Multiscale harmonization and semantic integration of biomedical data enable biological insights through immersive exploration

平面的な2次元の地図を見て、街を理解しようとしている場面を想像してみてください。通りや建物は見えますが、高層ビルの高さや、地下鉄のトンネルの深さ、あるいは大勢の群衆の中に一人の人間がどのように収まっているのかを感じることはできません。さて、その同じ街が実は人間の体であり、単なる通りではなく、肝臓や脳といった臓器の中で何兆もの微細な細胞がどのように連携しているのかを理解しようとしている場面を想像してください。これは現代生物学が直面している課題です。科学者たちは、これらの細胞がどこにあり、何をしており、どのように互いに通信しているかについて膨大なデータを収集していますが、通常はその情報を平らなコンピュータ画面上で眺めることしかできずにいます。問題は、人体が、人間という巨大な存在から単一の細胞という微視的なサイズまで、膨大な距離にわたる3次元のパズルであるということです。私たちの体がどのように機能しているかを真に理解するためには、研究者はこの生物学的な世界をズームイン・ズームアウトし、一つの小さな細胞が臓器全体とどのように関連し、その臓器が体全体の中にどのように組み込まれているのかを、スケール感を保ったまま見る方法を必要としています。

ここで、「HRA: Powers of Ten」と呼ばれる新しいプロジェクトが登場します。これは、体内を巡るバーチャルリアリティ（VR）のエレベーター・ライドだと考えてください。平らな画面を凝視する代わりに、科学者はVRヘッドセットを装着し、臓器の中を物理的に歩き回り、巨大な逆さまの超高層ビルの中のエレベーターに乗るように、手で細胞を掴んだり、ズームイン・ズームアウトしたりできる3Dの世界へと足を踏み入れます。この論文は、研究者が直感的かつ自然な方法で複雑な生物学的データを探索できるように、この没入型体験をどのように構築したかを説明しています。乾燥したデータを3Dのアドベンチャーに変えることで、彼らは、すべてが2Dのページに押し込められたときには見えないパターンや繋がりを見つけ出したいと考えています。それは、レシピを読むことと、実際にキッチンに入って材料がどのように組み合わさっているのかを見る際の違いのようなものです。

あなたの体を駆け抜けるエレベーター・ライド

この論文の核心となるアイデアは、「マルチスケール・エレベーター・システム」と呼ばれるツールです。人体を巨大な、しかし逆さまの超高層ビルだと想像してください。最上階は全身であり、エレベーターで下に降りるにつれて、各フロアは微視的な世界へと近づくステップを表します。階を下るごとに、サイズは10分の1になります。あなたは最上部からスタートし、81種類の3D参照臓器を見渡します。降りていく途中で、「大腸」のフロアに立ち寄ったり、「小腸」のフロアに立ち寄ったりして、最終的には「細胞グループ」のフロアまでズームダウンし、個々の細胞や、さらにはRNA分子までも観察することができます。

論文では、このエレベーター・ライドにおける8つの具体的な「シーン」または停車駅を紹介しています。これらは、それぞれ独自のデータを持ち寄った異なる科学者たちによって作成されました。これらのシーンは5つの異なる臓器（リンパ節、脳、大腸、小腸、肝臓）をカバーしており、情報の収集にはCODEX、Visium、SBF-SEMといった5種類のハイテクなラボテストが用いられています。目的は、単に美しい絵を作ることではなく、科学者がデータと実際に「対話」できるようにすることでした。

VRの世界でできること

VRシーンの中では、研究者は平らな画面では不可能なことができるようになります。細胞の塊を掴み、あらゆる角度から見るために回転させたり、組織を「爆発（エクスプロード）」させて細胞を引き離し、それらがどのように接続されているかを確認したりすることさえ可能です。

• リンパ節において： 科学者たちはこのツールを使用して、「老化細胞（細胞分裂を停止し、老化が進んだ細胞）」を観察しました。2Dでは、これらの細胞がどのように配置されているかを見るのは困難です。しかしVRでは、これらの老化細胞が特定の「近隣地域」を形成し、3次元空間において免疫細胞と相互作用している様子を見ることができました。これにより、平らな地図では見逃される可能性のあるパターンが明らかになりました。
• 脳において： チームは、脳組織の切片における老化の「特徴（ホールマーク）」を8つ可視化しました。彼らは3Dの「スパイク・プロット」を作成しました。これは各細胞の地点から線が上下に突き出しており、それぞれの老化マーカーがどの程度存在するかを示しています。これにより、特定の領域に特定の老化パターンがクラスター化しているかどうかを確認できます。
• 腸において： あるシーンでは、2種類の顕微鏡画像（免疫細胞、例えばCD8 T細胞が腸の神経に物理的に接触している様子）を組み合わせ、組織がボトムアップでどのように構築されているかを理解するために、個々の細胞がどのように近隣を作り、それがさらに大きなコミュニティを形成していくかという、異なるレベルの組織化を示しています。
• 肝臓において： ここでは、視点は細胞内レベルへと進みます。研究者は、胆管や血管のすぐ隣で3D空間に浮遊するミトコンドリアや小胞体といった、肝細胞内部の微細な構造を見ることができます。

「Powers of Ten（十の累乗）」の比較

このアプリの中で最も驚くべきシーンの一つは、直接的な比較です。小腸のデータのスライス、リンパ節のデータのスライス、ヒトの皮膚臓器のモデル、そしてブルジュ・ハリファ（世界一高いビル）のモデルを同じ部屋に配置しています。アプリが物の真のスケールを尊重しているため、ビルは人体に対して非常に小さく見え、リンパ節のデータは腸のスライスに対して巨大に見えます。これは、生物学的な構造の間にある違いがいかに大きいかを、科学者に把握させる助けとなります。

どのように構築され、何を意味するのか

チームは単に楽しみのためにこれを作ったのではありません。他の科学者が自分のデータを簡単にエレベーターに追加できるように、標準的な手順（標準作業手順書：SOP）を作成しました。彼らは、アプリの構築にUnityという普及しているゲームエンジンを使用しており、現在、Meta Quest VRヘッドセットをお持ちの方なら誰でも無料でダウンロード可能です。

しかし、著者らは、このツールが「何ではないか」についても注意深く指摘しています。彼らは、このVRアプリが従来の数学的・コンピュータ的な分析に代わるものであるとは主張していません。むしろ、これは強力な「発見者（スポッター）」として機能すると示唆しています。研究者が興味深いパターンを見つけ、より良い問いを立てるための助けとなり、その問いを厳密な数学を用いて検証できるのです。論文では、示された知見は主に例示的かつ定性的なものであることを認めています。つまり、これらは「何が可能か」を示しているのであり、VRを使用することが通常の画面を使用する場合よりも科学者を速く、あるいは正確にすることを示す制御実験を行ったわけではありません。

制限事項もあります。アプリは現在、特定のVRヘッドセットで最も効果的に動作し、これらのシーンを作成するには、データのクリーニングや3Dモデルの構築を行う専門家チームが必要であり、多大な労力を要します。しかし、論文は、ツールが使いやすくなるにつれて、このような没入型の探索が、人体図を作成する方法の標準的な一部となり、目に見えない微視的な世界を、自分たちの目で歩き、探索できる場所に変えていく可能性があることを示唆しています。