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個別化薬物治療のためのシナプスマッピングが画期的な進展を遂げる
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ヒトの脳には最大で860億個のニューロンが存在します。これらは何兆ものシナプス接続を形成し、各ニューロンが他のニューロンと結びついて複雑なネットワークを作り出します。
ニューロンはシナプスという接合部でシナプスシグナルを介して相互に通信し、そこではニューロンが他のニューロンを興奮させたり抑制したりします。
一方、シナプス接続とは、ニューロン同士が電気的および化学的シグナルを用いて通信する接合部です。シナプス接続のマッピングは、ニューロンがどのように相互に接続されているか、そしてその接続の強さがどれほどかを特定するプロセスです。これらの接続構造は脳機能を決定すると考えられており、このプロセスは極めて重要です。
しかし、シナプス接続のマッピングと特性評価は未解決の課題です。現在、数百件程度のシナプス接続しかマッピングできていませんでしたが、ハーバードの研究者による最新の研究で、正確に7万件以上に拡大され、神経科学、特にニューロン記録の分野における大きなブレークスルーとなりました。
この規模のマッピングとカタログ化は、約2,000本のラットニューロンを対象に、微小孔電極を備えたシリコンチップを用いて同時に小さくても顕著なシナプス信号を検出することで実現されました。
このような進歩により、シナプス接続の詳細なマップを作成でき、ニューロンがどのように結びつき、通信しているかをより深く理解できるようになります。
「Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array」というタイトルの研究は、今月『Nature Biomedical Engineering』に掲載されました1。公開されました
研究によれば、大規模なニューロンの細胞内記録の並列化は、ニューロンネットワーク全体のシナプス信号を測定できるようになるため、シナプス接続のマッピングと特性評価を可能にする重要な課題であり、克服しなければなりません。
高度なチップイノベーションによるニューロン記録のスケールアップ
シナプス構造の可視化には電子顕微鏡（EM）が非常に有効であることが分かっていますが、ニューロン接続の強度は測定できません。これにより、ニューロンネットワークの機能性を説明する能力が制限されます。
ここでパッチクランプ記録が登場し、個々のニューロンに穿刺して微弱な信号も高感度で捕捉できるため、シナプス活動をより正確に研究できる手法を提供します。
科学者のエルヴィン・ネーアーとバート・サックマンは、パッチクランプ技術により1991年の生理学・医学ノーベル賞を受賞しました。実験的測定装置は、イオンチャネルが筋収縮や神経インパルス伝達などの重要な細胞機能を駆動する存在と機能を証明しました。この技術により、チャネルの主要な特性を微細に定義することも可能になりました。パッチクランプ技術
この手法は研究者が接続強度を特定・測定するのに役立ちますが、これまで同時に数個以上のニューロンから細胞内信号を記録することに苦労してきました。
ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学大学院（SEAS）の共同シニア著者であるドンヒー・ハム教授が率いるこの部門の研究者と、ハーバード大学化学・化学生物学部門の研究者は、先進的なチップを開発しました。
具体的には、チームはチップ上に4,096個の微小孔電極アレイを構築しました。この装置は約2,000本のラットニューロンに対する大規模並列細胞内記録を実施しました。
これにより研究者はシナプス信号に関する豊富なデータを得て、7万件以上の妥当なシナプス接続を抽出しました。
この研究は、チームが数年前に開発した画期的なデバイスに基づいています。当時、4,096本の垂直ナノニードル電極アレイが同一の集積回路設計のシリコンチップから突き出ていました。画期的なデバイスに基づいて構築されています
この電子チップは、表面に垂直に立つプラチナ粉体コーティング（信号伝達能力向上のため）のナノメートルスケール電極の高密度アレイを備えていました。
そのデバイス上では、ニューロンがニードルに巻き付くことで細胞内記録が可能となり、多数の電極を通じて並列化されました。当時、チームは1,700本以上のラットニューロンを記録し、300件以上のシナプス接続をマッピングできました。
達成した数値は記録的でしたが、チームはさらに改善できると考え、最新の研究に至りました。
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接続マッピングのための細胞内記録の革命的進化
サムスン電子のサムスン先端技術研究所の支援を受け、チームは相補型金属酸化膜半導体（CMOS）チップ上にプラチナ/プラチナブラック微小孔電極アレイを設計・製造しました。
このアレイは、電極を通じて小電流を注入し、細胞をやさしく開くことで細胞内記録を並列化するように操作されました。
シリコンチップ内の統合エレクトロニクスは、微小孔電極と同等に重要な役割を果たし、精巧な方法でやさしい電流を提供して細胞内アクセスを取得し、同時に細胞内シグナルを記録します。—Woo-Bin Jung
一方、ここで使用された微小孔設計はパッチクランプ電極に似ています。これらの微小孔電極には主に2つの利点があります：
- 製造がはるかに容易です
- 以前チームが使用した垂直ナノニードル電極よりもニューロン内部への結合が優れています
このアクセス性は、我々の研究のもう一つの重要な特徴です。
– ジュン・ワン、ポストドクトラル研究者兼共同リードオーサー
この新設計により、チームは優れた成果を達成できました。平均で、微小孔電極の90％（4,096本中3,600本以上）が細胞内に統合され、これによりチームは7万件の妥当なシナプス接続を抽出でき、ナノニードル電極アレイで得られた300件に比べてはるかに多くなりました。
チームは定量的な結果だけでなく、記録データの質も向上させ、シナプス接続をその強度と特性に基づいて分類できました。
シナプス接続は電気的シナプス接続、強力/顕著な興奮性、弱い/顕著でない興奮性、抑制性化学シナプス接続に分類され、全体で約5％の誤差率と推定されました。
研究によれば、これほど広範なレベルでのシナプス接続マッピングとシナプス接続を特定する能力は、大規模ニューロンネットワークの機能的接続マッピングへの大きな一歩です。
以前のバージョンでは、研究者は高性能チップを用いて薬剤がシナプス接続に与える影響を計算しました。当時、チームは依存症、自閉症、アルツハイマー病、パーキンソン病、統合失調症などの神経疾患の薬物テスト用にウェーハ規模のシステムを構築していると述べました。
生物学的シナプスネットワークのマッピングは、機械知能が次世代の人工ニューラルネットワークやニューロモーフィックプロセッサを構築するための新たな戦略も提供します。
現在、チームは並列細胞内記録から得た膨大なデータに基づきシナプス接続への洞察を得たので、「生体脳に展開できる新しい設計に向けて取り組んでいます」。
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脳マッピングとニューロテクノロジーの進展
このような研究は、脳の複雑なシナプス接続に対する理解を深め、ニューロン相互作用の複雑さを明らかにするだけでなく、脳マッピングにおける先進的研究の基盤を提供し、脳研究の未来を形作る数多くのエキサイティングな進展の一つです。
結局のところ、脳は興味深いものの複雑な構造であり、研究者や機関の関心が高まっている分野です。興味深いことに、脳を研究し理解すればするほど、その複雑さは増していきます。ハーバード大学の分子・細胞生物学教授ジェフ・リクトマンは、自然を単に記述するだけで次のことが明らかになったと述べています：
「脳は私たちが考えていたよりも複雑である」
この10年以上にわたり、リクトマンは大脳皮質の特定領域（1立方ミリメートル）にアクセスし、人間の脳における接続の詳細なマップを作成しています。昨年末、ハーバード・マガジンは、ニューロンを支え保護するグリア細胞が2対1で支配していることを分析で明らかにしたと報じました。しかし、その理由はまだ解明されていません。
彼と同僚は、各細胞に多数のシナプスを持つ非常に強い接続がいくつか観察され、情報が脳内を非常に速く流れることを可能にしており、彼らは「それが記憶かもしれない」と述べています。
このために、彼らは女性の側頭葉組織を使用し、5,000以上の切片に分割し、各切片を専用のマルチビーム電子顕微鏡で非常に高解像度で走査しました。
Googleの研究者は新しいニューラルネットワーク手法を構築し、各スライスの項目を特定して3次元空間を作成しました。撮影したサンプルは57,000個の細胞、230ミリメートルの血管、1億5,000万個のシナプスを含んでいました。
リクトマンは次に、ヒト脳ではまだ不可能なマウス全脳のマッピングを目指しています。一方、プリンストン大学の科学者チームは成虫のショウジョウバエの脳をマッピングしました。マッピングしました
以前、研究者は3,000個のニューロンを持つ幼虫段階のショウジョウバエの脳をマッピングしましたが、成虫のショウジョウバエは約140,000個のニューロンと数千万のシナプスで構成されています。このマップは2,100万枚のショウジョウバエ脳画像とAIモデルを用いて構築されました。この設計図を活用し、研究者はどのニューロンがどの行動に関与しているかを解明しようとしています。
米国国立衛生研究所（NIH）のBRAINイニシアチブのディレクター、ジョン・んガイは「人間が作ったどのコンピュータよりも強力である」と述べ、多くの点で「しかし大部分で、その根底にある論理はまだ理解できていない」と付け加えました。
もし「ニューロンがどのように相互接続しているかの詳細な理解」がなければ、健康な脳で何が正しく機能し、病気で何が誤っているかの基本的な理解も得られません。
このため、脳のマッピングに対する関心が高まっています。マクギル大学ヘルスセンターの研究所の科学者は、今月「オプトマッピング」という手法を実装し、ニューロン研究を劇的に加速させました。手法を実装しました
チームはすでに30,000件以上の候補接続をテストし、マウス脳の視覚皮質で約1,800個のシナプスを特性評価しました。
オプトマッピングを用いた主な発見には、異なるタイプの抑制性ニューロンへの独自の接続パターンが含まれ、脳皮質層における情報フローの理解に挑戦しています。また、いくつかの接続が信号を増幅し、他の接続が抑制するなど、脳の通信パターンの微妙なバランスも示しました。
さらに、異なるニューロンタイプの活性化に不均衡があることを観察し、これは自閉症やてんかんなどの状態に役立つ可能性があります。変化を特定することで、オプトマッピングはより的確で効果的な治療につながるでしょう。
興味深いことに、今月、テックジャイアントのMeta Platforms (META ) は、思考だけでテキストを生成できるデバイスを開発したと発表しました。このために、脳スキャナーとBrain2QwertyというAIモデルが使用され、手術なしで脳から言語をデコードしました。発表しました
しかし、いくつかの制約により、製品が商業化される可能性は極めて低いです。例えば、磁気信号検出に使用される磁気脳波計（MEG）は非常に大型で、約0.5トンの重量があり、費用は200万ドルと高額です。また、地球の磁場を減衰させるためにシールドルームでのみ動作します。
しかし、これは確実に人間の脳とコミュニケーションの理解を進める助けとなります。
「人間の脳の正確な構造や原理を理解しようとすることは、機械知能の開発に示唆を与える方法となり得ます。それが道です。」
– MetaのBrain & AIチームリーダー、ジャン＝レミ・キングはTech Reviewに語りました。
調査結果は、システムが「熟練」したタイピストが押すキーを最大80％の精度で検出できることを示しています。完璧ではありませんが、研究者は脳信号から完全な文を構築するのに十分な精度だと述べました。
主にソーシャルメディアとAIに携わる時価総額1.76兆ドルの企業からのこれらの開発は驚きかもしれませんが、Metaは長年にわたりニューロテクノロジー研究に関与しています。
また、純粋なニューロテクノロジー企業とは異なり、Metaは収益性があるため、リソースを心配せずに関連研究に投資できます。
META 価格チャート
参考までに、同社は最近の第4四半期決算を報告し、売上高が483億ドルで前年同期比21％増加したことを示しました。実際、平均で33億5千万人のデイリーアクティブユーザーが製品を利用しています。この期間中、Metaは250.2億ドルの費用・支出と148.4億ドルの資本支出を記録し、フリーキャッシュフローは131.5億ドル、現金・現金同等物・有価証券は778.1億ドルでした。また、今年はAIへの投資として約600億〜650億ドルを発表しています。
この分野を牽引する企業
それでは、同分野で重要な進展を遂げている上場企業を見てみましょう。
1. Neuronetics, Inc.
この医療技術企業は、神経健康障害を抱える患者向けに製品を開発しています。そのNeuroStar Advanced Therapy Systemは、経頭蓋磁気刺激（TMS）を用いて気分に関連する脳領域を刺激する非侵襲的治療です。成人の大うつ病性障害（MDD）患者の治療に使用されます。
時価総額2億6700万ドルのSTIM株は、執筆時点で1株4.80ドルで取引されており、年初来で驚異の198.14％上昇しています。EPS（TTM）は-1.22、P/E（TTM）は-3.94です。
STIM 価格チャート
2024年第3四半期において、Neuroneticsは収益1,850万ドル、純損失1,330万ドル、現金残高が2023年末の5,970万ドルから2,090万ドルに減少したと報告しました。この期間中、米国で48台のNeuroStarシステムを出荷し、収益は410万ドルに達し、治療セッションは2％増加しました。
NeuroneticsはGreenbrook TMSも買収しており、CEOのキース・J・サリバンによれば、収益性への道を加速させることが期待されています。
予備的な第4四半期の結果によれば、Neuroneticsの第4四半期の収益は2,210万ドル、2024年全体で7,450万ドルと見積もられています。しかし、同社は今年の期待を上方修正し、総収益を1億4500万ドルから1億5500万ドル、第三四半期にプラスのキャッシュフローを見込むと発表しました。発表しました
#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation
この医療技術企業は、てんかん、ジストニア、振戦、パーキンソン病、慢性疼痛などの神経疾患に苦しむ患者向けに、脳刺激、EEG記録、アブレーションのための低侵襲ソリューションを開発しています。
同社の製品には、脳組織の記録、モニタリング、刺激のためのEvo皮質電極技術が含まれます。
さらに、機能的神経外科手術のために神経組織に「高周波病変」を作成するOneRFアブレーションシステムがあります。NeuroOneは実際にOneRFアブレーションシステムのFDA認可を取得しており、電気活動の報告と神経組織のアブレーションの両方に対して認可を受けた唯一の製品です。
NMTC 価格チャート
時価総額3,456万ドルのNMTC株は現在1株1.12ドルで取引されており、年初来で35.61％上昇しています。EPS（TTM）は-0.27、P/E（TTM）は-4.21です。
2025会計年度第1四半期に、同社は製品収益330万ドル、製品粗利益190万ドルを報告し、営業費用は減少しました。2024年12月31日時点で、現金・現金同等物は110万ドルで、2024年9月30日時点の150万ドルよりも少なくなっています。
結論
脳に関する研究のブレークスルーは人類の進歩にとって重要です。結局のところ、脳は思考、記憶、感情から運動、視覚、聴覚に至るまでほぼすべての機能を制御する最も重要な器官です。したがって、脳をより深く理解することは不可欠であり、最新の大規模シナプス接続マッピングの研究は、ニューロンがどのように相互作用し通信するかを解読する上で重要な一歩となります。
これらの進展がさらに洗練されることで、脳の機能に関する深い洞察への道が開かれ、複雑な疾患に対する新たな治療戦略を支援し、神経学研究を革命的に変える可能性があります。
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研究参考文献：
1. Wang, J., Jung, W. B., Gertner, R. S., et al. (2025). Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array. Nature Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01352-5
