プラトンの著作によれば、人間が経験をすると、脳に何らかの変化が生じ、その原動力は記憶、特に長期記憶です。
この変化について、ニューヨーク大学神経科学教授のアンドレ・フェントン氏と、ウィスコンシン大学マディソン校細胞・再生生物学助教授のアビシェク・クマール氏は、マサチューセッツ州ウッズホールにある海洋生物学研究所（MBL）で研究しています。
「私の人生における仕事は、心の仕組みを理解すること、特に記憶を理解することです。記憶とは、単に脳内の過去の痕跡としてではなく、脳が持つ未来の予測として理解することです」とフェントン氏は述べています。
研究者たちは、NVIDIA RTX GPUとHP Zワークステーションを活用して膨大なデータセットを可視化し、カスタムAIツールと科学探究のための仮想現実（VR）プラットフォームであるsyGlassを統合することで、プロジェクトをさらに進化させました。
このプロジェクトは、国立精神衛生研究所（NIH）とチャン・ザッカーバーグ・イニシアチブからの助成金も受けています。
神経の森の解明
記憶は脳の海馬の役割です。タツノオトシゴに似たこのC字型の構造は、MBL研究グループの主要な研究対象です。
フェントン氏は、海馬内の細胞を森に例え、数十億個のニューロンが小さな木の幹のように見え、幹から伸びる線が葉のように見えると述べています。
神経細胞核（左）と樹状突起（右）または神経細胞の枝分かれした突起の投影画像。画像はマシュー・ペアレント氏とダリル・ワトキンス氏が取得しました。
研究チームは、タンパク質マーカーを表すこれらの「葉」のごく一部を研究しています。葉は1枚あたり約1マイクロメートルと長いため、非常に手間のかかる作業です。研究者は、海馬に存在するタンパク質マーカー全体のわずか約1%を占める、脳細胞の森をくまなく探して正しいタンパク質マーカーを見つけなければなりません。
研究者たちは、これらのタンパク質の研究プロセスを簡素化し、その多様な構造から記憶の符号化について何が明らかになるかを探ろうとしていました。
タンパク質マーカーに関する十分な3Dボリュームデータの収集と分析は、NVIDIAとHPの技術がワークフローに導入されるまで、プロジェクトのボトルネックとなっていました。
「これは膨大な計算課題であり、HPとNVIDIAの技術によって、最初のステップである3D画像データのキャプチャ、確認、保存が可能になりました」とフェントン氏は述べています。
MBLの研究者たちはこれらの技術を用いて、10テラバイトのボリュームデータをキャプチャし、人間の視覚品質検査を実施しました。
記憶を理解することで神経疾患を予防できる
チームの最終目標は、記憶の機能を分子レベルで解明することです。これは、アルツハイマー病や認知症など、神経認知に関連する脳疾患の根本原因の研究を促進する可能性があります。
「人々は通常、記憶を精神的健康の一部だとは考えませんが、ほとんどすべての精神機能障害は、脳に記憶されているもの、つまり信念、期待、不安、そして期待するものに依存しています」とフェントン氏は述べています。「これらはすべて、記憶があるときに起こるさまざまな側面であり、ほとんどすべての神経精神疾患や精神療法はこの理解に依存しています。」
これらの大規模な問題を解決するための一歩として、研究者たちは、タンパク質が海馬の誤った場所に移動した場合に記憶にどのような影響が及ぶかを調べています。
研究チームはまた、複数のNVIDIA RTX GPUを搭載したHP Z高性能ワークステーション上でsyGlassを使用してキュレーションおよび保存された高解像度3D画像を通じて、脳細胞の構造と機能の相関関係を調べています。
「何かがどのように構築されているかを理解できれば、問題があればそれを分析して根本原因を突き止めることができます」とクマール氏は述べています。 「まさにそれが私たちの狙いです。記憶がどのように保持されるのかを理解し、問題が発生した場合に解決策を見つけられるようにしたいのです。」
バーチャルリアリティと学生の探究心を実現
NVIDIA RTX GPUを搭載したHP Z6デスクトップワークステーションでsyGlassを使用することで、研究者たちの取り組みは時間のかかる作業からインタラクティブな科学的探究へと変わりました。これは高校生の参加に最適な取り組みです。
「HP-NVDIA-syGlassシステムのおかげで、3人の高校生インターン生を巻き込むことで革新的な取り組みを実現できました」とクマール氏は語ります。「彼らは私たちの科学に抽象的な興味を持っており、syGlassのバーチャル体験が彼らを魅了する可能性があると私たちは考えました。そして、その考えは正しかったのです。」
研究者たちはこの夏、好奇心旺盛なこの3人の学生を研究室に招き、VRヘッドセットを使って記憶タンパク質を分析しました。VRヘッドセットはデータを3Dで視覚化します。
彼らの課題は、記憶に関連する特定のタンパク質を見つけ出し、それらをラベル付けすることでした。これは単純な作業のように聞こえるかもしれませんが、インターン生たちは数十億ものニューロンの海から、研究に関連するわずか数千のタンパク質マーカーを見つけ出すために、精査する必要がありました。
syGlass VRヘッドセットを使ってタンパク質マーカーを特定する高校生インターン生。撮影：アンドレ・フェントン
このパイロットプログラムの成功を受けて、チームは現在、高校生による研究機会の拡大を検討しています。
「なぜ3人の学生だけで済ませる必要があるのでしょうか？」とフェントン氏は言います。「来年は10人の学生が複数の場所で脳について学び、私たちが脳について学ぶことができるようになるかもしれません。」
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