を使って 研究し始めようとしています

It's potentially a path toward a drug that might address a root cause

個別の症状ではなく 疾患の根本原因に向けられた

rather than an individual symptom,

医薬品開発につながる可能性を秘めています

and we hope very much that this work by many scientists over many years

長年に渡る多くの科学者による試みが 成功することを

will be successful.

願ってやみません

But C4 is just one example

C4はあくまで

of the potential for data-driven scientific approaches

データ主導型の科学的手法の一例で

to open new fronts on medical problems that are centuries old.

数世紀に渡り解決されなかった 医学的問題に新境地を開いてくれます

There are hundreds of places in our genomes

ヒトゲノムには何百もの

that shape risk for brain illnesses,

脳疾患のリスクとなる部位があり

and any one of them could lead us to the next molecular insight

その内のどれもが 重要な意味を持つ分子への次なる洞察へと

about a molecule that matters.

我々を導く可能性を持っています

And there are hundreds of cell types that use these genes in different combinations.

異なる組み合わせでこれらの遺伝子を使う 何百もの細胞型が存在します

As we and other scientists work to generate

我々や他の科学者が

the rest of the data that's needed

必要な残りのデータを生成し

and to learn all that we can from that data,

データからできる限りの情報を学び取り

we hope to open many more new fronts.

更に多くの新境地を開拓したいと願っています

Genetics and single-cell analysis are just two ways

脳の問題をビッグデータの問題として 捉え直すという意味において

of trying to turn the brain into a big data problem.

遺伝学と単一細胞解析は あくまで２つの方法でしかありません

There is so much more we can do.

まだまだ我々にはできることがあります

Scientists in my lab are creating a technology

私の研究室で科学者たちが 創り出している技術は

for quickly mapping the synaptic connections in the brain

脳内のシナプス結合を 迅速にマッピングするというもので

to tell which neurons are talking to which other neurons

どの神経細胞が 他のどの神経細胞に コミュニケートしているか

and how that conversation changes throughout life and during illness.

どうやってその会話が 生涯及び病気の期間に 変化するのか知るようにするものです

And we're developing a way to test in a single tube

また 何百人もの異なる人から得た ゲノムを含む細胞が

how cells with hundreds of different people's genomes

同じ刺激に対して それぞれ どう反応するかの検査を

respond differently to the same stimulus.

１本の試験管内で行う方法を開発中です

These projects bring together people with diverse backgrounds

このプロジェクトに集まったのは

多様な背景や訓練や興味を持った人々です

and training and interests --

biology, computers, chemistry, math, statistics, engineering.

生物学 コンピュータ科学 化学 数学 統計学 工学など様々です

But the scientific possibilities rally people with diverse interests

科学の可能性が 多様な関心を持つ人々を集め

into working intensely together.

共に集中的に働くことを可能にします

What's the future that we could hope to create?

我々が創造したい未来の可能性は どんなものでしょうか

Consider cancer.

がんについて考えてみましょう

We've moved from an era of ignorance about what causes cancer,

がんの原因について無知であった時代には

in which cancer was commonly ascribed to personal psychological characteristics,

がんの原因は個人の心理的特性にあると 考えられていました

to a modern molecular understanding of the true biological causes of cancer.

これが 真のがんの生物学的原因を 分子レベルで理解する現代となりました

That understanding today leads to innovative medicine

このような理解のおかげで次から次へと

after innovative medicine,

革新的な医学が導かれます

and although there's still so much work to do,

まだまだすべきことは多いですが

we're already surrounded by people who have been cured of cancers

私たちはすでに 一世代前には 治療不可能だと考えられていた

that were considered untreatable a generation ago.

がんを克服した人達に取り囲まれています

And millions of cancer survivors like my sister

私の妹のように 何百万もの がんの生存者が

find themselves with years of life that they didn't take for granted

かつて 当たり前のものではなかった 人生の年月や

and new opportunities

仕事と喜び 人との繋がりへの

for work and joy and human connection.

新たな機会に気付くのです

That is the future that we are determined to create around mental illness --

これこそ 精神疾患について 我々が創ろうとする未来です

one of real understanding and empathy

真の理解と共感

and limitless possibility.

そして無限の可能性を持つ未来です

Thank you.

ご清聴ありがとうございました

(Applause)

（拍手）