Know Your Neurons: What Is the Ratio of Glia to Neurons in the Brain?

aiemmin, on Know Your Neurons:

Luku 1: neuronin löytyminen ja nimeäminen

Luku 2: Miten luokitella erityyppisiä neuroneja

Luku 3: Meet the Glia

Luku 4: Mikä on glia: n suhde aivojen neuroneihin?

Daisy Yuhas ja Ferris Jabr

viime kerralla Know Your Neurons—ohjelmassa puhuttiin glia: sta-yhdestä aivojen ja hermoston kahdesta päätyypistä neuronien ohella. Glia – hermosoluja on” jopa 50: tä enemmän kuin neuroneja”, kirjoitimme toistaen Eric Kandelin laajalti käyttämää oppikirjaa The Principles of Neural Science, jossa sanotaan: ”gliasoluja on paljon enemmän kuin neuroneja—selkärankaisten keskushermostossa on 10-50 kertaa enemmän glia-soluja kuin neuroneja.”Muut oppikirjat, muun muassa Mark Bearin Neuroscience—Exploring the Brain-kirja, esittävät samanlaisia väitteitä, kuten on esitetty monissa suosituissa lehdissä.

Nature-lehden vanhempi toimittaja Noah Gray (@noahWG) ja freelance-kirjoittajaksi kääntynyt neurotieteilijä Mo Costandi (@mocost) vastasivat viestiimme Twitterissä vedoten viimeaikaisiin todisteisiin siitä, että 10:1 glia-hermosolusuhde on myytti ja että suhde ihmisen ja muiden kädellisten aivoissa on paljon lähempänä 1:1: tä. Päätimme tutkia asiaa tarkemmin.

tutkimuskirjallisuuden kartoituksen jälkeen emme löytäneet yhtään julkaistua tutkimusta, joka tukisi suoraan 10:1 glia-hermosolusuhdetta koko ihmisaivoissa. Jos joku tietää tällaisesta tutkimuksesta, mainitse se kommenttiosiossa. Löysimme monia tutkimuksia jo 1950-luvulta, jotka asettuivat suhteeseen, joka oli paljon lähempänä 1:1 ihmisten ja muiden kädellisten aivoissa, vaikka useimmat näistä tutkimuksista keskittyivät yksinomaan selkärankaisten aivojen monimutkaiseen ryppyiseen uloimpaan kerrokseen, joka tunnetaan aivokuorena, jolla ei luultavasti ole samaa glia-hermosolusuhdetta kuin muilla aivoilla. Vakuuttavimmat todisteet 1: 1-suhteelle ovat peräisin neurofysiologi Suzana Herculano-Houzelin ja hänen kollegoidensa vuonna 2009 tekemästä tutkimuksesta, jossa he keksivät uuden, erittäin tehokkaan tavan laskea soluja ja soveltivat sitä neljään kokonaiseen ihmisaivoon.

jotkut tutkijat eivät kuitenkaan täysin hyväksy uutta menetelmää ennen kuin Herculano-Houzel vertaa sitä suoraan perinteisempiin solunlaskentatekniikoihin. Ja jotkut glia: ta tutkivat tiedemiehet ovat haluttomia myöntämään, että nämä kerran unohdetut solut eivät ehkä muodostaisi enemmistöä. Vaikka Herculano-Houzelin metodi jotenkin vääristäisi suhdelukua liian lähelle 1:1, todisteet kokonaisuutena varmasti ei tue mitään lähellä 10: 1 suhde. Tästä ristiriidasta huolimatta jotkin oppikirjat todennäköisesti pitävät edelleen 10: 1-suhdetta kiistattomana tosiasiana. Ben Barres Stanfordin yliopistosta kirjoittaa glia-osioita Kandelin oppikirjan tulevaan painokseen. Vaikka hän väittää, ettei kukaan ole tarkasti määrittänyt glia: n ja hermosolun suhdetta julkaistuissa tutkimuksissa, hän on vakuuttunut siitä, että glia: t muodostavat ainakin 80 prosenttia ihmisaivojen soluista.

käytettävissä oleva todistusaineisto

ainakin 1950-luvulta lähtien tutkijat ovat yrittäneet arvioida ihmisaivojen hermosolujen ja gliasolujen suhteellista määrää. He kohtasivat heti vaikeuksia.

tiukin menetelmä on viipaloida tuoreiden tai säilöttyjen aivojen eri alueet ohuiksi aivoprosciutto-levyiksi, laskea jokaisen levyn solut mikroskoopilla ja kertoa solujen määrä aivojen kokonaistilavuudella. Prosessi on melko yksinkertainen, mutta sen suorittaminen kokonaisilla aivoilla vie paljon aikaa—jopa silloin, kun tietokoneet ja koneet auttavat laskemisessa—mikä selittää sen, miksi niin monet tutkimukset keskittyvät vain yhteen aivojen alueeseen.

jo varhain tutkijat kuitenkin ymmärsivät, että glia: n ja neuronien suhde vaihtelee aivoalueittain, joskus dramaattisesti. Useissa varhaisissa tutkimuksissa glia-hermosolusuhteen todettiin olevan noin 1:1 esimerkiksi aivokuoressa, mutta eräässä vuonna 1988 tehdyssä tutkimuksessa glia: n ja hermosolun suhde oli 17: 1 talamuksessa, monipuolisessa pähkinänkokoisessa nupissa lähellä aivojen keskikohtaa. Asioita mutkistaa vielä se, että glia-hermosolusuhde vaihtelee lajeittain. Glia: iden ja neuronien lukumäärän laskeminen rotan aivokudoksessa ei siis anna tarkkaa arviota koko rotan aivojen suhteesta, eikä se välttämättä vastaa ihmisen aivojen vastaavan alueen suhdetta. Lukuisissa solulaskentatutkimuksissa 1950-luvulta lähtien päädyttiin siihen, että kädellisten aivokuoren glia-hermosolusuhde vaihteli välillä 0,5:1-2:1. Tietääksemme yhdessäkään näistä tutkimuksista ei arvioitu 10:1 glia-hermosolusuhdetta aivokuorelle tai koko aivoille.

jos mikään julkaistu todiste ei suoraan tue 10:1 glia-hermosolusuhdetta, miten se päätyi niin moniin oppikirjoihin? Ja mistä ajatus ylipäätään tuli? ”On mahdotonta löytää alkuperäistä lähdettä”, sanoo Claus Hilgetag Hampuri-Eppendorfin yliopiston lääketieteellisestä keskuksesta, joka on turhaan etsinyt pohjaa sille, mitä hän pitää pitkään säilyneenä myyttinä. Yksi hänen kollegoistaan, Hugues Berry, muistaa hämärästi kuulleensa, että 10: 1-suhde sai alkunsa väärin muistettuna yksityiskohtana eräässä akateemisessa konferenssissa pidetyssä esityksessä. Jos näin on, se ei varmasti olisi ensimmäinen kerta, kun ihmiset hyväksyvät vastavaikutteisen tilastotiedon tosiasiaksi.

Bostonin yliopiston Hilgetag ja Helen Barbas tarkastelevat aivojen rakennetta ja toimintaa käsittelevässä palstassa aivojen glia-hermosolusuhdetta koskevaa todistusaineistoa, ja korostavat neurofysiologi Suzana Herculano-Houzelin tutkimusta Instituto de Ciências Biomédicas-instituutissa Rio de Janeirossa Brasiliassa. Hän on kehittänyt ainutlaatuisen, nopean menetelmän laskea kaikki solut koko aivoissa.

Herculano-Houzelin tekniikka muuttaa ehjät aivot tumien muodostamaksi keitoksi—pieniksi säkeiksi, jotka sisältävät solujen DNA: ta. Hänen menetelmänsä idea on, että jokainen aivosolu sisältää täsmälleen yhden tuman; siksi aivojen tumien kokonaismäärä vastaa aivosolujen kokonaismäärää. Ensin Herculano-Houzel pilkkoo kokonaiset aivot kiinnostaviin alueisiin—kuten pikkuaivoihin ja aivokuoreen—ja jauhaa kaiken kudoksen käsin eräänlaisessa lasilaastissa ja surveessa. Kudoksen liuottaminen suolaliuokseen tuottaa liuoksen, jossa sekä hermosolujen että glia: n ytimet kelluvat vapaasti. Tumien sisällä olevan DNA: n merkitseminen fluoresoivilla proteiineilla saa kaikki ytimet hehkumaan sinisinä ultraviolettivalossa (UV). Herculano-Houzel mittaa näiden hehkuvien tumien tiheyden ja moninkertaistaa tämän luvun liuoksen tilavuudella määrittääkseen tumien kokonaismäärän, jonka pitäisi vastata kyseisen aivoalueen solujen kokonaismäärää. Seuraavaksi hän lisää vasta-aineen nimeltä anti-NeuN, joka sitoutuu proteiineihin useimmissa hermosolun ytimissä, mutta ei sitoudu mihinkään gliasytimiin. Toinen fluoresoiva vasta-aine kiinnittyy anti-Neuniin, jolloin hermosolujen ytimet hehkuvat vihreinä UV-valossa. Ravisteltuaan liuosta voimakkaasti jakaakseen tumakkeet tasaisesti neuroneista ja glia: sta Herculano-Houzel ottaa useita näytteitä keitosta, laskee mikroskoopilla fluoresoivat vihreät tumakkeet kussakin näytteessä ja laskee liuoksen hermosoluytimien kokonaismäärän, jonka pitäisi olla yhtä suuri kuin kyseisen aivoalueen hermosolujen kokonaismäärä. Luvun vähentäminen tumien kokonaismäärästä kertoo, kuinka monta gliasolua tuossa aivojen osassa oli.

Herculano-Houzel kollegoineen käytti tätä tekniikkaa analysoidessaan neljän kuolleen miehen aivoja ja julkaisi tuloksensa vuonna 2009: he löysivät johdonmukaisesti kokonaisen ihmisen aivojen glia-hermosolusuhteen lähes täsmälleen 1:1. He havaitsivat, että ihmisaivoissa on noin 170,68 miljardia solua, joista 86,1 miljardia on neuroneja ja 84,6 miljardia gliasoluja. Heidän tutkimuksensa viittaa myös siihen, että glia: n ja neuronien suhde vaihtelee dramaattisesti aivojen yleisalueelta toiselle. 60,84 miljardia aivokuoren solua on glia, kun taas vain 16.34 miljardia solua on neuroneja, jolloin tämän suuren alueen glia-hermosolusuhde on noin 3,76: 1. Se on käänteinen pikkuaivoissa, evolutionaarisesti ikivanha aivojen osa, joka istuu aivorungon takana. Herculano-Houzelin tutkimuksen mukaan pikkuaivoissa on 69,03 miljardia hermosolua ja vain 16,04 gliasolua, eli jokaista glia: ta kohti tällä alueella on noin 4,3 hermosolua.

Zoomaten vielä pidemmälle hänen tutkimuksessaan laskettiin 6,18 miljardia neuronia ja 8,68 miljardia glia aivokuoren harmaassa aineessa, vs. 1,29 miljardia neuronia ja 19,88 miljardia glia valkoisessa aineessa. Harmaa aine koostuu suurelta osin neuronien myeliinittömistä osista—neuroneista, joita gliasolut eivät peitä—kun taas valkoinen aine koostuu aksoneista, jotka on kääritty eristäviin oligodendrosyytteihin. Nämä tulokset saattavat selittää sen, miksi niin monissa varhaisissa laskututkimuksissa vain aivokuoren harmaasta aineesta otetuissa näytteissä havaittiin noin 1:1 tai hieman korkeampi glia-hermosolusuhde. Kaiken kaikkiaan aivokuori – sisältäen sekä harmaan että valkoisen aineen—sisältää paljon enemmän glia: ta kuin neuroneja, mutta sen uloin harmaa kerros on tasapainoisempi. Ja pikkuaivojen uskomaton neuronitiheys tasapainottaa glia-hermosoluannosta koko aivoissa.

kun Herculano-Houzel julkaisi innovatiivisen tekniikkansa ensimmäisen kerran vuonna 2005, suurin vastaväite oli se, ettei hän ollut suoraan verrannut sitä tyypillisempiin stereologisiin menetelmiin, joissa solut lasketaan aivokudoksen siivuihin. Kun hänen tuloksensa kokonaisaivoilla täsmäsivät eri aivoalueiden lukemiin aiemmissa stereologisissa tutkimuksissa, Herculano-Houzel sanoo kuitenkin useimpien kriitikoiden perääntyneen. Osa tutkijoista on edelleen huolissaan siitä, että aivojen jauhaminen ja liuottaminen tuhoaa huomattavan määrän tumia. Herculano kuitenkin selittää, että hänen käyttämänsä suolainen pesuaine (Triton X-100) tuhoaa rasvakudoksia, kuten solukalvoja, mutta säilyttää proteiinipitoisen ydinkalvon. Lisäksi hänen mukaansa aivokudoksen kiinnittäminen formaldehydiin ennen jauhamista vahvistaa proteiinien välisiä sidoksia ja tekee niistä erityisen vaikeita murtaa. Toiset tutkijat sanovat epäröivänsä luottaa menetelmään, jota ei ole käytetty laajasti yksittäisen tutkimusryhmän ulkopuolella. Tähän mennessä ainakin seitsemän eri tutkimusryhmää Yhdysvalloissa, Euroopassa ja Aasiassa on kuitenkin käyttänyt hyväkseen Herculano-Houzelin menetelmää.

kirjoitetaanko oppikirjat uusiksi?

neurobiologi Ben Barres Stanfordin yliopistosta sanoo, ettei hän koskaan uskonut laajalti toistettuun 10:1 glia—hermosolusuhteeseen-ennen kuin hän itse tutki asiaa. Nyt hän on varma, että ainakin 80 prosenttia ihmisaivojen soluista koostuu glia: sta. Tässä on hänen tärkein perustelunsa.

ihmisen aivoissa on äärellinen määrä soluja, joista jokaisessa on saman verran DNA: ta (noin 6,5 pikogrammaa). Kehittyvät ihmisaivot tuottavat suurimman osan hermosoluistaan raskauden ensimmäisen kolmanneksen aikana, mutta glia: t lopettavat määrän kasvun vasta muutaman vuoden kuluttua syntymästä. Vertaamalla 20-viikkoisen ihmisen aivojen DNA: n kokonaismäärää lapsen aivojen DNA: n kokonaismäärään, Barres järkeili, voitaisiin selvittää glia: n ja neuronin suhde. Barres löysi vuonna 1973 julkaistun tutkimuksen, jossa analysoitiin 139 ihmisen aivojen DNA-pitoisuuksia, joiden ikä vaihteli 10 viikosta seitsemään vuoteen. Eturaajoissa (joihin pikkuaivot eivät kuulu) oli noin 0.25 millimoolia DNA: ta viikolla 20 ja oli parhaimmillaan noin 2 millimoolia DNA: ta kaksivuotiaana. Näiden lukujen perusteella—ja ottaen huomioon verisuonisoluista peräisin olevan DNA: n—Barres päättelee, että glia: n kasvava määrä selittää etuaivo-DNA: n kokonaismäärän kasvun ja että glia: t muodostavat näin ollen ainakin 80 prosenttia ihmisaivojen soluista.

vaikka Barres luottaa omiin julkaisemattomiin laskelmiinsa – ja aikoo kirjoittaa, että glia—hermosoluja on paljon enemmän kuin neuroleptiopin uusimmassa painoksessa-hän väittää, ettei kukaan ole tehnyt sellaista tiukkaa tutkimusta, joka vastaisi lopullisesti glia-hermosolusuhdetta koskevaan kysymykseen. Barres visioi tutkimusta, jossa tutkijat värjäävät kokonaisia ihmisaivoja lähes kaikilla tunnetuilla merkkiaineilla sekä neuroneille että glia: lle—varmistaen, että mahdollisimman monet eri solutyypit saadaan talteen—ennen kuin aivot viipaloidaan ja jokaisen osan solut lasketaan huolellisesti. Hänen mukaansa kaikki tarvittavat välineet ovat käytettävissä. Kyse on vain hankkeen rahoittamisesta ja ajan löytämisestä kaikelle laskemiselle.

Ketä Kiinnostaa?

sanotaan, että tutkijat selvittävät tarkasti, kuinka monta glia: ta ja neuronia aivoissa on ja kaikki ovat yhtä mieltä luvuista—mitä sillä saadaan aikaan? Mitä väliä sillä on?

jotkut tutkijat ovat sitä mieltä, että glia-hermosolusuhde on vain yksi vähiten tärkeistä kysymyksistä, joita aivoista voi kysyä. Sen sijaan tutkijoiden pitäisi heidän mukaansa keskittyä siihen, miten aivosolut käyttäytyvät. Toiset tutkijat huomauttavat, että vanhenemiseen samoin kuin moniin neurologisiin sairauksiin liittyy aivosolujen menetys. Sen ymmärtäminen, mitkä aivosolut tarkalleen kuolevat ja mitkä jäävät eloon, voisi vauhdittaa uusien hoitojen kehittämistä. Jotkut biologit ja neurotieteilijät ovat myös hyvin kiinnostuneita siitä, onko glia: n ja neuronin suhde muuttunut evoluution aikana ja onko esimerkiksi eläimillä, joilla on suuret aivot—tai aivot, jotka ovat ruumiinkoolleen suuret—epätavallisen suuri tai vähäinen glia: n määrä. Vuonna 2007 tehdyssä tutkimuksessa tutkijat paloittelivat viisi minkinvalaan aivoa, laskivat solut tietokoneiden avulla ja löysivät 12,8 miljardia hermosolua, joita ympäröi 98,2 miljardia glia. Tutkimuksessa ei kuitenkaan ollut mukana pikkuaivoja, joissa on Herculano-Houzelin teoksen mukaan suurin osa nisäkkäiden aivojen hermosoluista.

monet tutkijat ovat väittäneet, että glia ansaitsee enemmän huomiota osittain siksi, että niitä on niin paljon. Esiintyvyys ei kuitenkaan vastaa merkitystä. Tutkijoiden ei enää tarvitse olla riippuvaisia väitetystä 10:1-suhteesta perustellakseen glia-tutkimusta. Gliasolut ovat kiehtovia ja tärkeitä rakenteellisen monimuotoisuutensa, toiminnallisen monipuolisuutensa ja sen vuoksi, että ne voivat muuttaa laukaisevien neuronien käyttäytymistä, vaikka ne eivät pystykään purkamaan omia sähköimpulsseja. Ne ohjaavat aivojen varhaista kehitystä ja pitävät aivotoverinsa terveinä läpi elämän. Glia ei ole pelkkä rakenteellinen täyteaine, vaan—kuten niiden nimen alkuperä antaa ymmärtää (kreikaksi liima) – ne auttavat pitämään asiat kasassa. Riippumatta todellisesta glia-hermosolusuhteesta tutkijat ovat jo osoittaneet, että glia on toiminnallisesti aivojen toinen puolisko.

Azevedo , Frederico A. C., Ludmila R. B. Carvalho, Lea T. Gribergb, José Marcelo Farfel, Renata E. L. Ferretti, Renata E. P. Leite, Wilson Jacob Filho, Roberto Lent ja Suzana Herculano-Houzel. ”Yhtä suuri määrä neuronaalisia ja ei-neuronaalisia soluja tekee Ihmisaivoista isometrisesti mitoitetut kädellisten aivot.”The Journal of Comparative Neurology, 2009, 513: 532-541.

Dobbing, J and Sands, J. Quantitative growth and development of human brain. Arch Tämä Lapsi. 1973 Lokakuu; 48 (10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Neokortikaalisten solujen kokonaismäärä mysticeten aivoissa. Anat Rec (Hoboken). 2007 tammi; 290 (1): 83-95.

Herculano-Houzel, Suzana ja Roberto Lent. ”Isotrooppinen fraktiointi: yksinkertainen, nopea menetelmä aivojen solujen ja hermosolujen kokonaislukujen kvantifioimiseksi.”The Journal of Neuroscience, 2005, 25(10): 2518-2521.

Hilgetag, Claus ja Helen Barbas. ”Onko aivoissa kymmenen kertaa enemmän glia: ta kuin neuroneja?”Brain Structure Function, 2009, 213: 365-366.

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. Principles of Neural Science, 4. painos. McGraw-Hill, New York.

Pakkenberg, B. and Gundersen, H. J. G. (1988), Total number of neurons and glial cells in human brain nuclements estimated by the disector and the fraktionator. Journal of Microscopy, 150: 1-20. doi: 10.1111 / j.1365-2818. 1988.tb04582.x

Neurokriittinen. Faktaa vai fiktiota? Aivoissa on kymmenen kertaa enemmän glia: ta kuin neuroneja. Syyskuuta 2009.