Allan Jones: A map of the brain

アラン・ジョーンズ: 脳の地図

翻訳: Takahiro Shimpo 校正: Masaki Yanagishita

Humans have long held a fascination

脳は常に

for the human brain.

人を魅了してきました

We chart it, we've described it,

人は脳の構造を研究して記録し

we've drawn it,

図に描いて

we've mapped it.

地図を作りました

Now just like the physical maps of our world

さてGoogle MapsやGPSのように

that have been highly influenced by technology --

テクノロジーの恩恵に授かった

think Google Maps,

物理地図と同様に

think GPS --

脳マッピングも

the same thing is happening for brain mapping

今 変革の時を

through transformation.

迎えているのです

So let's take a look at the brain.

それでは脳を見てみましょう

Most people, when they first look at a fresh human brain,

新鮮な脳を見ると大抵の人は

they say, "It doesn't look what you're typically looking at

「いつも見せてもらっているものと

when someone shows you a brain."

少し違うな」と言います

Typically, what you're looking at is a fixed brain. It's gray.

通例 目にするものは灰色の固定標本なんです

And this outer layer, this is the vasculature,

さて 外側は高度に発達した

which is incredible, around a human brain.

脈管系です

This is the blood vessels.

赤い部分は血管です

20 percent of the oxygen

肺から送りだされる酸素の20%と

coming from your lungs,

心臓から送り出される血流の

20 percent of the blood pumped from your heart,

20%がこの単一の

is servicing this one organ.

器官で消費されています

That's basically, if you hold two fists together,

大きさはというと

it's just slightly larger than the two fists.

拳２つをわずかに上回る程度です

Scientists, sort of at the end of the 20th century,

研究者は20世紀の終わり頃に

learned that they could track blood flow

血流を追跡することで

to map non-invasively

脳を侵襲することなく

where activity was going on in the human brain.

脳の活動部位を特定するに至りました

So for example, they can see in the back part of the brain,

例えば脳の

which is just turning around there.

後方の部分には

There's the cerebellum; that's keeping you upright right now.

垂直でいたり 立っていたりするなど

It's keeping me standing. It's involved in coordinated movement.

協調運動を司る小脳があります

On the side here, this is temporal cortex.

こちら側には側頭皮質が見えます

This is the area where primary auditory processing --

ここで一次聴覚が処理され

so you're hearing my words,

聴き取った単語を高次の

you're sending it up into higher language processing centers.

言語処理センターに送りだします

Towards the front of the brain

脳の前方部では

is the place in which all of the more complex thought, decision making --

より複雑な思考や意志決定が行われます

it's the last to mature in late adulthood.

成熟は最も遅く 成人期の後半です

This is where all your decision-making processes are going on.

全ての意志決定プロセスはここで処理されます

It's the place where you're deciding right now

「今晩 ステーキは注文しない」

you probably aren't going to order the steak for dinner.

といった意志決定はこの部分で行われています

So if you take a deeper look at the brain,

脳を掘り下げて

one of the things, if you look at it in cross-section,

その断面図を眺めてみると

what you can see

たいした脳構造は

is that you can't really see a whole lot of structure there.

見当たらないように見えますが

But there's actually a lot of structure there.

ここにも脳構造はあるのです

It's cells and it's wires all wired together.

細胞とケーブルは全て繋がっています

So about a hundred years ago,

約100年前 研究者が

some scientists invented a stain that would stain cells.

細胞を染める染色剤を開発しました

And that's shown here in the the very light blue.

画面上の薄い青色の部分は

You can see areas

神経細胞体です

where neuronal cell bodies are being stained.

分布はとても不均等ですね

And what you can see is it's very non-uniform. You see a lot more structure there.

もっと構造が見えます

So the outer part of that brain

さて脳の外側には

is the neocortex.

新皮質があります

It's one continuous processing unit, if you will.

これは一連の処理装置とでも呼びましょうか

But you can also see things underneath there as well.

この下にもまだ見るものはたくさんあります

And all of these blank areas

そしてこの染色されていない部分は全て

are the areas in which the wires are running through.

ワイヤー(軸索)が通っている部分で

They're probably less cell dense.

細胞密度は低いはずです

So there's about 86 billion neurons in our brain.

脳内にはおよそ860億のニューロンが存在します

And as you can see, they're very non-uniformly distributed.

ご覧の通り分布はとても不均等ですが

And how they're distributed really contributes

この分布こそが脳の機能と

to their underlying function.

密接に関連しているのです

And of course, as I mentioned before,

もちろん説明した通り

since we can now start to map brain function,

脳機能マッピングが可能となり始め

we can start to tie these into the individual cells.

個々の細胞を機能と結び付けることも始められます

So let's take a deeper look.

それでは細かく見ていきましょう

Let's look at neurons.

初めにニューロンが見えてきます

So as I mentioned, there are 86 billion neurons.

ニューロンの数は860億です

There are also these smaller cells as you'll see.

より小さな細胞が見えてきますよ

These are support cells -- astrocytes glia.

アストロサイトグリアという支持細胞です

And the nerves themselves

この神経自身が

are the ones who are receiving input.

入力情報を受信し

They're storing it, they're processing it.

蓄え　処理します

Each neuron is connected via synapses

脳内の各ニューロンはシナプスを通じて最大で

to up to 10,000 other neurons in your brain.

１万のニューロンと連結されます

And each neuron itself

それぞれのニューロンが

is largely unique.

独自性を備えています

The unique character of both individual neurons

各ニューロンと集合体としての

and neurons within a collection of the brain

ニューロンの特徴の両方を

are driven by fundamental properties

決定しているのは表に見えない基本的な

of their underlying biochemistry.

生化学的性質なのです

These are proteins.

これはタンパク質です

They're proteins that are controlling things like ion channel movement.

イオンチャンネルの動きを制御する働きがあり

They're controlling who nervous system cells partner up with.

神経細胞の連結を管理するだけではなく

And they're controlling

神経系の機能は全て

basically everything that the nervous system has to do.

タンパク質がコントロールしています

So if we zoom in to an even deeper level,

更に倍率を上げて見ましょう　すると

all of those proteins

タンパク質は全てゲノムに

are encoded by our genomes.

コード化されています

We each have 23 pairs of chromosomes.

人間は23対の染色体を持っています

We get one from mom, one from dad.

両親のそれぞれから一つずつを受け継ぎます

And on these chromosomes

この染色体の中には

are roughly 25,000 genes.

おおよそ25000の遺伝子があり

They're encoded in the DNA.

全てDNAとしてコード化されています

And the nature of a given cell

脳細胞がその基盤である

driving its underlying biochemistry

生化学的機能を左右する性質は

is dictated by which of these 25,000 genes

この25000のうちのどの遺伝子が

are turned on

活性化されているか　またその活性化の度合いにより

and at what level they're turned on.

決定されます

And so our project

私たちのプロジェクトでは

is seeking to look at this readout,

活性化した遺伝子を

understanding which of these 25,000 genes is turned on.

特定することを目指しています

So in order to undertake such a project,

このプロジェクトにはもちろん

we obviously need brains.

脳が必要となります

So we sent our lab technician out.

私たちは実験補助者を送り出して

We were seeking normal human brains.

正常な脳を探しています

What we actually start with

まずは死体が運び込まれる

is a medical examiner's office.

検死官の事務所から

This a place where the dead are brought in.

当たります

We are seeking normal human brains.

正常な人な脳を求めています

There's a lot of criteria by which we're selecting these brains.

選定にはいくつもの基準があります

We want to make sure

年齢は20から60歳

that we have normal humans between the ages of 20 to 60,

自然死した人で

they died a somewhat natural death

脳には傷がついていないこと

with no injury to the brain,

精神疾患歴がないこと

no history of psychiatric disease,

薬物使用歴がないこと

no drugs on board --

we do a toxicology workup.

加えて毒物学検査も行います

And we're very careful

更に提供していただく脳にも

about the brains that we do take.

細心の注意を払っています

We're also selecting for brains

この他 親族の同意の下

in which we can get the tissue,

死後24時間以内に

we can get consent to take the tissue

脳組織を採取できる

within 24 hours of time of death.

脳を選んでいます

Because what we're trying to measure, the RNA --

私たちの研究しているRNAというのは

which is the readout from our genes --

遺伝子情報の読み出しなのですが

is very labile,

変性しやすいために

and so we have to move very quickly.

すぐに処理しなくてはいけません

One side note on the collection of brains:

脳採集の豆知識になりますが

because of the way that we collect,

私たちの収集方法や

and because we require consent,

同意の必要性もあって

we actually have a lot more male brains than female brains.

女性のものより男性の脳が多く手に入ります

Males are much more likely to die an accidental death in the prime of their life.

男性が壮年に事故死する可能性は女性より高く

And men are much more likely

更に配偶者から

to have their significant other, spouse, give consent

臓器提供の同意が得られるのは

than the other way around.

得てして男性なのです

(Laughter)

(笑)

So the first thing that we do at the site of collection

さて脳を入手してまず初めにすることは

is we collect what's called an MR.

MR画像の撮影です

This is magnetic resonance imaging -- MRI.

磁気共鳴映像法と呼ばれるものです

It's a standard template by which we're going to hang the rest of this data.

標準データとして残りのデータの参照に使います

So we collect this MR.

こうして集めたMR画像は

And you can think of this as our satellite view for our map.

脳の衛星画像だと思って下さい

The next thing we do

その次に行うのが

is we collect what's called a diffusion tensor imaging.

拡散テンソル画像の撮影です

This maps the large cabling in the brain.

脳内の線維連絡を画像化します

And again, you can think of this

こちらは言い方を変えれば

as almost mapping our interstate highways, if you will.

脳内の高速道路を映し出したものです

The brain is removed from the skull,

頭蓋骨から取り出された脳は

and then it's sliced into one-centimeter slices.

１cm厚にスライスされていきます

And those are frozen solid,

このように凍結し

and they're shipped to Seattle.

シアトルに発送されます

And in Seattle, we take these --

シアトルではというと

this is a whole human hemisphere --

この脳半球全部を

and we put them into what's basically a glorified meat slicer.

ハイテクなミートスライサーにかけます

There's a blade here that's going to cut across

この刃が

a section of the tissue

脳の組織をスライスし

and transfer it to a microscope slide.

顕微鏡のスライドグラスに乗せます

We're going to then apply one of those stains to it,

その後 染色を施し

and we scan it.

スキャンにかけます

And then what we get is our first mapping.

こうして最初の地図が得られます

So this is where experts come in

ここで専門家が基本的な

and they make basic anatomic assignments.

解剖学的特定を行います

You could consider this state boundaries, if you will,

このきれいな縁取りを

those pretty broad outlines.

州の境界とでも思って下さい

From this, we're able to then fragment that brain into further pieces,

ここから　更に脳を細分化していき

which then we can put on a smaller cryostat.

小型の凍結切片作成機にかけます

And this is just showing this here --

これは凍結された脳を

this frozen tissue, and it's being cut.

スライスしているところです

This is 20 microns thin, so this is about a baby hair's width.

厚さは赤ん坊の髪と同じ20ミクロンです

And remember, it's frozen.

これでもまだ凍っているんですよ

And so you can see here,

ご覧の通り少し時代遅れではありますが

old-fashioned technology of the paintbrush being applied.

ブラシを使って

We take a microscope slide.

スライドグラスの上に載せ

Then we very carefully melt onto the slide.

細心の注意を払ってこれを溶かします

This will then go onto a robot

その後染色ロボットで

that's going to apply one of those stains to it.

染色します

And our anatomists are going to go in and take a deeper look at this.

解剖学者たちがここから更に解析を行います

So again this is what they can see under the microscope.

これは顕微鏡の画像です

You can see collections and configurations

脳内に点在する大小様々な細胞からなる

of large and small cells

集合体や配置が

in clusters and various places.

確認できますね

And from there it's routine. They understand where to make these assignments.

ここから通常の方法で脳部位を特定していき

And they can make basically what's a reference atlas.

基準地図ができます

This is a more detailed map.

これはもっと詳細な脳地図です

Our scientists then use this

次に

to go back to another piece of that tissue

もうひとつの組織片を使い

and do what's called laser scanning microdissection.

レーザー光で組織の一部を切り取ります

So the technician takes the instructions.

ここでは技術者が切断する部位を

They scribe along a place there.

画面上でトレースし

And then the laser actually cuts.

レーザー光で切断していきます

You can see that blue dot there cutting. And that tissue falls off.

青い点が組織を切って 分離します

You can see on the microscope slide here,

スライドグラス上で

that's what's happening in real time.

切断をしている最中の画像です

There's a container underneath that's collecting that tissue.

下には切断後の組織の受け皿があります

We take that tissue,

切断された組織を取り出し

we purify the RNA out of it

ここから基本的な技術を利用して

using some basic technology,

RNAを精製します

and then we put a florescent tag on it.

そしてこれを蛍光標識します

We take that tagged material

標識されたサンプルを

and we put it on to something called a microarray.

マイクロアレイという機械で分析します

Now this may look like a bunch of dots to you,

ただの点の集合体に見えるかもしれませんが

but each one of these individual dots

それぞれの点が実は

is actually a unique piece of the human genome

ガラス上に固定された

that we spotted down on glass.

ヒトゲノムの特定の断片なんです

This has roughly 60,000 elements on it,

ここには約６万の要素がありますが

so we repeatedly measure various genes

ゲノム内の遺伝子を

of the 25,000 genes in the genome.

反復して測定しています

And when we take a sample and we hybridize it to it,

さて サンプルにハイブリッド形成すると

we get a unique fingerprint, if you will,

サンプル中で活性化している

quantitatively of what genes are turned on in that sample.

遺伝子の量を示す固有の「指紋」が得られます

Now we do this over and over again,

この一連の作業を

this process for any given brain.

１つの脳に何度も何度も繰り返します

We're taking over a thousand samples for each brain.

１つの脳から取るサンプル数は1000を上回ります

This area shown here is an area called the hippocampus.

ご覧頂いているのは学習と記憶をつかさどる

It's involved in learning and memory.

海馬という部位です

And it contributes to about 70 samples

1000のサンプルの内

of those thousand samples.

約70がこの部位から得られます

So each sample gets us about 50,000 data points

各サンプルから５万程のデータが得られるので

with repeat measurements, a thousand samples.

１つの脳から取るサンプルの数約1000個からは

So roughly, we have 50 million data points

大体の値としては脳ひとつにつき

for a given human brain.

データ数は5000万ということになります

We've done right now

現在までに２つの脳の

two human brains-worth of data.

データの解析が終わっています

We've put all of that together

こうして得られたデータを全て統合し

into one thing,

１つにまとめ上げました

and I'll show you what that synthesis looks like.

合わせたものがこちらです

It's basically a large data set of information

これは世界中の研究者に無償で公開されている

that's all freely available to any scientist around the world.

膨大な情報の集合体とでも言っておきましょう

They don't even have to log in to come use this tool,

このツールを使ってデータを探索して

mine this data, find interesting things out with this.

興味あることを発見するのにログインは不要です

So here's the modalities that we put together.

次にデータの統合方法をご紹介します

You'll start to recognize these things from what we've collected before.

こちらの画像は先ほどもお見せしましたね

Here's the MR. It provides the framework.

このMR画像が枠組みになります

There's an operator side on the right that allows you to turn,

右側にあるツールバーを利用して

it allows you to zoom in,

回転　倍率の変更

it allows you to highlight individual structures.

一つずつの構造をハイライトするなどの操作も可能です

But most importantly,

しかしそれ以上に大切なのは

we're now mapping into this anatomic framework,

この誰もが理解できる脳の解剖学的骨格に

which is a common framework for people to understand where genes are turned on.

どの遺伝子が活性化されているかを書き加えたことです

So the red levels

赤い部位は遺伝子が

are where a gene is turned on to a great degree.

高度に活性化されている部位です

Green is the sort of cool areas where it's not turned on.

緑の部分は活動していない部分になります

And each gene gives us a fingerprint.

一つずつの遺伝子の「指紋」が描けます

And remember that we've assayed all the 25,000 genes in the genome

お話しした通りゲノム中の25000の遺伝子すべてを解析しました

and have all of that data available.

その全てのデータを閲覧することができます

So what can scientists learn about this data?

研究者はここから何を学べるでしょう？

We're just starting to look at this data ourselves.

私たち自身はデータの解析を始めたばかりです

There's some basic things that you would want to understand.

ご理解頂きたい基本的なことがらがあります

Two great examples are drugs,

プロザックとウェルブトリンは

Prozac and Wellbutrin.

この上ない例です

These are commonly prescribed antidepressants.

２つとも広く処方されている抗うつ剤です

Now remember, we're assaying genes.

私たちの研究対象は遺伝子でしたね

Genes send the instructions to make proteins.

遺伝子がタンパク質合成の指令をだします

Proteins are targets for drugs.

タンパク質こそが薬物の標的なのです

So drugs bind to proteins

薬物はタンパク質に結合し

and either turn them off, etc.

不活性化したりするのです

So if you want to understand the action of drugs,

薬効を理解するには

you want to understand how they're acting in the ways you want them to,

まず期待通りに薬物が作用しているか否かを

and also in the ways you don't want them to.

理解する必要があるのです

In the side effect profile, etc.,

副作用に関しても どの遺伝子が

you want to see where those genes are turned on.

活性化されたか知る必要があります

And for the first time, we can actually do that.

初めてそれができるようになりました

We can do that in multiple individuals that we've assayed too.

複数の被験者からもデータが得られます

So now we can look throughout the brain.

脳内をくまなく探索することができますし

We can see this unique fingerprint.

固有の「指紋」を

確認することもできます

And we get confirmation.

We get confirmation that, indeed, the gene is turned on --

セロトニン作動性の神経に働くことが知られている

for something like Prozac,

プロザックなどの薬物が実際に関連した遺伝子を

in serotonergic structures, things that are already known be affected --

活性化していることが裏付けられます

but we also get to see the whole thing.

脳全体を見る必要もあります

We also get to see areas that no one has ever looked at before,

誰も調べたことのなかったような部位も調べる必要があります

and we see these genes turned on there.

そしてそこで活性化されている遺伝子を知ることができます

It's as interesting a side effect as it could be.

この上なく興味をそそる「副作用」です

One other thing you can do with such a thing

もう一つできることがあります

is you can, because it's a pattern matching exercise,

この地図はパターンマッチングを利用しており

because there's unique fingerprint,

それぞれに固有の「指紋」があるため

we can actually scan through the entire genome

このゲノム全体をスキャンして

and find other proteins

類似した「指紋」を持つタンパク質を

that show a similar fingerprint.

検索することができます

So if you're in drug discovery, for example,

例えば新薬開発を行う際には

you can go through

ゲノムの提供してくれる

an entire listing of what the genome has on offer

リスト全体を検討して

to find perhaps better drug targets and optimize.

よりよい薬物標的を見つけ最適化を図ることができます

Most of you are probably familiar

皆さんのほとんどは

with genome-wide association studies

「最近ある研究者がXに

in the form of people covering in the news

影響を及ぼす遺伝子を発見しました」というような

saying, "Scientists have recently discovered the gene or genes

ゲノムワイド関連解析についての

which affect X."

ニュースを耳にしたことがあるでしょう

And so these kinds of studies

このような素晴しい研究は

are routinely published by scientists

日常的に発表されています

and they're great. They analyze large populations.

多くの人を分析し ゲノム全体を分析して

They look at their entire genomes,

遺伝子と因果関係のありそうな

and they try to find hot spots of activity

活性化している いわゆる

that are linked causally to genes.

ホットスポットを探しているのです

But what you get out of such an exercise

しかしここから得られるのは

is simply a list of genes.

単なる遺伝子名のリストに過ぎません

It tells you the what, but it doesn't tell you the where.

その活動部位についての情報は皆無です

And so it's very important for those researchers

ですから 私たちの地図はこういった研究者にとって

that we've created this resource.

大変有益なものとなるでしょう

Now they can come in

この地図を利用して

and they can start to get clues about activity.

活動部位の情報を得ることもできますし

They can start to look at common pathways --

以前は 単純にできなかった

other things that they simply haven't been able to do before.

遺伝子活性経路のようなものを見ることもできます

So I think this audience in particular

ここにいる皆さんはとりわけ

can understand the importance of individuality.

個性のもつ重要性をより一層理解できるでしょう

And I think every human,

私たちは皆異なる

we all have different genetic backgrounds,

遺伝的背景を持ち

we all have lived separate lives.

異なる人生を生きてきました

But the fact is

しかし 実際には私たちの

our genomes are greater than 99 percent similar.

ゲノムの99%以上は似通っています

We're similar at the genetic level.

遺伝子レベルでは皆同じなんです

And what we're finding

脳も生化学的レベルでは

is actually, even at the brain biochemical level,

類似であるということが

we are quite similar.

明らかになりつつあります

And so this shows it's not 99 percent,

この図を見てみると

but it's roughly 90 percent correspondence

99%とは言わないまでも90%程の相関は

at a reasonable cutoff,

有意に認められるので

so everything in the cloud is roughly correlated.

概ね似ていると言えるでしょう

And then we find some outliers,

通常からから外れているものも

some things that lie beyond the cloud.

ときに見受けられます

And those genes are interesting,

こういった遺伝子は興味をそそるものの

but they're very subtle.

差異はごく僅かなものです

So I think it's an important message

そこで今日皆さんに覚えて頂きたい

to take home today

大切なメッセージとは

that even though we celebrate all of our differences,

私たちの個性は祝福されているものの

we are quite similar

脳という観点からすると

even at the brain level.

とても似通っているという点です

Now what do those differences look like?

さて 違いとはどんなものでしょうか？

This is an example of a study that we did

こちらはその違いに焦点を当てた

to follow up and see what exactly those differences were --

私たちの追跡調査の結果で

and they're quite subtle.

これは個々の細胞で活性化されている遺伝子の様子ですが

These are things where genes are turned on in an individual cell type.

違いはほんの僅かなものですね

These are two genes that we found as good examples.

この２つの遺伝子はそれを示すよい例だと思います

One is called RELN -- it's involved in early developmental cues.

ひとつは初期発生の決定要因であるリーリンです

DISC1 is a gene

DISC1 は統合失調症で

that's deleted in schizophrenia.

欠失の見られる遺伝子です

These aren't schizophrenic individuals,

これは統合失調症の患者さんからのサンプルではありませんが

but they do show some population variation.

ばらつきがいくらか見られます

And so what you're looking at here

ここでご覧頂いている

in donor one and donor four,

ドナー１ とドナー４ ですが

which are the exceptions to the other two,

この２つは例外で

that genes are being turned on

一部の特定の細胞だけで

in a very specific subset of cells.

遺伝子が活性化されています

It's this dark purple precipitate within the cell

この細胞内の暗紫色の沈殿物が

that's telling us a gene is turned on there.

そこで遺伝子が活性化されていることを示しています

Whether or not that's due

この現象が個人の遺伝子的背景のせいか

to an individual's genetic background or their experiences,

経験のせいかということは

we don't know.

わかっていません

Those kinds of studies require much larger populations.

こういった研究では もっと多くの被験者が必要です

So I'm going to leave you with a final note

最後に脳の複雑さと

about the complexity of the brain

これからの課題について

and how much more we have to go.

少し触れて終わりにしたいと思います

I think these resources are incredibly valuable.

これらのデータは大変有効なものです

They give researchers a handle

研究者たちにこれからの

on where to go.

道筋を示してくれます

But we only looked at a handful of individuals at this point.

しかし解析を行った被験者は指で数える程なので

We're certainly going to be looking at more.

私たちは解析を継続します

I'll just close by saying

最後に一言だけ言わせて下さい

that the tools are there,

ツールは出そろいました

and this is truly an unexplored, undiscovered continent.

これは前人未踏の未知の大陸であり

This is the new frontier, if you will.

これは最前線とでも呼びましょうかね

And so for those who are undaunted,

新たな発見を恐れず

but humbled by the complexity of the brain,

脳の複雑さに謙虚な方には

the future awaits.

未来が待ち受けています

Thanks.

ありがとうございました

(Applause)

(拍手)