Kend dine neuroner: Hvad er forholdet mellem Glia og neuroner i hjernen?

tidligere på Kend dine neuroner:

Kapitel 1: opdagelsen og navngivningen af neuronen

Kapitel 2: Hvordan klassificeres forskellige typer neuroner

Kapitel 3: Mød Glia

Kapitel 4: Hvad er forholdet mellem Glia og neuroner i hjernen?

af Daisy Yuhas og Ferris Jabr

sidste gang på Kend dine neuroner talte vi om glia—en af to hovedtyper af celler i hjernen og nervesystemet sammen med neuroner. Glia “overstiger neuroner med så meget som 50 til en”, skrev vi og ekko Eric Kandels udbredte lærebog, principperne for Neural Science, der siger: “gliaceller overstiger langt neuroner—der er mellem 10 og 50 gange mere glia end neuroner i hvirveldyrets centralnervesystem.”Andre lærebøger, herunder Mark Bears neurovidenskab-udforskning af hjernen, fremsætter lignende påstande, ligesom mange artikler i den populære presse.

Noah Gray, seniorredaktør hos Nature, og Mo Costandi (@mocost), en neurovidenskabsmand, der blev freelance skribent, svarede på vores indlæg på kvidre og citerede nylige beviser for, at forholdet 10:1 glia til neuron er en myte, og at forholdet i menneskelige og andre primathjerner er meget tættere på 1:1. Vi besluttede at undersøge nærmere.

efter undersøgelse af forskningslitteraturen fandt vi ikke en enkelt offentliggjort undersøgelse, der direkte understøtter et 10:1 glia til neuronforhold i hele den menneskelige hjerne. Hvis nogen kender til en sådan undersøgelse, bedes du citere den i kommentarfeltet. Vi fandt mange undersøgelser fra så tidligt som i 1950 ‘ erne, der slog sig ned på et forhold meget tættere på 1:1 i hjernen hos mennesker og andre primater, selvom de fleste af disse undersøgelser udelukkende fokuserede på det intrikat rynkede ydre lag af hvirveldyrshjerne, kendt som hjernebarken, som sandsynligvis ikke har det samme glia til neuronforhold som resten af hjernen. Det mest overbevisende bevis for et 1: 1-forhold kommer fra en undersøgelse fra 2009 af neurofysiolog Susana Herculano-Housel og hendes kolleger, der opfandt en ny, meget effektiv måde at tælle celler på og anvendte den på fire hele menneskelige hjerner.

nogle forskere vil dog ikke fuldt ud acceptere den nye metode, før Herculano-Housel direkte sammenligner den med mere traditionelle celletællingsteknikker. Og nogle forskere, der studerer glia, er tilbageholdende med at indrømme, at disse engang oversete celler måske ikke udgør flertallet. Selvom Herculano-Housels metode på en eller anden måde skæver forholdet for tæt på 1:1 understøtter beviset som helhed bestemt ikke noget i nærheden af et 10: 1-forhold. På trods af denne uoverensstemmelse vil nogle lærebøger sandsynligvis fortsætte med at vise forholdet 10:1 som ubestridt faktum. Ben Barres fra Stanford University skriver afsnittene om glia i den kommende udgave af Kandel ‘ s lærebog. Selvom han hævder, at ingen strengt har bestemt glia til neuron—forholdet i offentliggjort forskning, er han overbevist om, at glia udgør mindst 80 procent af cellerne i den menneskelige hjerne-en konklusion, han nåede ud fra beregninger om ændring af niveauer af DNA i den udviklende hjerne.

de tilgængelige beviser

siden i det mindste 1950 ‘ erne har forskere forsøgt at estimere det relative antal neuroner og gliaceller i den menneskelige hjerne. De stødte på vanskeligheder med det samme.

den strengeste metode indebærer at skære forskellige regioner i en frisk eller konserveret hjerne op i tynde ark af hjerneprosciutto, tælle celler i hvert ark under et mikroskop og multiplicere celletællinger med total hjernevolumen. Processen er ret ligetil, men at udføre den på en hel hjerne tager meget tid—selv når computere og maskiner hjælper med tællingen—hvilket forklarer, hvorfor så mange undersøgelser kun fokuserer på en region i hjernen.

tidligt indså forskerne imidlertid, at forholdet mellem glia og neuroner varierer fra en hjerneområde til en anden, nogle gange dramatisk. Flere tidlige undersøgelser fandt et glia til neuronforhold på omkring 1:1 i barken, for eksempel, men en undersøgelse fra 1988 fandt et glia til neuron-forhold på 17 til 1 i thalamus, et alsidigt par drejeknapper i valnødstørrelse nær midten af hjernen. Yderligere komplicerende ting adskiller glia til neuronforholdet sig fra Art til Art. Så at tælle antallet af glia og neuroner i en del af rottehjernevæv giver dig ikke et nøjagtigt skøn over forholdet for hele rottehjernen, og det svarer heller ikke nødvendigvis til forholdet i en sammenlignelig region af den menneskelige hjerne. Talrige celletællingsundersøgelser fra 1950 ‘ erne og fremefter konkluderede, at glia-neuronforholdet i primatbarken varierede fra 0,5:1 til 2:1. Så vidt vi kan fortælle, estimerede ingen af disse undersøgelser et 10:1 glia til neuronforhold for hverken hjernebarken eller hele hjernen.

hvis ingen offentliggjorte beviser direkte understøtter forholdet 10: 1 glia til neuron, hvordan endte det i så mange lærebøger? Og hvor kom forestillingen fra i første omgang? “Det er umuligt at finde den originale kilde,” siger Claus Hilgetag fra University Medical Center Hamburg-Eppendorf, der forgæves har søgt efter grundlaget for, hvad han mener er en længe vedvarende myte. En af hans kolleger, Hugues Berry, husker vagt, at han lærte, at forholdet 10: 1 stammer fra en forkert husket detalje i en præsentation på en akademisk konference. I så fald ville det bestemt ikke være første gang, at folk har vedtaget en kontraintuitiv statistik som kendsgerning.

i en hjernestruktur og Funktionskolonne, der gennemgår de relevante beviser for hjernens glia til neuronforhold, fremhæver Hilgetag og Helen Barbas fra Boston University forskningen fra neurofysiolog Susana Herculano-Housel fra Instituto de ci Kursncias Biomirritdicas/Federal University of Rio de Janeiro, Brasilien. Hun har udviklet en unik, hurtig metode til at tælle alle celler i en hel hjerne.

Herculano-Housels teknik forvandler en intakt hjerne til en suppe af kerner—små sække, der indeholder cellers DNA. Ideen bag hendes metode er, at hver hjernecelle indeholder nøjagtigt en kerne; derfor svarer det samlede antal kerner i en hjerne til det samlede antal hjerneceller. For det første skærer Herculano-Housel en hel hjerne op i områder af interesse—såsom cerebellum og hjernebarken—og maler alt væv i hånden i en slags glasmørtel og støder. Opløsning af vævet i saltopvaskemiddel skaber en opløsning, hvor kernerne i både neuroner og glia flyder frit. Mærkning af DNA ‘ et inde i kernerne med fluorescerende proteiner får alle kernerne til at lyse blåt under ultraviolet (UV) lys. Herculano-Housel måler tætheden af disse glødende kerner og multiplicerer dette tal med opløsningens volumen for at bestemme det samlede antal kerner, hvilket skal svare til det samlede antal celler i det hjerneområde. Dernæst tilføjer hun et antistof kaldet anti-NeuN, der binder til proteiner på de fleste neuronale kerner, men binder ikke til nogen glialkerner. Et andet fluorescerende antistof binder sig til anti-NeuN, hvilket får kerner fra neuroner til at lyse grønt under UV-lys. Efter kraftig omrystning af opløsningen for jævnt at fordele kerner fra neuroner og glia, tager Herculano-Housel flere prøver af suppen, tæller de fluorescerende grønne kerner i hver prøve under mikroskopet og beregner det samlede antal neuronale kerner i opløsningen, som skal svare til det samlede antal neuroner i det hjerneområde. At trække dette tal fra det samlede antal kerner fortæller hende, hvor mange gliaceller den del af hjernen indeholdt.

Herculano-Housel og hendes kolleger brugte denne teknik til at analysere hjernen hos fire afdøde mænd og offentliggjorde deres resultater i 2009: de fandt konsekvent en hel menneskelig hjerne glia til neuron-forhold på næsten nøjagtigt 1:1. Specifikt fandt de, at den menneskelige hjerne indeholder omkring 170, 68 milliarder celler, hvoraf 86, 1 milliarder er neuroner og 84, 6 milliarder er gliaceller. Deres undersøgelse antyder også, at forholdet mellem glia og neuroner adskiller sig dramatisk fra en generel hjerneområde til den næste. 60, 84 milliarder celler i hjernebarken er glia, mens kun 16.34 milliarder celler er neuroner, hvilket giver denne store region et glia til neuronforhold på omkring 3,76 til 1. Det er det omvendte i cerebellum, en evolutionært gammel del af hjernen, der sidder over hjernestammen. Ifølge Herculano-Housel ‘ s undersøgelse indeholder cerebellum 69,03 milliarder neuroner og kun 16,04 gliaceller, hvilket betyder, at der er omkring 4,3 neuroner for hver glia i denne region.

hendes undersøgelse tællede yderligere 6,18 milliarder neuroner og 8,68 milliarder glia i det grå stof i barken, mod 1,29 milliarder neuroner og 19,88 milliarder glia i det hvide stof. Grå Stof består stort set af de umyelinerede dele af neuroner—neuroner, der ikke er beklædt af gliaceller—mens hvidt stof består af aksoner indpakket i isolerende oligodendrocytter. Disse resultater kan forklare, hvorfor så mange tidlige tælleundersøgelser, der kun samplede kortikalt gråt stof, fandt et omtrent 1:1 eller lidt højere glia til neuronforhold. Samlet set indeholder hjernebarken—inklusive både gråt og hvidt stof—langt mere glia end neuroner, men dets yderste grå lag er mere afbalanceret. Og cerebellumets utrolige tæthed af neuroner balancerer glia til neuron rationen gennem hele hjernen.

da Herculano-Housel først offentliggjorde sin innovative teknik i 2005, var den største indvending, at hun ikke direkte havde sammenlignet den med mere typiske stereologiske metoder, hvor celler tælles i skiver af hjernevæv. Da hendes resultater med hele hjerner matchede tællinger fra forskellige hjerneområder i tidligere stereologiske undersøgelser, imidlertid, Herculano-Housel siger, at de fleste kritikere støttede sig. Nogle forskere er fortsat bekymrede over, at slibning og opløsning af hjernen ødelægger et betydeligt antal kerner. Herculano forklarer dog, at det saltopvaskemiddel, hun bruger (Triton H-100), ødelægger fedtvæv, som cellemembraner, men bevarer den proteinrige kernemembran. Desuden siger hun, at fastgørelse af hjernevæv i formaldehyd inden slibning styrker bindingerne mellem proteiner, hvilket gør dem særligt vanskelige at bryde. Andre forskere siger, at de tøver med at stole på en metode, der ikke er blevet brugt i vid udstrækning uden for en enkelt forskningsgruppe. Indtil videre har mindst syv forskellige forskerhold i USA, Europa og Asien benyttet sig af Herculano-Housel ‘ s metode.

omskrivning af lærebøger?

neurobiolog Ben Barres fra Stanford University siger, at han aldrig troede på det vidt parrotede 10:1 glia til neuron—forhold-indtil han selv undersøgte sagen. Nu er han sikker på, at glia udgør mindst 80 procent af cellerne i den menneskelige hjerne. Her er hans vigtigste ræsonnement.

den menneskelige hjerne indeholder et begrænset antal celler, som hver indeholder den samme mængde DNA (ca.6,5 picogrammer). Den udviklende menneskelige hjerne producerer de fleste af sine neuroner inden for graviditetens første trimester, men glia er ikke færdig med at vokse i antal før et par år efter fødslen. Ved at sammenligne den samlede mængde DNA i en 20 uger gammel menneskelig hjerne med den samlede mængde DNA i et spædbarns hjerne, begrundede Barres, kunne man finde ud af glia til neuronforholdet. Barres fandt en undersøgelse offentliggjort i 1973, der analyserede DNA-niveauer i 139 menneskelige hjerner i alderen fra 10 uger til syv år. Forebrains (som ikke omfatter cerebellum) indeholdt omkring 0.25 millimol DNA i uge 20 og toppede på omkring 2 millimol DNA efter alder to. Baseret på disse tal—og regnskab for DNA fra blodkarceller—konkluderer Barres, at et stigende antal glia forklarer stigningen i total forhjerne-DNA, og at glia derfor udgør mindst 80 procent af cellerne i den menneskelige hjerne.

selvom Barres er sikker på sine egne upublicerede beregninger—og har til hensigt at skrive, at glia langt overstiger neuroner i den nyeste udgave af principperne for Neural Science—hævder han, at ingen har gennemført den slags strenge undersøgelse, der definitivt ville besvare spørgsmålet om glia til neuronforholdet en gang for alle. Barres forestiller sig en undersøgelse, hvor forskere pletter hele menneskelige hjerner med næsten enhver kendt markør for både neuroner og glia—og sørger for at fange så mange af de forskellige celletyper som muligt—før de skærer hjernen op og omhyggeligt tæller cellerne i hvert afsnit. Han siger, at alle de nødvendige værktøjer er tilgængelige. Det er kun et spørgsmål om at finansiere projektet og finde tid til alt det, der tæller.

Hvem Bekymrer Sig?

lad os sige, at forskere finder ud af nøjagtigt, hvor mange glia og neuroner hjernen indeholder, og alle er enige om tallene—hvad vil det opnå? Hvorfor betyder det noget?

nogle forskere mener, at glia til neuron-forholdet kun handler om et af de mindst vigtige spørgsmål, du kan stille om hjernen. I stedet hævder de, at forskere bør fokusere på, hvordan hjerneceller opfører sig. Andre forskere påpeger, at aldring, såvel som mange neurologiske sygdomme, involverer tab af hjerneceller. At forstå nøjagtigt, hvilke hjerneceller der dør, og hvilke der overlever, kan anspore udviklingen af nye behandlinger. Nogle biologer og neurovidenskabere er også meget interesserede i, om glia til neuronforholdet har ændret sig i løbet af evolutionen, og om for eksempel dyr med store hjerner—eller hjerner, der er store for deres kropsstørrelse—har usædvanligt høje eller lave antal glia. I en undersøgelse fra 2007 skar forskere fem vågehvalhjerner op, tællede cellerne ved hjælp af computere og fandt 12,8 milliarder neuroner omgivet af 98,2 milliarder glia. Undersøgelsen omfattede dog ikke cerebellum, som indeholder de fleste af pattedyrs hjernens neuroner ifølge Herculano-Housel ‘ s arbejde.

mange forskere har hævdet, at glia fortjener mere opmærksomhed dels fordi de er så mange. Men prævalens svarer ikke til Betydning. Forskere behøver ikke længere at være afhængige af det påståede 10:1-forhold for at retfærdiggøre glia-forskning. Gliaceller er fascinerende og vigtige på grund af deres strukturelle mangfoldighed, funktionelle alsidighed og det faktum, at de kan ændre opførslen ved at skyde neuroner, selvom de ikke selv kan aflade elektriske impulser. De styrer tidlig hjerneudvikling og holder deres medhjerneceller sunde gennem hele livet. Glia er ikke blot strukturelt fyldstof, men—som oprindelsen af deres navn antyder (græsk for lim)—hjælper de med at holde tingene sammen. Uanset det sande glia til neuronforhold har forskere allerede vist, at glia funktionelt er hjernens anden halvdel.

Aevedo, Frederico A. C. , Ludmila R. B. Carvalho, Lea T. Gribergb, Josh Marcelo Farfel, Renata E. L. Ferretti, Renata E. P. Leite, Jacob Filho, Roberto Lent og Susana Herculano-Housel. “Lige mange neuronale og ikke-neuronale celler gør den menneskelige hjerne til en isometrisk opskaleret Primathjerne.”Journal of Comparative Neurology, 2009, 513:532-541.

Dobbing, J og Sands, J. kvantitativ vækst og udvikling af den menneskelige hjerne. Arch Dis Barn. 1973 oktober; 48 (10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Total neocortical celle nummer i mysticete hjernen. Anat Rec (Hoboken). 2007 Jan;290 (1): 83-95.

Herculano-Housel, Susana og Roberto Lent. “Isotrop Fraktionator: en enkel, hurtig metode til kvantificering af samlede celle-og Neuronnumre i hjernen.”Journal of Neuroscience, 2005, 25(10): 2518-2521.

Hilgetag, Claus og Helen Barbas. “Er der ti gange mere glia end neuroner i hjernen?”Hjernestrukturfunktion, 2009, 213: 365-366.

Kandel ER, JH, Jessell TM 2000. Principper for Neural Science, 4. udgave. Mcgrave-Hill,Ny.

Pakkenberg, B. Og Gundersen, H. J. G. (1988), Samlet antal neuroner og gliaceller i humane hjernekerner estimeret af disektoren og fraktionatoren. Tidsskrift for mikroskopi, 150: 1-20. doi: 10.1111 / j. 1365-2818.1988.tb04582.

den Neurokritiske. Fakta eller fiktion? Der er ti gange mere glia end neuroner i hjernen. Sep 27, 2009.