１ 概要
东京都立大学大学院人文科学研究科の保前文高教授（言语の脳遗伝学リサーチコア兼担）は、高知大学、东京大学大学院、ウィーン医科大学との国际共同研究で、ヒト胎児の脳においてニューロン※１（神経细胞）が移动する际に利用される「足场※2（放射状の构造）」の分布を、计算机モデルによって仮想的に构筑しました。
本研究では、脳室※3と皮质板※4の下层表面の形态や位置関係に加え、ニューロン生成の空间的な勾配を取り入れた独自の数理的枠组みを设计し、胎児脳におけるニューロンの移动パターンを再现しました。その结果、足场の分布は脳全体で一様ではなく、特定の领域で集中的に存在することが明らかになりました。特にシルビウス沟※5周辺では、足场を利用するニューロンの移动が多く见られ、この领域特有の発达や复雑な折り畳み构造の形成に関与している可能性が示されました。
本研究の意義は、生物学的知見と神経画像データを計算機モデルに統合することで、従来の遺伝子発現や分子レベルの調節だけでは説明しきれなかった脳の大規模な形態形成の仕組みに新たな光を当てた点にあります。すなわち、脳室と皮质板の幾何学的な関係やニューロン生成の勾配が、脳のマクロな構造を形づくる決定要因となり得ることを示しました。これにより、前頭葉?側頭葉などの領域間の差を説明する新しい視点を提供し、脳の進化的?発達的特性の理解に資する成果です。さらに、脳表面の形態と内部の足場構造との関係をモデル化したことによって、胎児期における脳の発達メカニズムを体系的に記述するための基盤を築きました。今後は、この枠組みを応用することで、ヒトに特徴的な言語や認知機能の発達を支える神経基盤の理解が一層深まることが期待されます。本研究は、2025年11月10日（月曜日）午前9時（日本時間）に科学雑誌「Cerebral Cortex」オンライン版に掲載されました。
2 ポイント
?胎児脳におけるニューロンの移动を支える放射状の足场を仮想的に构筑。
?脳室と皮质板下層の形態や位置関係、神経生成の勾配を組み込んだ計算機モデルを設計。
?生物学的な知见をふまえたモデルでは、シルビウス沟周辺にニューロンが多く移动する倾向を再现。
?ヒトの脳特有の脳沟形成や言语などの机能発达を司る神経基盘の解明に向けた重要な手がかりを提供。
３ 研究の背景
ヒトの大脳は胎児期に急速に成长して、妊娠中期から后期にかけて体积と表面积が大きく拡大し、表面には复雑な脳沟や脳回が形成されます。たとえば、岛皮质※6が周囲の脳领域に覆われてシルビウス沟が闭じる「被盖化」は、この时期に特徴的な発达现象の一つです。こうした形态的変化は、认知机能を支える基盘になると考えられています。
生物学的知見に基づく「ラジアルユニット仮説（Radial unit hypothesis）」によれば、ニューロン（神経細胞）は脳室帯や脳室下帯と呼ばれる脳の深部で神経幹細胞から生成され、細長いラジアルグリア細胞が形成する放射状の「足場」に沿って皮質板へと移動するとされています。表面積の拡大は、神経幹細胞の増殖によってニューロンを収める「カラム（柱状単位）」の数が増えることで生じ、厚みの増加は生成されたニューロンが各カラム内を移動して皮質表面に到達することで起こると考えられています。この移動は脳の基本的な構造をつくる重要なプロセスであり、足場の分布が細胞の行き先を左右します。しかし、脳全体における放射状足場の分布や、それが領域ごとの脳形成にどのような影響を与えるのかについては、これまで十分に明らかにされていませんでした。
そこで本研究では、胎児MRIデータを基盤として、「足場」の分布を計算機モデルにより仮想的に構築することに挑みました。脳室と皮质板の下層表面の形態や位置関係に加え、神経細胞生成の空間的な勾配を取り入れた独自の数理的枠組みを設計することで、従来の生物学的?解剖学的手法では捉えにくかった脳形成の幾何学的要因を明らかにすることを目指しました。
４ 研究の详细
本研究では、妊娠19?22週に撮像された胎児惭搁滨画像をもとに、脳室表面から皮质板の下层表面（白质侧の内面）へと伸びる“仮想的な足场”を全脳スケールで计算しました。评価にあたっては、①足场の向き（どの方向に足场が伸びやすいか）、②供给量（脳室侧からどれだけニューロンが供给されるか）、③発生の勾配（ニューロンがどの领域で生まれやすいか）の叁つの要素を统合しました。さらに、大脳基底核や视床によって実际には通过しにくい経路を除外することで、现実に近い移动経路をモデル化しました（図１、２）。得られた値を皮质内面に投影することで、「その场所に流入し得るニューロンの多さ」を示す地図を作成しました。解析は二つのモデルに分けて検証しました。
図 1. 仮想的な「足場」の模式図。マゼンタで示した脳室から、緑で示した皮質板の下層表面に向けて、ニューロンの移動を支える足場を描いた。青から赤になるにつれて、
足場をつたわって移動するニューロンが多いことを示している。 大脳基底核と視床を黄色で表わした。脳を左斜め上から見て、前頭の一部を拡大して示している。
図 2. モデル２を用いて構築した「足場」。上位0.1％の大きさの結果のみを図示した。X軸は左右方向、Y軸は前後方向、Z軸は上下方向を表わしている。
モデル1（均一発生モデル）：几何学的な関係だけで説明できる部分を见极める
まず、生物学的な条件を加えず、脳室と皮质の几何学的な配置だけを基にシミュレーションを行いました。その结果、ニューロンの分布は全脳で一様ではなく、形の要因だけでも集まりやすい场所と集まりにくい场所が生じることが确认されました。ただし、シルビウス沟周辺に见られる顕着な集中は现れず、形だけでは脳形成を十分に説明できないことが明らかになりました。すなわち、几何学的要因は必要条件ではあるものの、领域特异性を生み出すには生物学的な追加要因が必要であることが示されました。
モデル2（勾配モデル）：生物学的知见を组み込み、领域特异性を再现
フェレットやマウスを対象とした先行研究では、 外側が内側よりも、また、前方が後方よりもニューロンを多く生成するという傾向が報告されています。この傾向をモデルに組み込み、幾何学的な関係と発生の勾配を組み合わせて検証したところ、シルビウス溝周辺の領域でニューロンが高密度に分布し、早期から多くのニューロンが流入することが示されました（図３）。これは、ヒト胎児の神経画像研究で報告されている「この領域で皮質や皮質板下層が厚い」という所見や「高い拡大率を示す」という観察と一致しており、領域特異的な皮質の拡大や被蓋化を生み出す仕組みの一端が説明されました。幾何学に発生の勾配を重ね合わせることで、従来の観察だけでは把握しにくかった「どこに、どれだけニューロンが集まるのか」を全脳レベルで数量化することに成功しました。
図 3. モデル２を用いてニューロンの移動量を示した。赤で示した領域は、多くのニューロンが移動することを示している。シルビウス溝周辺領域と、前頭葉のない側面にそのような領域が集中している。
５ 研究の意义と波及効果
本研究によって、ヒト胎児脳におけるニューロンの移动を支える足场の分布を、几何学的要因と神経生成の勾配を统合した计算机モデルで示すことができました。この成果は、従来の観察的手法だけでは十分に把握できなかった「どの领域にニューロンが集まりやすいのか」を全脳スケールで数量化した点に大きな意义があります。特に、シルビウス沟周辺の领域に见られた高密度なニューロンの分布は、これまで报告されてきたこの领域の厚みや拡大率の高さと整合し、脳の领域ごとの発达の违いを説明する有力な仕组みを提示しました。
さらに、このモデルは脳形成の理解において、新しい视点を与えます。従来、脳の复雑な折り畳みや领域ごとの拡大は、主に遗伝子発现や分子シグナルの违いによって説明されてきました。しかし本研究は、脳室と皮质の几何学的関係にニューロン生成の勾配を组み合わせるだけで、领域特异的な発达现象を定量的にモデル化できることを示しました。つまり、遗伝的なプログラムと形态的な制约の相互作用が、ヒト特有の大规模な脳构造を生み出す基盘である可能性を具体的に示しました。
この成果は、脳形成に関する研究において、二つの波及効果をもたらします。第一に、胎児期における脳沟?脳回の形成过程を、数理的かつ空间的に検証できる新しい枠组みを提供します。これにより、个别の领域がどのように拡大し、折り畳まれていくのかを体系的に解析する道が开かれました。第二に、胎児惭搁滨などの非侵袭的计测と数理モデルを组み合わせることで、今后、発达研究や临床応用への展开が可能になります。例えば、脳形成の异常が生じた场合にどのような影响が生じるかについて、形态とニューロンの移动の双方から検讨できる可能性があります。
このように、本研究はヒト胎児の脳の领域特异的な発达を説明する理论的基盘を筑くとともに、脳の进化的特徴や言语を含めた高次脳机能の発达を理解するための重要な手がかりを提供します。
6 用语解説
※１【ニューロン】
神経系を构成する主要な细胞で、电気信号を用いて情报を受け取り、処理し、他の细胞へ伝达する。脳の発达过程では、主に脳室近くにある神経干细胞から产生される。
※２【足场】
脳室周囲で产生されたニューロンは、大脳表面に向かって放射状に伸びるラジアルグリア细胞を足がかりとして移动する。ラジアルグリア细胞は、脳室侧と大脳表面侧をつなぐ长い突起をもち、この形が脳の构筑において建设工事の「足场」に相当する役割を果たすことから、比喩的に「足场」と呼ばれる。
※３【脳室】
大脳の深部にある脳脊髄液で満たされた空间で、その表面付近にニューロンを产生する层が存在する。今回のモデルでは、このニューロン产生层を直接扱う代わりに、脳室の表面を発生源として用いた。
※４【皮质板】
胎児期に大脳の表面侧に形成される、ニューロンが密集した层で、将来の大脳皮质の基盘となる。
※５【シルビウス沟】と※６【岛皮质】
大脳の左右の半球に存在する最も深く大きい沟（くぼみ）。発生过程で大脳（终脳）は颁字状に后方へ回転するように成长し、その颁字の中心部にくぼみが形成される。このくぼみの底が将来の岛皮质となり、その縁にあたる部分がシルビウス沟である。成长に伴い、周囲の大脳皮质がくぼみを覆うように発达する现象を「被盖化」と呼び、この过程によって岛皮质は内侧に埋め込まれる。シルビウス沟は、大脳の侧头叶と前头叶?头顶叶を分ける重要な境界の目印となる。
7 论文情报
【タイトル】
A computational model of radial scaffolds in the human fetal brain based on MRI
【着者名】
Fumitaka Homae*, Ernst Schwartz, Daisuke Tsuzuki, Hirotaka Gima, Hama Watanabe, Daniela Prayer, Gregor Kasprian, Georg Langs and Gentaro Taga*
* Co-corresponding authors
【雑誌名】
Cerebral Cortex
【顿翱滨】
【研究助成】
本研究は、科学研究費助成事業（課題番号: 19KK0247、23H05425）の助成を受けて行いました。
８ 问合せ先
【研究に関すること】
東京都立大学大学院 人文科学研究科 教授 保前文高
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【大学に関すること】
东京都公立大学法人
東京都立大学管理部 企画広報課 広報係
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