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コネクトームとは：脳の配線図で分かることと分からないこと

2026/6/27 （更新: 2026/10/13）

🤖 AIを使用して執筆

「コネクトーム」が指す中身は、対象ごとに違う

FlyWire は、成体ショウジョウバエ(メス1個体)の全脳コネクトームで、139,255個のニューロンのあいだの約5,000万の化学シナプスを再構成した配線図だ³。脳を丸ごと一枚に収めた配線図としては、いまのところ最大である。ただし「最大」には全脳という条件がつく。同じハエでは脳と腹側神経索をつないだ配線図も2026年に2本出ており、ニューロン数は約16万と166,700で FlyWire より多いが、どちらも視葉の最外層（lamina）を欠く⁴⁵。シナプスの数だけを比べるなら、マウス視覚野の1立方ミリメートル片の再構成が自動検出で約5億2,400万シナプスあり、ハエ全脳の自動検出（約2億4,400万）から低スコアや重複などを除いた約1億3,000万の4倍ほどある⁶³。

ここで語の中身を決めておきたい。コネクトームは「神経系の結合の地図」だが、どの結合を数えたのかは対象ごとに違う。

FlyWire が数えたのは化学シナプスだけだ。論文自身が「このコネクトームは化学シナプスのみを含む。電気シナプスの同定は、より解像度の高い電子顕微鏡データセットを待つ」と断っている。考察では「解像度が上がれば電気シナプスも再構成できるかもしれない」と書き、電気シナプスは C. elegans のコネクトームには含まれている、と続けて、ここでの対比そのものを書いている³。線虫 C. elegans の配線図は、実際に電気シナプス(ギャップ結合)を別のレイヤとして持つ。雌雄同体の配線図は、向きのある化学シナプスの辺が4,887本、向きのないギャップ結合の辺が1,447本、という二層構造で公開されている(この辺の数は460ノードのグラフ全体のもので、ノードには302個のニューロンのほかに132個の筋肉と26個の非筋肉終末器官が含まれる)²。

この差は小さくない。ギャップ結合は双方向に電流を流し、伝達物質を介さず、時間特性も化学シナプスとは違う。ただし線虫側の電気シナプスの層も埋まってはいない。2011年に配線図を更新した論文は、ギャップ結合の多くは従来の固定・撮像法では電子顕微鏡像で見分けにくいため欠けている可能性が高い、と書いている¹。数えた種類が違うだけでなく、数えたと申告した層の埋まり方も違う。同じ「コネクトーム」という語が、この記事の二つの主役で指す中身が違うということだ。以下で「配線図に載らない」と言うときは、その配線図が何を数えたものなのかを毎回確かめる必要がある。

線虫の配線図は、40年かけて直され続けてきた

前例がある。線虫 C. elegans だ。ニューロンは雌雄同体で302個、雄で385個しかない²。

ただし「1986年に完成した」という言い方は正確ではない。欠落を埋めた更新版が出たのは2011年で、その論文は White ら1986年版について「腹側神経索のニューロンの結合には大きな欠落が残っていた」「公開された配線図は、正確でも完全でも自己整合的でもない」と書き、自らの更新版についても「それでも欠測と技術的困難のため約90%しか完全でない」と断っている。しかもその更新版は3匹の虫の部分的な撮像を合成したもので、後部中体の像は雄 N2Y のものだ¹。つまり、雌雄同体の配線図に雄個体の像が混じっている。雌雄そろった全個体レベルの配線図が出たのは2019年だ²。線虫の配線図は40年前に完成したのではなく、40年かけて直され続けてきた。

では、その配線から行動は決まったか。部分的にしか、決まっていない。示唆的なのが2023年の信号伝播アトラスだ。

やり方はこうだ。113匹の個体で、ニューロンを1個ずつ光遺伝学的に刺激し、全脳のカルシウム応答を同時に測る。得られたのは送り手と受け手のニューロン組23,433通りについての、伝播の符号・強さ・時間特性・因果の向きの記録だ。単位に注意がいる。23,433はニューロンの数ではなく、測ったニューロンの組の数である。二つの被覆率も混ぜないほうがいい。記録できたのは頭部188個のうち186個(99%)のニューロンの活動で、これは測れた側の数字だ。刺激と応答の組として測れたのは、頭部で可能な組の66%にとどまる（刺激されないまま記録だけされたニューロンもいる）。

結果は、伝播が解剖学ベースの予測とずれること、そしてその差にシナプス外の神経ペプチド伝達が効いていることだった⁷。ずれは精度の問題にとどまらない。化学シナプスもギャップ結合も一本も無い神経の組のあいだで、実際に信号が伝わっていた。M3L と URYVL がその例である。原典はさらに、野生型では信号が伝わるのに、神経ペプチドなどのシナプス外放出に欠陥のある unc-31 変異体では伝わらない組を53組挙げ、純粋にシナプス外の伝達の候補とし、これは下限だろうと書いている。配線図が手元にあってなお、信号がどう伝わるかは測りにいくしかなかった。

配線図に載らないもの

なぜ配線から機能が決まらないのか。静的な配線図が記録していない情報を、四つ挙げる。

符号(興奮か抑制か)。ここは誤解しやすい。伝達物質の情報自体は埋まりつつある。FlyWire は伝達物質の推定を配線図に同梱して配布しているし³、線虫では主要な伝達物質7種をノックイン標識で調べたアトラスが2024年に出ている⁸。だがそのアトラス自身が、複数の伝達物質を共放出しうる神経の範囲を大きく広げ、「専らニューロペプチド性かもしれない」神経を定義している。1つの神経に1つの伝達物質、という前提のほうが先に崩れている。

そのうえで、興奮性か抑制性かは送り手の伝達物質だけでは決まらず、受け手の受容体にも左右される。線虫からは、グルタミン酸で開く塩化物イオンチャネルが単離されている⁹。グルタミン酸を受けて抑制性に働きうる受容体があるということだ。だから伝達物質を同定しても符号は確定しない。事実、先の信号伝播アトラスは符号そのものを実測し、なぜ符号が解剖からは読めないかの実例も挙げている。AFD から AIY への結合は、グルタミン酸で AIY を抑制する機構を備えているのに、ペプチド伝達のせいで実際には興奮性だ（抑制の機構は先行研究の記述で、アトラスは同じ結合を自ら刺激して測っている）⁷。

時間とダイナミクス。行動は時々刻々と変わるが、配線は固定されている。同じ配線が、状態しだいで違う出力を出す。

神経修飾。ドーパミンやセロトニンは、同じ回路の効き方そのものを書き換える。総説の言葉では、解剖学的なコネクトームは最小限の構造を与えるものであり、行動を生む機能的な回路を構成し規定するのは神経修飾の環境である¹⁰。

ニューロン自身の電気的性質。線虫のニューロンは長らく、古典的な活動電位を持たないと考えられてきた。ただし例外が見つかっている。AWA嗅覚ニューロンは、EGL-19 電位依存性カルシウムチャネルで立ち上がり SHK-1 カリウムチャネルで終息する、全か無かのカルシウム性活動電位を発することが2018年に報告された¹¹。ニューロンがどのイオンチャネルを持つかは、配線図には書かれていない。

個体差についても一言いる。FlyWire が再構成したのは成体メス1個体の脳(中枢脳と視葉。腹側神経索は含まない)だ³。1枚の配線図から個体差は読み取れない。別の脳と突き合わせた研究では、細胞数と結合はおおむね定型的で、ときに個体差が現れると報告されている¹²。定型的、というのは幅が無いという意味ではない。同じ原典が量を出している。別個体を別の電子顕微鏡法で撮った配線図（hemibrain）と比べると、一方の配線図で30シナプスある辺は、もう一方では平均29本に保たれるが、4分の1は13本未満になる。この幅にはシナプス検出率や再構成の完了率の差も混じっており、原典は辺の重みの差が30%以下なら技術雑音だけで説明されうると断っている。右半球で34シナプスを受けるのに、左半球でも別個体でも1本も無い下行ニューロンもある。線虫でも、同じ遺伝背景の8個体の脳を誕生から成体までの発達段階ごとに再構成した研究が、個体間で結合に大きな差があると報告している。成長に沿った一貫した変化とは別に数えて、細胞間の結合の約43%（化学シナプスの数では16%）が個体間で保存されていなかった¹³。

配線図だけでは機能が決まらないという指摘は、神経科学の側でも早くから出ていた。2013年の総説は、神経系の機能を理解するには結合図のほかにどんな情報が要るのかを正面から問い、ニューロンのダイナミクス、神経修飾、並列回路の存在を挙げている¹⁴。「配線図では分からない」ではなく「配線図だけでは決まらない」。この区別が本題の芯にあたる。

配線図は効く、別の層を足したときに

配線図が土台として効くことは、すでに実証されている。

幼生ゼブラフィッシュの脳幹では、再構成した配線図から組んだ回路モデルが、眼球位置の細胞レベルの符号化と神経ダイナミクスを予測し、カルシウムイメージングによる活動記録で統計的に検証された¹⁵。ただしこのモデルは、配線だけで動いたわけではない。原典は「最小限の生理学的制約」として、一部の細胞を抑制性・残りを興奮性とする符号の割り当てを先行研究から持ち込み、ネットワークの時定数は検証に使うのと同じカルシウムイメージングの減衰時間に合わせて調整している。さらに、モデルが出す眼球位置感受性を実験と比較できる絶対値にするために、原典は別種の金魚の前運動ニューロンの発火記録に合わせた大域スケール因子を掛けている。

網膜では、借りものが結論を担っている。マウス網膜の方向選択性は、ある型の双極細胞がスターバーストアマクリン細胞の樹状突起の細胞体に近い側に、別の型が遠い側に配線する、という電子顕微鏡由来の事実だけからは出てこない。決め手になったのは、近い型が遠い型より視覚応答で 50〜100 ミリ秒遅れるという、別の生理実験から借りてきた時間の情報だった。配線に時間を重ねた数理モデルが、時空間に傾いた受容野、すなわち方向選択性が生じうることを示した¹⁶。

ハエでも、FlyWire の配線と推定伝達物質を土台にした全脳の発火モデルが動いた。糖や水の味覚ニューロンをモデル上で刺激すると、実際に味に応答し摂食開始に必要なニューロンを正しく予測する。水の経路では、水に応答すると予測した2個のニューロンがカルシウムイメージングで実際に応答し、摂食開始に要ると予測した6個のうち5個は、光遺伝学的に抑えると水への口吻の伸展が有意に減った¹⁷。さらに摂食領域のニューロンを刺激すると運動ニューロンの発火が起きるという予測が立ち、光遺伝学的な活性化と行動実験で検証された¹⁷。

注目したいのは、このモデルが配線だけでは動いていないことだ。推定した伝達物質という別の層を重ね、さらに生物物理パラメータを先行の電気生理・モデリング研究から借りて、はじめて発火モデルになる（原典が自由パラメータとして残したのはシナプス1個あたりの膜電位変化ひとつだけで、その1つも先行の実測に合わせて決めている）。ただし推定伝達物質の層は、符号を決めきってはいない。著者ら自身が、個々のグルタミン酸結合が興奮性か抑制性かを脳全体の規模で予測することは現時点ではできない、と書き、グルタミン酸を抑制性と仮定して置いている。仮定を興奮性へ反転させると、苦味と Ir94e が抑制性だという計算結果は消え、光遺伝学検証の偽陽性率は1%から16%へ上がる¹⁷。先に述べた符号の問題は、ハエの全脳モデルの内側にそのまま残っている。原典自身も限界の節で、各ニューロンを興奮性か抑制性のどちらか一方と仮定し、受容体の動態は無視し、神経ペプチドと神経修飾は扱っていない、と列挙している¹⁷。考察でも、神経修飾やシナプス外の伝達が多い回路はうまく模せないとし、それは線虫で解剖学的な結合だけでは信号伝播を予測できないという先の信号伝播アトラスの結果と合う、と書いている¹⁷。線虫で足りなかったものも、種類としては同じだった。符号、時間、修飾、ニューロン自身の性質である。

ハエの視覚系では、動きの検出にかかわる64の細胞型の配線図からニューロンの活動を予測したモデルもあり、その予測は26の研究が報告した神経活動の実測と合った¹⁸。このモデルも配線だけでは組まれていない。結合の符号は伝達物質と受容体の発現の解析から入れ、ニューロンとシナプスの未知の性質は、動きを検出するという課題をこなせるよう最適化して決めている。原典は符号を実測から外して最適化に任せる条件も試しており、ON と OFF のどちらに応答するかの予測が正確だったのは、符号の実測がある場合だった¹⁸。著者らは序論で、配線だけでも課題だけでも回路の仕組みは一意に決まらないと書いている¹⁸。

配線図に載らない層も、原理的に測れないわけではない。現に符号は光刺激で測られ、伝達物質はノックイン標識で調べられ、細胞型は注釈として重ねられている。マウス視覚野の一片でも、約75,000個のニューロンの視覚応答を先に記録してから、同じ組織の配線が再構成されている⁶。

この記事はAIを使用して執筆されました。内容には誤りが含まれる可能性があります。事実や数字の出典は脚注から確かめられます。