脳を「透視」しよう！中国の科学者が新たなスーパー顕微鏡を開発

著者: Shi Xiangqi、Li Chuanfu

素晴らしい映画やテレビのシーンに浸っているとき、脳内の何億ものニューロンがすぐに活性化し、互いに相互作用して特別な神経回路を形成することを想像してみてください。これらの複雑なニューラルネットワークはどのようにして意識を生み出すのでしょうか?脳が誤って打撃を受けた場合、免疫細胞はどのようにして素早く反応し、患部のどこへ急行するのでしょうか?細胞の異常から始まる腫瘍の発達の全プロセスは何ですか?

上記の質問の答えを見つけるために、清華大学の学者ダイ・キョンハイ氏のチームは、前例のないツールであるスーパー顕微鏡 RUSH3D を開発しました。この顕微鏡の登場は、ミクロの世界とマクロの世界をつなぐメソスコピックスケールにおける重要な前進を意味します。研究者は、生きた哺乳類の組織における細胞間の大規模かつ多様な相互作用をパノラマ的、動的かつ長期的に観察し、これらの生命活動の壮大な謎を探ることができるようになりました。

スーパー顕微鏡RUSH3D。写真提供：清華大学

最近、戴瓊海氏のチームは、トップクラスの国際学術誌「Cell」に研究成果を発表し、新世代のメソスコピック生体内顕微鏡装置RUSH3Dの発売を発表しました。この成果は、メソスコピックスケールでの生きた哺乳類の3次元観察に関する国際的な研究のギャップを埋めるだけでなく、複雑な生物学的プロセスの研究に新たな視点を提供します。

従来の光学顕微鏡は単一細胞内の物質相互作用プロセスに焦点を当てることができますが、生体組織を観察する場合、視野と解像度の間に固有の矛盾があるために制限されることがよくあります。 RUSH3D の登場により、研究者は初めて哺乳類の臓器規模で、パノラマ方式で細胞レベル以下の精度で組織の異質性を動的に観察できるようになりました。これにより、時間と空間における前例のないクロススケールイメージング機能を使用して、生体組織内の完全な生理学的および病理学的プロセスにおける大規模で多様な細胞の動的な相互作用の挙動をその場で研究できるようになります。

スーパー顕微鏡RUSH3Dイメージング効果。写真提供：清華大学

この技術的進歩は、戴瓊海院士のチームの長年にわたるたゆまぬ努力によるものです。彼らは2013年に早くもメソスコピック生体内顕微鏡の分野で研究を始めました。 2018年には世界初となる10億画素メソスコピック蛍光顕微鏡「RUSH」の開発に成功しました。このシステムは、メソスコピック顕微鏡の分野における先駆者として国際的な同業者から高く評価されました。しかし、当時のRUSHシステムは、2次元センサーを使用して高速3次元画像化を実現する方法、長期のレーザー照射による細胞損傷を回避する方法、複雑な画像化環境によって引き起こされる光学収差や背景干渉を克服する方法、弱い光条件下での画像化信号対雑音比を改善する方法、大規模なメソスコピックデータを効率的に処理する方法など、一連の技術的なボトルネックに直面していました。

その後 6 年間、戴瓊海院士のチームは重要な問題に取り組み続け、走査光場イメージング原理、デジタル適応光学アーキテクチャ、仮想走査アルゴリズム、共焦点走査光場アーキテクチャ、自己教師ありノイズ除去アルゴリズムなどの重要な理論と技術を提案しました。彼らは、メソスコピック生体内顕微鏡画像化における一連の障壁を一つずつ解決し、新世代のメソスコピック生体内顕微鏡装置RUSH3Dの出現の基礎を築きました。

スーパー顕微鏡RUSH3Dが技術的なギャップを埋めます。写真提供：清華大学

RUSH3D の登場は、技術面で大きな進歩をもたらしただけでなく、実用化においても大きな可能性を示しました。脳科学の分野では、RUSH3D は、映画を見ている覚醒状態のマウスの脳全体を、長期間、高速で 3 次元的に撮影することができ、十分な空間解像度で、観察された 17 の脳領域に星がちりばめられた神経ネットワークを提示することができます。これにより、生物学的知能や意識などの脳機能の原理の探究、脳変性疾患の研究促進を強力にサポートし、脳に着想を得た人工知能の探究をさらに促進します。免疫学の分野では、RUSH3Dは急性脳損傷後の複数の脳領域における細胞レベルの免疫反応を初めて観察し、多数の好中球が非血管領域から脳内に移動・逆流することを発見し、免疫学研究に新たな視点をもたらしました。

戴瓊海院士チームのこの成果は、わが国の科学研究力を証明するものであるだけでなく、人類による生命の謎の探究への重要な貢献でもあります。彼らの努力により、私たちは脳についてより深く理解できるようになり、生命の謎に近づくことができました。将来的には、RUSH3D のような高度な機器の継続的な応用と開発により、人類の生命に対する理解が新たなレベルに到達すると信じるに足る理由があります。これらの超顕微鏡が私たちに生命のさらなる秘密を明らかにし、人類の健康と幸福にさらなる希望をもたらしてくれることを期待しましょう。