米・Allen研究所と電気通信大学(電通大)の両者は11月18日、日本の基幹スーパーコンピュータ「富岳」の膨大な計算能力を用い、動物の脳シミュレーションとして、約1000万のニューロン(神経細胞)、約260億のシナプス(神経接続部)、そして相互に接続された86の脳領域を有し、その形態と機能の両方を再現した、これまでで最大かつ最も精緻で生物物理学的に詳細な「マウス大脳皮質モデル」を構築したと共同で発表した。

  • マウス全大脳皮質シミュレーション

    マウス全大脳皮質シミュレーション。(左)約1000万個のニューロンと260億個のシナプスを三次元空間上の適切な位置に配置することで、マウス大脳の外形が浮かび上がる。(中央)(左)の拡大図。大脳皮質の機能単位とされる、6層からなる解剖学的構造のカラム構造。カラム内のニューロンは協調動作し、機能を生み出す。(右)(中央)の拡大図。個々のニューロン。それらは特徴的な空間形状を持ち、細胞内に電流が流れる。電流の拡散により細胞内カルシウム濃度が変化し、15種類あるイオンチャネルが開閉して、非線形なスパイク応答を示す(出所:電通大プレスリリースPDF)

同成果は、Allen研究所のAnton Arkhipov博士、電通大の山﨑匡准教授(情報・ネットワーク工学専攻)、同・栗山凜大学院生、同・秋良花綾博士らに加え、高度情報科学技術研究機構、山口大学、理化学研究所 計算科学研究センターの研究者も参加した国際共同研究チームによるもの。詳細は、11月21日まで米・ミズーリ州セントルイスで開催中のスーパーコンピューティングに関する国際会議「SC'25」にて口頭発表の予定で、それに先立ち同国際会議の公式サイトにて論文が公開された。

SF扱いだった“全脳モデル”はもはや現実の域に

世界最速級のスーパーコンピュータである「富岳」は、毎秒40京回を超える演算性能を持つ。富岳はノードと呼ばれる数千の小型部品で構成され、それらがユニット、シェルフ、ラックといった単位で層状にグループ化されている。これらのコンポーネントを合計すると15万8976ノードになり、これにより「富岳」は膨大なデータ量と計算処理を可能にしている。

研究チームは今回、Allen研究所の開発した「Brain Modeling Tool Kit」を用い、「富岳」をデータを動作するマウスの大脳皮質のデジタルシミュレーションへと変換させた。さらに、電通大で開発された生物物理学的神経回路シミュレータ「Neulite」が、その数式を生きた細胞さながらに発火し、信号を送って、情報を伝え合うニューロンへと変化させた。これにより、具体的には約1000万のニューロン、約260億のシナプス、そして相互に接続された86の脳領域が再現され、その形態と機能の両方が実現した。

シミュレートされたマウスの大脳皮質を観察することは、まるで生物学的な活動をリアルタイムで見ているかのようだという。そこでは、ニューロンから伸びる樹状突起、シナプスの活動、そして細胞膜を行き交う電気信号の変動に至るまで、脳細胞の実際の構造と振る舞いが捉えられているとした。

研究チームは今後の長期的な目標について、これまでの研究で解明されつつある生物学的な詳細情報のすべてを統合した、マウスの全脳モデルを開発することとする。さらに将来的には、ヒトの脳モデルの構築を目指すとしている。

なお現在は、単一の脳領域のモデル化から、マウスの脳全体のシミュレーションへと駒を進めている最中とのこと。「富岳」のような強大な計算能力が実現された今、生物物理学的に精緻な全脳モデルの構築は、もはやサイエンスフィクションの話ではないといい、今回の成果は、「脳を理解する」ことが文字通り「脳を構築する」ことと等しくなる、新たなフロンティアへの第一歩となるとした。

研究チームは、今回のマウス大脳皮質モデルを用いることで、「疾患において何が起きているのか」、「特定の脳波のパターンはどのように形作られるのか」、「てんかんの発作は脳内でどう広がるのか」といった詳細な問いを立て、その仮説を検証できるようになることを期待しているとする。これまで、これらの問いは実際の脳組織を用いて、一度に1つの実験でしか検証できなかったが、今回のマウス大脳皮質モデルの実現により、研究者は仮説を仮想空間で検証できるようになった。また、このような脳シミュレーションは、脳障害の解明にも役立つと期待されるといい、将来的には、症状が現れる前に問題がどのように始まるかを突き止め、デジタル環境で安全に新しい治療法を試すことも実現されるとしている。