スタンフォード大学医学部主導の研究で、人間の脳は実は2つの独立した器官であることが判明

スタンフォード大学医学部の研究者たちは、ヒトの脳が2つの異なる器官であることを証明した。この発見は、その一方——脳幹——を侵す壊滅的な疾患を研究する機会を生み出す。

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神経生物学 2026年9月18日

人脳は2つの独立した器官であるとスタンフォード大学医学部主導の研究が発見

著者：Krista Conger スタンフォード大学医学部が主導した新研究により、脳は互いに隣り合う2つの独立した器官であることがわかった。この発見は、壊滅的な神経疾患の研究に役立つ可能性がある。

何世紀もの間、科学者たちは脳を単一の統一された器官とみなしてきた。だがスタンフォード大学医学部が主導した新研究は、私たちが脳と呼んでいるものが実は2つの異なる器官であり、数億年をかけて独立に進化してきたことを明らかにした。\nこの発見は、脳の発達に関する主流のモデルを覆す。数十年来、研究者たちは次の理論を支持してきた。発生の初期に単一の前駆細胞が存在し、それが脳全体を生み出すというものだ。このモデルは、脳のあらゆる部分が共通の発生起源を持つことを意味していた。\n新しい研究結果が示すのは、ヒトの脳が2つの古い神経系の巧みな寄せ集めだということだ。一方はより原始的な部分で心拍や呼吸などを司り、もう一方は私たちを本当の意味での人間——詩を書き、数学を解き、自らの起源を問う存在——にしている。\nこの発見は、科学者たちがなぜ何十年も一部の種類の脳細胞を実験室で培養するのに苦労してきたのかを説明する助けになるかもしれない。また、脳幹を侵す壊滅的な疾患——脊髄性筋萎縮症（SMA）や筋萎縮性側索硬化症（ALS、ルー・ゲーリッグ病）——を研究する新たな道も開く。\n「脳の前部と後部がまったく異なる前駆細胞に由来することを初めて示しました」と、発生生物学の准教授であるKyle Loh博士は言う。「この発見により、脳の後部、つまり後脳に由来するニューロンを培養皿で作り、その機能を研究できるようになりました」\nこれらの知見は9月18日に_Nature Neuroscience_に掲載された。Lohが責任著者である。大学院生のCarolyn DundesとRayyan Jokhaiが共同筆頭著者を務めた。\n

2つの脳

成体の脳は主に3つの領域に分かれる。前脳、中脳、後脳だ。前脳は言語、意識、抽象的推論といった高次の思考活動を担う。対照的に、頭蓋の後部に位置し脳幹とも呼ばれる後脳は、生命維持に不可欠な自動機能——呼吸、睡眠、心拍や空腹感の調節——を司る。後脳のニューロンはさらに、顔や舌、喉の筋肉を制御しており、これらの筋肉は発話や嚥下に関わる。

後脳はきわめて重要でありながら、科学者たちは何十年もの間、ヒトの後脳ニューロンを実験室で育てることに苦労してきた。この空白が、脳幹を侵す壊滅的な疾患——脊髄性筋萎縮症（SMA）や筋萎縮性側索硬化症（ALS）を含む——の研究を妨げてきた。

SMAは1歳未満の子どもの死亡における主要な遺伝的原因である。ALSは通常40〜70歳で診断され、前脳と後脳の両方に影響する。どちらの疾患でも、一部の後脳ニューロンが徐々に機能を失い、患者は嚥下能力を失い、食物や液体が肺に吸い込まれると肺炎を引き起こしうる。最終的に患者は呼吸する能力を失う。

研究者たちの突破口は、胚発生のごく初期——身体の形が粗方定まる原腸胚形成期——の研究からもたらされた。JokhaiとDundesは、後脳が前脳と中脳を生み出す経路から枝分かれするのではなく、それと並行して独立した発生経路をたどることを見出した。

この発見は、発生中のマウス胚の観察から得られた。彼らは2種類の異なる脳前駆細胞を同定した。一方はOtx2遺伝子を発現し、前脳と中脳になる運命にある。もう一方はGbx2遺伝子を発現し、後脳を形成する運命にある。この2つの細胞集団は決して重ならず、発生の最も早い段階から互いに排他的であることを彼らは証明した。

チームは次に、これらの細胞におけるDNAの包装、すなわちクロマチンを調べた。クロマチンとは、細胞がどの遺伝子を使いやすくし、どれを棚上げにするかを決める仕組みである。その結果は驚くべきものだった。前神経外胚葉（将来の前脳と中脳）と後神経外胚葉（将来の後脳）は、根本的に異なるクロマチン構造を持っていた。これらの違いは事実上、それぞれの前駆細胞を自らの運命に固定する。決して交わらない平行線上の旅人のように。

「後脳ニューロンを作ろうとしたこれまでの試みは、おそらく前脳や中脳の前駆細胞を後脳細胞に仕向けようとしていたのでしょう。そして私たちの研究は、それが不可能だと示しています」とJokhaiは言う。

この発見は、この分野が数十年抱えてきた難題を説明する。科学者たちは、ある前駆細胞を、それが根本的になることのできない別の細胞に変えようと試みてきたのだ。

「幹細胞生物学では、人々は常にニューロンのような終末細胞型を作ることに執着します」とJokhaiは言う。「しかし胚発生の最も早い段階から始めることが重要です。この初期の時点に注意深く目を向けたからこそ、脳の発達におけるこの根本的な分裂を発見できたのです」

後脳ニューロンを作る

この知見を得て、研究者たちは初めて、ヒト多能性幹細胞（人体のあらゆる細胞に分化できる細胞）を機能的な後脳運動ニューロンへと実験室で誘導することに成功した。これらの実験室で育てたニューロンは、本物の後脳細胞の特徴をすべて備えていた。活動電位と呼ばれる電気的活動の波を示し、顔や嚥下の筋肉を制御する後脳の各分節を標識するタンパク質を作り出したのだ。

最後に、研究者たちは5億5000万年の進化をさかのぼった。彼らはニワトリ、ゼブラフィッシュ、そして驚くべきことにオークルイムシ——海底に生息し、ヒトと遠い共通祖先を持つ微小な生物——に、同じ二起源の脳のパターンを見出した。クラゲはおよそ6億〜7億年前にヒトと分岐したが、その体の両端にそれぞれ1組ずつ神経系を持つ。

「私たちの研究は、進化が2つの既存の神経系を空間的に押し合わせたことを示している」とLohは言う。「脳は1つの器官としてのほうが効率的だっただろうが、私たちはこの原始的な方法に依存し、脳を2つの独立した部分として作っている。」

「この発見には驚いた。『脳』という言葉は連続した器官を暗示し、単一の起源を持つ可能性が高いからだ」とJokhaiは言う。「しかし5億年前の時点でさえ、これらの独立した神経系が存在し、今ではほぼ1つのまとまりとして機能している。これは非常に興味深い。」

この研究は、SMA、ALS、その他脳幹に影響を与える疾患の治療法を探るうえでも意味を持つ。これまでこうした疾患の研究はほぼ不可能だった。科学者は生きている患者から脳幹組織を採取できないからだ。これらのニューロンを培養皿で育てられれば、どこで問題が起きているかを理解する新たな道が開ける。肥満治療に関連する意外な接点もある。後脳には飢餓を調節する神経回路が含まれており、これはsemaglutideなどの減量薬が作用する仕組みそのものだ。

研究者たちは、脊髄の発生起源へと研究を広げ、SMAとALSが後脳ニューロンの機能を実際にどう損なうのかを解明したいと考えている。

「今や私たちにはモデルがあり、これらの破壊的な疾患をよりよく理解し、再生医療へと向かうことができる」とJokhaiは言う。「脳研究における非常にエキサイティングな新たなフロンティアだ。」

この研究にはCaltechとUCSFの研究者が参加した。

この研究は、米国国立衛生研究所（プロジェクト番号DP5OD024558、DP2GM146258、R00GM121852、R01DK115728、R01DE027538、T32GM119995、T32GM007365、T32GM007790、F31DE031154）、米国科学財団、カリフォルニア再生医療研究所、脊髄性筋萎縮症財団、スタンフォード母子健康研究所の助成、スタンフォードBeckmanおよびLudwigセンター、Siebel幹細胞研究所、Stinehart-Reed財団の助成、Gatsby慈善財団、ハワード・ヒューズ医学研究所、Packard財団、Pew慈善信託、Baxter財団、ヒューマン・フロンティア科学プログラム、ならびに匿名、Fickel、Gilbert、Stinehart-Reedの各家族からの資金提供を受けた。

何百年もの間、科学者は脳を単一で統一された器官と見なしてきた。だがスタンフォード大学医学部が主導した新たな研究は、私たちが脳と呼ぶものが実は2つの独立した器官であり、それぞれが数億年をかけて別々に進化してきたことを示している。

この発見は、脳の発生に関するこれまでの主流モデルを覆す。数十年来、研究者は発生の初期に単一の祖細胞が存在し、そこから脳全体が生じると信じてきた。このモデルは、脳のすべての部分が共通の発生起源を持つことを意味していた。

新たな研究結果は、ヒトの脳が2つの古い神経系を巧みに1つにまとめたものだと示す。一方はより原始的で、心拍や呼吸などを担う。もう一方は私たちを本当の意味で人間にし、詩を書き、数学を解き、自らの起源を問わせる。

この発見は、科学者が数十年来ある種の脳細胞を実験室で育てられずにきた理由を説明するかもしれない。脳幹に影響する破壊的な疾患、たとえば脊髄性筋萎縮症（SMA）や筋萎縮性側索硬化症（ALS、別名ルー・ゲーリック病）を研究する新たな道も開く。

Kyle Loh

「脳の前部と後部がまったく異なる祖細胞に由来することを初めて示した」と、発生生物学の准教授で博士のKyle Lohは言う。「この発見は、脳の後部、つまり後脳に由来するニューロンを培養皿で育て、その機能を研究できるようになったことを意味する。」

研究結果は9月18日に Nature Neuroscience に掲載された。Lohが責任著者。大学院生のCarolyn DundesとRayyan Jokhaiが共同筆頭著者を務めた。

2つの脳

成人の脳には3つの主要な領域がある。前脳、中脳、後脳だ。前脳はより高次の思考、すなわち言語、意識、抽象的推論を担う。対して、頭蓋の後部に位置し脳幹とも呼ばれる後脳は、生命維持に欠かせない基本的な自動機能を制御する。呼吸、睡眠、そして心拍や飢餓感の調節だ。後脳のニューロンは、顔、舌、喉の筋肉も制御しており、これらの筋肉は発話や嚥下に関わる。

後脳は極めて重要でありながら、科学者は数十年来、ヒトの後脳ニューロンを実験室で育てることに苦労してきた。この空白が、脳幹に影響する破壊的な疾患の研究を妨げてきた。脊髄性筋萎縮症や筋萎縮性側索硬化症を含む。

SMAは1歳未満の子どもの死亡における主な遺伝的原因だ。ALSは通常40〜70歳の間に診断され、前脳と後脳の両方に影響する。どちらの疾患でも、特定の後脳ニューロンが徐々に機能を停止し、患者は嚥下能力を失う。食べ物や液体が肺に吸い込まれると肺炎を引き起こしうる。最終的に、患者は呼吸する能力を失う。

研究者の突破口は、胚発生のごく初期、体が最初に形作られる原腸胚形成と呼ばれる段階の研究から生まれた。JokhaiとDundesは、後脳が前脳と中脳を生み出す経路から分岐するのではなく、それと並行して走る独立した発生経路をたどることを見いだした。

研究者たちは発生中のマウス胚を調べることでこれを突き止めた。彼らは2種類の異なる脳祖細胞を特定した。1つはOtx2という遺伝子を発現し、前脳と中脳になる運命にある。もう1つはGbx2という遺伝子を発現し、後脳の形成を担う。この2つの細胞集団は決して重ならないこと、発生の最も早い段階から互いに排他的であることを彼らは示した。

研究チームは次に、これらの細胞におけるDNAの包装、すなわちクロマチンを調べた。クロマチンは、細胞がどの遺伝子を利用しやすくし、どの遺伝子を束ねて手の届かない状態にするかを決める仕組みだ。彼らの発見は衝撃的だった。前神経外胚葉（将来の前脳と中脳）と後神経外胚葉（将来の後脳）は、根本的に異なるクロマチン構造を持っていた。これらの違いは事実上、各祖細胞をそれぞれの運命に固定する。平行な軌道上の旅人が決して交わらないように。

「後脳のニューロンを作ろうとする従来の試みは、前脳や中脳の前駆細胞を後脳の細胞に仕向けようとするものがほとんどでした。私たちの研究は、それが根本的に無理だと示しています」と Jokhai は言う。

この発見は、この分野が数十年抱えてきた行き詰まりを説明する。科学者たちは、ある前駆細胞を、それが原理的に決してなれない別の細胞に変えようとしてきたのだ。

「幹細胞生物学では、ニューロンのような終末分化した細胞型を作ることばかりに目が向きます」と Jokhai は言う。「でも大事なのは、胚発生の最も早い段階から見ることです。その早い時点を丁寧に調べたからこそ、脳の発生におけるこの根本的な分岐が見つかりました。」

後脳ニューロンを作る

この知見をもとに、研究チームはヒト多能性幹細胞（体のあらゆる細胞に分化できる細胞）を、機能する後脳の運動ニューロンへと初めて実験室で誘導することに成功した。培養されたこれらのニューロンは、本物の後脳細胞の特徴をすべて備えていた。活動電位と呼ばれる電気的な活動波を発生させ、顔面や嚥下の筋肉を制御する後脳の区画を示すタンパク質を合成したのだ。

最後に研究チームは5億5000万年の進化をさかのぼった。同じ二起源の脳のパターンは、ニワトリ、ゼブラフィッシュ、そして意外なことに、海底に住みヒトと遠い共通祖先を持つ微小な生物、オークルモナスでも見つかった。クラゲはおよそ6億〜7億年前にヒトと分岐したが、その体の両端にそれぞれ神経系を持っている。

「私たちの研究は、進化がもともとあった2つの神経系を空間的に押し合わせたことを示しています」と Loh は言う。「脳という1つの器官のほうが効率的なのでしょうが、私たちはこの原始的なやり方に頼って、脳を2つの別々の部分として作っているのです。」

「この発見には驚きました。『脳』という言葉は連続した1つの器官を意味し、起源も1つだろうと思わせるからです」と Jokhai は言う。「それでも5億年前にはすでに、こうした互いに独立した神経系が存在していて、今ではほぼ1つとして機能している。とても面白いことです。」

この研究は、SMA や ALS、その他脳幹に影響する疾患の治療法を探る手がかりにもなる。これまでは、生きている患者から脳幹の組織を得られなかったため、こうした疾患の研究はほぼ不可能だった。これらのニューロンを培養皿で作れるようになったことで、どこに問題があるのかを理解する新たな道が開けた。肥満治療との予想外のつながりさえある。後脳には空腹を調節する神経回路があり、それは semaglutide などの減量薬が働きかける仕組みそのものだ。

研究チームは次に、脊髄の発生起源を突き止め、SMA や ALS が後脳ニューロンの機能を具体的にどう損なうのかを解明したいと考えている。

「これで、こうした破壊的な疾患をよりよく理解し、再生医療へ向けて進むためのモデルができました」と Jokhai は言う。「脳研究の中でも非常にエキサイティングな新しいフロンティアです。」

California Institute of Technology と University of California, San Francisco の研究者がこの研究に参加した。

この研究は以下の機関の支援を受けた。National Institutes of Health（助成番号 DP5OD024558、DP2GM146258、R00GM121852、R01DK115728、R01DE027538、T32GM119995、T32GM007365、T32GM007790、F31DE031154）、National Science Foundation、California Institute for Regenerative Medicine、Spinal Muscular Atrophy Foundation、Stanford Maternal and Child Health Research Institute の助成、Stanford Beckman and Ludwig Centers、Siebel Stem Cell Institute、Stinehart-Reed Foundation の助成、Gatsby Charitable Foundation、Howard Hughes Medical Institute、Packard Foundation、Pew Charitable Trusts、Baxter Foundation、Human Frontier Science Program、そして匿名の寄付者、Fickel 家、Gilbert 家、Stinehart-Reed 家。

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• 医学研究

サイエンスライター

Krista Conger

シニアサイエンスライターのKrista Conger（1999年博士号取得）は、がん、幹細胞、皮膚科学、発生生物学、内分泌学、病理学、血液学、放射線腫瘍学、LGBTQ+の話題を担当している。カリフォルニア大学バークレー校で生化学の学士号を、スタンフォード大学でがん生物学の博士号を取得。UC Santa Cruzのサイエンスライティングプログラムを修了後、2000年にスタンフォード医科大学コミュニケーションオフィスに入局した。複雑な科学の話題をわかりやすく伝え、一般の人にも読めるようにするのが好きだという。長年にわたり、多くの科学的発見が芽生えてから米国食品医薬品局の承認を得て日常の臨床現場に届くまでの道のりを追い、医学研究の驚きと長い軌跡を記録してきた。執筆に対しては、教育促進支援協議会や米国医科大学協会から複数回の賞を受けている。National Academy of Science Writersの会員であり、Board of Editors in the Life Sciencesの認定サイエンスエディターでもある。余暇にはテキスタイルアート、新しいレシピの試作、そしてモンタナ州北西部の山歩きを楽しむ——そこは彼女が育ち、今も暮らす場所だ。

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• Krista Conger 電話 650-725-5371 kristac@stanford.edu

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