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?脳の神経细胞は、どのようなルールでつながっているのかを、実际の脳データを使って解析
?神経配線データと脳内の遺伝子発現データから、神経の行き先を表現する「遺伝子の濃度勾配でコードされた脳内配線地図」を読み解く新しい解析手法 SPERRFY を開発
?この脳内配线地図を使うことで、実际の脳内の配线パターンを高い精度で再现
?脳全体の大まかな接続构造と局所的な细かい接続构造が、阶层的な浓度勾配によって制御されている可能性を示唆
?神経回路形成に関わる可能性の高い遗伝子候补を体系的に抽出でき、脳発生や神経疾患研究への応用が期待
名古屋大学大学院医学系研究科/広島大学大学院統合生命科学研究科の本田直樹 教授、小池二元 特別研究学生（広島大学大学院統合生命科学研究科博士課程学生）らの研究グループは、神経回路の配線原理を全脳スケールで解明することに成功しました。 本研究では、マウス脳全体の神経配線データと脳内の遺伝子発現データを統合し、遺伝子の濃度勾配によってコードされた「脳内配線地図」をデータ駆動で読み解く新しい解析手法 SPERRFY を開発しました。この脳内配線地図を用いることで、実際の脳内の配線構造を高い精度で再現できることを示しました。
脳は自然界に存在する构造体の中でも最も复雑なものの一つであり、その回路构造である神経コネクトームは、私たちの认知机能や行动、さらには个性そのものを规定しています。これまで、神経回路の形成において轴索投射を制御する分子メカニズムは精力的に研究されてきましたが、それらがどのように统合され、脳全体として一贯した配线构造が构筑されているのかという设计原理については、神経科学における长年の谜とされてきました。
本研究は、神経配线构造と遗伝子発现分布という异なる阶层の大规模データを统合し、データ駆动で解析することにより、遗伝子の浓度勾配によってコードされた「脳内配线地図」という概念を导入し、神経回路の配线原理を全脳スケールで読み解くことに成功しました。これは、分子レベルの知见と脳全体の构造を结びつける初めての体系的な枠组みを提示するものです。
今后、マウスにとどまらず、ヒトや霊长类、昆虫など、さまざまな生物种において神経配线データや空间的な遗伝子発现データが蓄积されていくと考えられます。本研究で确立した解析枠组みをこれらのデータに适用することで、神経回路の配线原理が生物种を超えてどのように共通し、どのように进化してきたのかに迫れることが期待されます。
本研究成果は、2026年3月3日付国際学術雑誌『Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America』に掲載されました。
脳の神経回路は、単に近くにある神経细胞同士が无作為につながっているわけではありません。発生期の脳では、神経细胞は轴索を伸ばす际に接続すべき「目的地」を认识することで、适切な配线构造を形成します。この过程では、さまざまな分子が空间的な浓度勾配を形成し、神経细胞に位置情报を提供することで、适切な投射先を决定すると考えられています。
このような分子の浓度勾配によって神経配线が制御されるという考え方は、化学亲和説（＊1）として知られ、神経回路形成を理解するための重要な理论的枠组みとして提唱されてきました（図1）。特に视覚系などの构造が単纯な回路では、分子の浓度勾配が神経の投射位置を规定することが実験的にも示されています。一方で、このような神経回路形成メカニズムが、脳全体の复雑な神経回路构造（コネクトーム（＊2））の形成とどのように関连するのかという点については、长年の谜となっています。
図1：分子浓度勾配による神経配线制御
(1) 遺伝子の濃度勾配によってコードされた「脳内配線地図」の抽出
本研究では、マウスのコネクトームデータと脳内遺伝子発現（＊3）データに着目し、脳全体の配線原理をデータ駆動的に解析しました。脳全体の神経回路においても「分子の濃度勾配が神経配線の位置情報を与える」という関係性が成り立つのならば、コネクトームデータと、分子濃度勾配の基盤となる遺伝子発現データの間にも、同様の規則性が潜んでいることが予想されます。本研究では、この規則性を機械学習でデータ駆動的に解析する新たな解析手法 SPERRFY を開発することにより、データ中の配線構造を最もよく説明するような遺伝子発現の濃度勾配の組を抽出しました（図2）。この濃度勾配は、「どの脳領域同士がつながりやすいか」を規定する位置情報を表しており、遺伝子によってコードされた「脳内配線地図（＊4）」として解釈することができます。
図2：新規解析手法 SPERRFY による「脳内配線地図」の解読
（上）厂笔贰搁搁贵驰による脳内配线地図の解読
（下）データから解読されたマウス脳の脳内配线地図
(2) 脳内配線地図による神経回路構造の高精度な再構成
次に、データから抽出された脳内配线地図を用いて、マウス脳の神経配线构造の再构成を行いました。その结果、この配线地図に基づいて再构成された神経回路は、実际の神経配线パターンと高い一致を示しました。特に、単纯な物理的距离だけでは説明できない配线构造も、この脳内配线地図によって説明できることが示されました。これは、データから抽出した脳内配线地図が、実际の神経回路构造の特徴を适切に捉えていることを意味します。
(3) 濃度勾配による階層的な神経配線制御の可能性
さらに解析を进めた结果、脳全体の大まかな接続构造を规定する浓度勾配と、个々の领域内や领域间のより细かな接続を调整する浓度勾配が存在することが示唆されました。これは、神経配线が単一の浓度勾配ではなく、复数の阶层的な遗伝子の浓度勾配によって制御されている可能性を示すものであり、脳の复雑な回路构造を理解する上で重要な知见です。
(4) 神経回路形成に関わる遺伝子候補の体系的同定
さらに、抽出された脳内配线地図と类似した空间分布を示す遗伝子を解析することで、神経回路形成に関与する可能性の高い遗伝子候补を体系的に同定しました。これらの遗伝子の中には、轴索诱导や神経発生に関与することが知られている遗伝子が含まれており、本研究で抽出された脳内配线地図が、生物学的に妥当な神経配线原理を反映していることが示唆されました。
本研究で開発した解析手法 SPERRFY は、遺伝子の濃度勾配によってコードされた脳内配線地図をデータ駆動で読み解くことにより、神経配線原理を全脳スケールで解析するための汎用的な解析枠組みです。今後、本手法を発生段階の脳データや、ヒトや霊長類などの他の動物種のデータに適用することで、生物種を超えて共通する神経配線原理や、種ごとの特徴を明らかにできると考えられます。また、本研究で同定された遺伝子候補は、神経回路形成の分子メカニズムの理解を深めるとともに、発生異常や神経疾患の分子基盤の解明にも貢献する可能性があります。将来的には、実験研究と組み合わせることで、神経回路形成の因果的メカニズムの解明へと発展することが期待されます。
本研究は、以下の研究プロジェクトの支援のもとで行われたものです。
?JST 科学技術イノベーション創出に向けた大学フェローシップ創設事業 JPMJFS2129
?JST 次世代研究者挑戦的研究プログラム JPMJSP2132
?JST ムーンショット型研究開発事業目標 2050 年までに、超早期に疾患の予測?予防をすることができる社会を実現 JPMJMS2024-9
?AMED 脳神経科学統合プログラム（個別重点研究課題）JP25wm0625322, JP25wm0625210
?自然科学研究机构分野融合型共同研究事业、贰虫颁贰尝尝厂连携研究（19-102）
＊1）化学亲和説：神経细胞は分子の浓度勾配を手がかりとして接続先を决定するという理论。1963年にロジャー?スペリーによって提唱された。
＊2）コネクトーム：神経细胞は分子の浓度勾配を手がかりとして接続先を决定するという理论。
＊3）遗伝子発现：遗伝子の情报をもとに尘搁狈础やタンパク质が作られる过程のこと。脳内では遗伝子ごとに発现量の空间分布が异なり、神経配线の位置情报として机能すると考えられている。
＊4）脳内配线地図：遗伝子発现の浓度勾配から推定された、脳内の各领域の接続のしやすさを表す位置情报。
雑誌名：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
論文タイトル：A data-driven framework linking the connectome to spatial gene expression gradients inspired by chemoaffinity theory
著者：小池二元（広島大学大学院 統合生命科学研究科、名古屋大学大学院 医学系研究科）、中江健（福井大学 学術研究院工学系部門）、平 理一郎（東京科学大学大学院 医歯学総合研究科）、矢田祐一郎（名古屋大学大学院 医学系研究科）、本田直樹（名古屋大学大学院 医学系研究科、広島大学大学院 統合生命科学研究科、名古屋大学 One Medicine生命-創薬共創プラットフォーム）
DOI: 10.1073/pnas.2516572123
【研究者连络先】
名古屋大学大学院医学系研究科 データ駆动生物学
教授 本田 直树 （ほんだ なおき）
罢贰尝：052-744-1980
E-mail: honda.naoki.t1@f.mail.nagoya-u.ac.jp
【报道连络先】
名古屋大学医学部?医学系研究科 総務課総務係
TEL：052-744-2228 FAX：052-744-2785
贰-尘补颈濒：颈驳补-蝉辞耻蝉蔼迟.尘补颈濒.苍补驳辞测补-耻.补肠.箩辫
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掲載日 : 2026年03月16日
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