znáte své neurony: jaký je poměr Glia k neuronům v mozku?

Dříve, Vím, Vaše Neurony:

Kapitola 1: Objev a Pojmenování Neuronu

Kapitola 2: Jak Klasifikovat Různé Typy Neuronů

Kapitola 3: Seznamte se Glie

Kapitola 4: Jaký je Poměr Glie na Neurony v Mozku?

Daisy Yuhas a Ferris Jabr

Poslední čas na Vaše Neuronů, mluvili jsme o glia—jeden ze dvou hlavních typů buněk v mozku a nervový systém spolu s neurony. Glia „převažují neurony, stejně jako 50 ku jedné,“ napsali jsme, ozvěna Eric Kandel je široce používán učebnice, Principy Nervové Vědy, v němž se uvádí: „Gliových buněk převažují neurony—jsou mezi 10 a 50 krát více glií než neurony v centrální nervové soustavě obratlovců.“Jiné učebnice, včetně neurovědy Marka Beara-zkoumání mozku, dělají podobná tvrzení, stejně jako mnoho článků v populárním tisku.

Noah Gray (@noahWG), senior editor na Přírodu, a Mo Costandi (@mocost), neurolog obrátil spisovatel na volné noze, reagoval na náš příspěvek na Twitter, s odkazem na nedávné důkazy o tom, že 10:1 glií do neuronu poměr je mýtus a že poměr v člověka a dalších primátů mozek je mnohem blíže k 1:1. Rozhodli jsme se dále vyšetřovat.

Po zaměření výzkumu literatury, nenašli jsme jediné publikované studie, které přímo podporuje 10:1 glií do neuronu poměr v celém lidském mozku. Pokud někdo o takové studii ví, citujte ji prosím v sekci komentáře. Našli jsme mnoho studií již od roku 1950 se usadil na poměr mnohem blíže k 1:1 v mozku u lidí a dalších primátů, i když většina z těchto studií se zaměřila pouze na složitě pomačkaný vnější vrstvy mozku obratlovců, známé jako mozkové kůře, která pravděpodobně nemá stejný glií do neuronu poměru jako zbytek mozku. Nejpřesvědčivější důkazy pro poměr 1:1 pochází z roku 2009, studie neurofyziolog Suzana Herculano-Houzel a její kolegové, kteří vymysleli nový, vysoce účinný způsob, jak spočítat buňky a aplikuje ji na celé čtyři lidské mozky.

Někteří výzkumníci, nicméně, nebude plně přijmout novou metodu, dokud Herculano-Houzel přímo přirovnává k více tradiční buňky-počítání techniky. A někteří vědci, kteří studují glia, se zdráhají připustit, že tyto kdysi přehlížené buňky nemusí představovat většinu. I když Herculano-Houzelova metoda nějak zkresluje poměr příliš blízko 1:1, důkazy jako celek rozhodně nepodporují nic Blízkého poměru 10: 1. I přes tento rozpor budou některé učebnice pravděpodobně nadále označovat poměr 10:1 za nesporný fakt. Ben Barres ze Stanfordské univerzity píše sekce o glii v nadcházejícím vydání Kandelovy učebnice. I když tvrdí, že nikdo nemá přísně stanovena na glií do neuronu poměr v publikován výzkum, je přesvědčen, že glie tvoří nejméně 80 procent buněk v lidském mozku závěru dospěl na základě výpočtů o změně úrovní DNA v vyvíjející se mozek.

k Dispozici Důkazy,

minimálně Od roku 1950 vědci snažili odhadnout relativní počet neuronů a gliových buněk v lidském mozku. Hned se setkali s obtížemi.

nejpřísnější metoda zahrnuje krájení různých regionech čerstvé nebo konzervované mozku do tenkých plechů z mozku prosciutto, počítání buněk v každém listu pod mikroskopem a množení buněk tím, že celkový objem mozku. Proces je poměrně jednoduché, ale provedení je na celý mozek zabere hodně času—i když počítače a stroje na pomoc s počítání—což vysvětluje, proč tak mnoho studií se zaměřují pouze na jednu oblast mozku.

brzy si však vědci uvědomili, že poměr glia k neuronům se liší od jedné oblasti mozku k druhé, někdy dramaticky. Několik časných studií zjistilo poměr glia k neuronům asi 1:1 v kůře, například, ale jeden 1988 studie zjistila glií do neuronu poměru 17: 1 v thalamu, univerzální dvojice ořech-velké knoflíky blízko středu mozku. Dále komplikuje věci, poměr glia k neuronům se liší od druhu k druhu. Takže počítání čísla glií a neuronů v kus krysí mozkové tkáně, vám nedává přesný odhad poměru pro celou mozku potkana, ani to nutně odpovídat poměru ve srovnatelné oblasti lidského mozku. Četné buňky-počítání studiích z roku 1950 a dále dospěl k závěru, že gliové do neuronu poměr v primát kůry v rozmezí od 0,5:1 až 2:1. Pokud můžeme říci, žádná z těchto studií neodhadla poměr glia k neuronům 10:1 pro kůru nebo celý mozek.

pokud žádný publikovaný důkaz přímo nepodporuje poměr glia k neuronům 10:1, Jak to skončilo v tolika učebnicích? A kde se ta představa vůbec vzala? „Je nemožné najít původní zdroj,“ říká Claus Hilgetag z University Medical Center Hamburg-Eppendorf, který marně hledal základ toho, co považuje za dlouho udržovaný mýtus. Jeden z jeho kolegů, Hugues Berry, matně si vzpomíná, co se dozvěděl, že 10:1, poměr vznikl jako zapomněli detail v prezentaci na akademické konferenci. Pokud ano, rozhodně by to nebylo poprvé, kdy lidé přijali kontraintuitivní statistiku jako fakt.

V Mozku Struktury a Funkce sloupec přezkoumání relevantních důkazů na mozkové gliové do neuronu poměr, Hilgetag a Helen Barbase z Boston University upozornit na výzkum neurofyziolog Suzana Herculano-Houzel Instituto de Ciências Biomédicas/Federal University of Rio de Janeiro, Brazílie. Vyvinula jedinečnou, rychlou metodu pro počítání všech buněk v celém mozku.

Herculano-Houzelova technika přeměňuje intaktní mozek na polévku jader-malé pytle, které obsahují DNA buněk. Myšlenku její metody je, že každá mozková buňka obsahuje právě jedno jádro, proto je celkový počet jader v mozku, odpovídá celkový počet mozkových buněk. První, Herculano-Houzel plátky celý mozek do oblasti zájmu—např. mozečku a mozkové kůry—a mele všechny tkáně ručně v jakési skleněné třecí misky a paličky. Rozpuštěním tkáně ve fyziologickém detergentu vzniká roztok, ve kterém jádra neuronů i glia volně plavou. Značení DNA uvnitř jader fluorescenčními proteiny způsobuje, že všechna jádra svítí modře pod ultrafialovým (UV) světlem. Herculano-Houzel měří hustotu těchto zářících jader a vynásobí toto číslo objemem roztoku, aby určil celkový počet jader, který by měl odpovídat celkovému počtu buněk v této oblasti mozku. Dále přidává protilátku zvanou anti-NeuN, která se váže na proteiny na většině neuronálních jader, ale neváže se na žádná gliová jádra. Další fluorescenční protilátka se váže na anti-NeuN, takže jádra z neuronů svítí zeleně pod UV světlem. Po energicky třepání řešení, aby rovnoměrně distribuovat jádra z neuronů a glií, Herculano-Houzel trvá několik vzorků polévky, počítá fluoreskující zelené jádra v každém vzorku pod mikroskopem a vypočítá se celkový počet neuronů jader v roztoku, která by se měla rovnat celkovému počtu neuronů v oblasti mozku. Odečtením tohoto čísla od celkového počtu jader jí řekne, kolik gliových buněk tato část mozku obsahovala.

Herculano-Houzel a její kolegové využili této techniky k analýze mozku čtyř zemřelých mužů a publikoval své výsledky v roce 2009: důsledně našel celku lidského mozku gliové do neuronu poměr téměř přesně 1:1. Konkrétně zjistili, že lidský mozek obsahuje asi 170.68 miliard buněk, 86.1 miliard, které jsou neurony a 84.6 miliard, které jsou gliové buňky. Jejich studie také naznačuje, že poměr glia k neuronům se dramaticky liší od jedné obecné oblasti mozku k druhé. 60,84 miliardy buněk v mozkové kůře je glia, zatímco pouze 16.34 miliard buněk jsou neurony, což dává této velké oblasti poměr glia k neuronům asi 3, 76 ku 1. Je to inverzní v mozečku, evolučně staré části mozku, která sedí obkročmo na mozkovém kmeni. Podle Herculano-Houzel studie, mozeček obsahuje 69.03 miliard neuronů a pouze 16.04 gliových buněk, což znamená, že tam jsou asi 4,3 neuronů pro každý glií v tomto regionu.

Přiblížení i další její studie počítá 6.18 miliard neuronů a 8.68 miliard gliové v šedé hmotě mozkové kůry, vs. 1,29 miliardy neuronů a 19.88 miliard gliové v bílé hmotě. Šedá hmota je převážně složena z nemyelinizovaná části neuronu—neurony, které nejsou opláštěné tím, že gliové buňky—vzhledem k tomu, že bílá hmota je tvořena axony, zabalené v izolační oligodendrocyty. Tyto výsledky by mohly vysvětlit, proč tak mnoho začátku počítání studie, které pouze vzorku kortikální šedé hmoty našli zhruba 1:1 nebo mírně vyšší glií do neuronu poměr. Celkově mozková kůra-včetně šedé i bílé hmoty-obsahuje mnohem více glií než neuronů, ale její nejvzdálenější šedá vrstva je vyváženější. A neuvěřitelná hustota neuronů v mozečku vyrovnává poměr glia k neuronům v celém mozku.

Když Herculano-Houzel první publikoval své inovativní technika v roce 2005, hlavní námitka byla, že neměla přímo přirovnal k více typické stereological metody, ve které buňky jsou počítány na plátky mozkové tkáně. Když její výsledky s celou mozek uzavřeno počítá z různých oblastí mozku v předchozí stereological studií, nicméně, Herculano-Houzel říká většina kritiků vycouval. Někteří vědci zůstávají znepokojeni tím, že mletí a rozpouštění mozku ničí významný počet jader. Herculano však vysvětluje, že solný detergent, který používá (Triton X-100), ničí tukové tkáně, jako jsou buněčné membrány, ale zachovává jadernou membránu bohatou na bílkoviny. Kromě toho říká, že fixace mozkové tkáně ve formaldehydu před mletím posiluje vazby mezi proteiny, což je obzvláště obtížné rozbít. Jiní vědci tvrdí, že váhají důvěřovat metodě, která nebyla široce používána mimo jednu výzkumnou skupinu. Dosud však nejméně sedm různých výzkumných týmů v USA, Evropě a Asii využilo Herculano-Houzelovy metody.

přepisování učebnic?

Neurobioložka Ben Barres ze Stanfordské Univerzity tvrdí, že nikdy nevěřil, že všeobecně papouškuje 10:1 glií do neuronu poměru—dokud podíval se do věci sám. Nyní je si jistý, že glia tvoří nejméně 80 procent buněk v lidském mozku. Zde je jeho hlavní úvaha.

lidský mozek obsahuje konečný počet buněk, z nichž každá obsahuje stejné množství DNA (asi 6,5 pikogramů). Vyvíjející se lidský mozek produkuje většinu svých neuronů v prvním trimestru těhotenství, ale glia nedokončí růst počtu až několik let po narození. Porovnáním celkového množství DNA v 20-týdenní-starý lidský mozek, aby celkové množství DNA v mozku dítěte, Barres odůvodněné, jeden by mohl zjistit, glia do neuronu poměr. Barres našel studii publikovanou v roce 1973, která analyzovala hladiny DNA ve 139 lidských mozcích ve věku od 10 týdnů do sedmi let. Přední části (které nezahrnují mozeček) obsahovaly asi 0.25 milimetrů DNA ve 20. týdnu a vyvrcholilo kolem 2 milimetrů DNA ve věku dvou let. Na základě těchto čísel a účetnictví pro DNA z krevních cév buňky—Barres k závěru, že rostoucí čísla glií vysvětlit zvýšení celkové předního mozku DNA a to, že byly vyloučeny proto, aby alespoň 80% buněk v lidském mozku.

I když Barres je přesvědčena, v jeho vlastní nepublikované výpočty—a má v úmyslu napsat, že gliové daleko převyšuje počet neuronů v nejnovějším vydání Principy Nervové Vědy—tvrdí, že nikdo provedla druhu přísného studie, která by s konečnou platností odpovědět na otázku glií do neuronu poměru, jakmile a pro všechny. Barres představuje studii, ve které vědci skvrna celé lidské mozky s jen asi každý známá značka pro oba neurony a glií—ujistěte se, že zachytit co nejvíce různých typů buněk, jak je to možné—před krájením se mozek a pečlivě počítání buněk v každé sekci. Říká, že jsou k dispozici všechny potřebné nástroje. Je to jen otázka financování projektu a nalezení času na to všechno počítání.

Koho To Zajímá?

řekněme, že vědci přesně zjistí, kolik glií a neuronů mozek obsahuje—a všichni souhlasí s čísly-co to dosáhne? Proč na tom záleží?

někteří vědci si myslí, že poměr glia k neuronům je jen o jedné z nejméně důležitých otázek, které můžete položit o mozku. Místo toho by se podle nich vědci měli zaměřit na to, jak se chovají mozkové buňky. Jiní vědci poukazují na to, že stárnutí, stejně jako mnoho neurologických onemocnění, zahrnují ztrátu mozkových buněk. Pochopení přesně, které mozkové buňky umírají a které přežívají, by mohlo podnítit vývoj nových léčebných postupů. Někteří biologové a neurologové jsou také velmi zajímají o to, zda glií do neuronu poměr změnil v průběhu evoluce a zda, například, zvířata s velkými mozky—nebo mozek, že jsou velká pro jejich velikost těla—mají neobvykle vysoká nebo nízká čísla glií. Ve studii z roku 2007 vědci rozřezali pět mozků velryb Minke, spočítali buňky pomocí počítačů a našli 12,8 miliardy neuronů obklopených 98,2 miliardy glií. Studie však nezahrnovala mozeček, který obsahuje většinu neuronů savčího mozku podle Herculano-Houzelovy práce.

mnoho vědců tvrdilo, že glia si zaslouží větší pozornost částečně proto, že jsou tak početné. Prevalence však není ekvivalentní významu. Vědci již nemusí záviset na údajném poměru 10: 1, aby ospravedlnili výzkum glia. Gliové buňky jsou fascinující a důležité, protože na jejich strukturální rozmanitost, funkční všestrannost a skutečnost, že mohou změnit chování střelby neuronů, i když nemohou výboj elektrické impulsy z jejich vlastní. Řídí časný vývoj mozku a udržují své mozkové buňky zdravé po celý život. Glia nejsou pouhými strukturálními výplněmi—ale—jak naznačuje původ jejich názvu (řecké lepidlo) – pomáhají udržovat věci pohromadě. Bez ohledu na skutečný poměr glia k neuronům vědci již ukázali, že glia jsou funkčně druhou polovinou mozku.

Azevedo, Frederico a. C., Ludmila. B. R. Carvalho, Lea T. Gribergb, José Marcelo Farfela, Renata E. L. Ferretti, Renata. E. P. Leite, Jacob Wilson Filho, Roberto Lent, a Suzana Herculano-Houzel. „Stejný počet neuronálních a Nonneuronálních buněk činí z lidského mozku izometricky zvětšený mozek primátů.“Journal of Comparative Neurology, 2009, 513: 532-541.

Dobbing, J a Sands, J. kvantitativní růst a vývoj lidského mozku. Arch Diss Dítě. 1973 Říjen; 48 (10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Celkový počet neokortikálních buněk v mozku mysticete. Anat Rec (Hoboken). 2007 Leden; 290 (1): 83-95.

Herculano-Houzel, Suzana a Roberto postní. „Izotropní Frakcionátor: jednoduchá, rychlá metoda pro kvantifikaci celkového počtu buněk a neuronů v mozku.“Journal of Neuroscience, 2005, 25(10): 2518-2521.

Hilgetag, Claus a Helen Barbas. „Existuje desetkrát více glie než neuronů v mozku?“Funkce Struktury Mozku, 2009, 213: 365-366.

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. Principy neurální vědy, 4.vydání. McGraw-Hill, New York.

Pakkenberg, B. and Gundersen, Hjg (1988), celkový počet neuronů a gliových buněk v jádrech lidského mozku odhadovaných disektorem a frakcionátorem. Žurnál mikroskopie, 150: 1-20. doi: 10.1111 / j. 1365-2818.1988.tb04582.x

Neurokritika. Fakt nebo fikce? V mozku je desetkrát více glie než neuronů. 27. září 2009.