AIセグメンテーションと人手による校正で雄ショウジョウバエの全中枢神経系コネクトームが完成、1億2,500万シナプスを公開

Google Research、HHMI Janelia、ケンブリッジ大学、英国MRC Laboratory of Molecular Biology（MRC LMB）は、雄ショウジョウバエの中枢神経系全体を対象とする初の完全なコネクトームを正式に発表した。データは中央脳と視葉から、脊髄に相当する腹側神経索までを網羅し、16万6,000個超のニューロンと約1億2,500万個のシナプスを収録している。脳のみを対象とした従来のアトラスと異なり、研究者は感覚入力が頸部の接続領域を越え、脚などの運動を制御する運動ニューロンへ到達する過程を、同一のマップ上で追跡できるようになった。

構築工程では、まず集束イオンビーム走査型電子顕微鏡（FIB-SEM）でナノメートルスケールの画像を取得し、続いてGoogleの機械学習システムが切片画像をつなぎ合わせ、初期の三次元セグメンテーションを行った。その中核となる技術の一つがflood-filling networksで、畳み込みニューラルネットワークが単一のピクセルを起点に、隣接するどのピクセルが同じ細胞に属するかを反復的に予測する。しかし、自動処理の結果がそのまま最終成果になるわけではない。Janeliaとケンブリッジ大学の専門家が、誤った接続の修正、シナプスのアノテーション、細胞型の判定を一つずつ行った。この成果は、現在のコネクトミクス向けAIの限界も示している。モデルは探索空間を大幅に縮小できるものの、コストのかかる人手による校正をまだ不要にはできていない。

新しいデータにより、雄と雌の成体神経系全体をシナプス解像度で比較することも初めて可能になった。チームは、性特異的な細胞型を262種類、性的二型を示す細胞型を114種類特定した。これらを合わせても中央脳の約4.8％にすぎないが、接続の差異はより広範なネットワークへ波及し得る。このデータは、求愛、攻撃、感覚運動変換を研究するうえで、行動から局所的なニューロンを逆推定するだけでは得られない、検証可能な候補回路を提供する。

データはCC BYライセンスで公開されており、研究者はNeuPrintで接続を検索し、Neuroglancerで画像を閲覧できるほか、PythonおよびRのパッケージを使ってプログラムによる解析を行える。ただし、コネクトームが記述するのは構造であり、時間とともに変化するシナプス強度、神経調節、神経系全体の活動状態は含まれていない点に注意が必要だ。また、データは主として単一の雄標本に由来する。今後の重要課題は、複数個体のコネクトームを再構築し、活動イメージングや遺伝子発現データと対応付けること、そして監査可能な精度を維持しながら、AIセグメンテーションによって人手による校正作業をさらに削減できるかを検証することである。