Connaissez vos Neurones: Quel est le Rapport Glia/Neurones dans le Cerveau?

Précédemment, sur Connaissez vos Neurones:

Chapitre 1: La Découverte et la Dénomination du Neurone

Chapitre 2: Comment classer les Différents Types de Neurones

Chapitre 3: Rencontrer la Glie

Chapitre 4: Quel est le Rapport de la Glie aux Neurones dans le Cerveau?

Par Daisy Yuhas et Ferris Jabr

La dernière fois sur Know Your Neurons, nous avons parlé de la glie — l’un des deux principaux types de cellules du cerveau et du système nerveux aux côtés des neurones. Les Glies « dépassent les neurones de 50 à un », nous avons écrit, faisant écho au manuel largement utilisé d’Eric Kandel, Les Principes de la science neuronale, qui stipule: « Les cellules gliales sont beaucoup plus nombreuses que les neurones — il y a entre 10 et 50 fois plus de glies que de neurones dans le système nerveux central des vertébrés. »D’autres manuels, y compris Neuroscience – Exploring the Brain de Mark Bear, font des affirmations similaires, tout comme de nombreux articles dans la presse populaire.

Noah Gray (@noahWG), rédacteur en chef chez Nature, et Mo Costandi (@ mocost), un neuroscientifique devenu écrivain indépendant, ont répondu à notre message sur Twitter, citant des preuves récentes que le rapport glia / neurone 10: 1 est un mythe et que le rapport dans le cerveau humain et d’autres cerveaux de primates est beaucoup plus proche de 1: 1. Nous avons décidé d’enquêter davantage.

Après avoir examiné la littérature de recherche, nous n’avons trouvé aucune étude publiée qui soutient directement un rapport glia / neurone de 10: 1 dans l’ensemble du cerveau humain. Si quelqu’un connaît une telle étude, veuillez la citer dans la section commentaires. Nous avons trouvé de nombreuses études dès les années 1950 qui se sont établies sur un rapport beaucoup plus proche de 1: 1 dans le cerveau des humains et d’autres primates, bien que la plupart de ces études se soient concentrées uniquement sur la couche externe finement ridée du cerveau des vertébrés, connue sous le nom de cortex, qui n’a probablement pas le même rapport glie / neurone que le reste du cerveau. La preuve la plus convaincante d’un rapport 1: 1 provient d’une étude de 2009 de la neurophysiologiste Suzana Herculano-Houzel et de ses collègues, qui ont inventé une nouvelle façon très efficace de compter les cellules et de l’appliquer à quatre cerveaux humains entiers.

Certains chercheurs, cependant, n’accepteront pas pleinement la nouvelle méthode jusqu’à ce qu’Herculano-Houzel la compare directement à des techniques de comptage cellulaire plus traditionnelles. Et certains scientifiques qui étudient la glie hésitent à admettre que ces cellules autrefois négligées pourraient ne pas constituer la majorité. Même si la méthode d’Herculano-Houzel biaise en quelque sorte le rapport trop proche de 1:1, la preuve dans son ensemble ne soutient certainement rien près d’un rapport de 10: 1. Malgré cet écart, certains manuels continueront probablement de vanter le ratio 10: 1 comme un fait incontesté. Ben Barres de l’Université de Stanford écrit les sections sur glia dans la prochaine édition du manuel de Kandel. Bien qu’il affirme que personne n’a déterminé rigoureusement le rapport glia / neurone dans des recherches publiées, il est convaincu que les glia représentent au moins 80% des cellules du cerveau humain — une conclusion qu’il a tirée sur la base de calculs sur l’évolution des niveaux d’ADN dans le cerveau en développement.

Les preuves disponibles

Depuis au moins les années 1950, les scientifiques ont essayé d’estimer le nombre relatif de neurones et de cellules gliales dans le cerveau humain. Ils ont tout de suite rencontré des difficultés.

La méthode la plus rigoureuse consiste à découper différentes régions d’un cerveau frais ou conservé en fines feuilles de prosciutto cérébral, à compter les cellules de chaque feuille au microscope et à multiplier le nombre de cellules par le volume total du cerveau. Le processus est assez simple, mais son exécution sur un cerveau entier prend beaucoup de temps — même lorsque les ordinateurs et les machines aident au comptage — ce qui explique pourquoi tant d’études se concentrent sur une seule région du cerveau.

Au début, cependant, les chercheurs ont réalisé que le rapport des glies aux neurones varie d’une région du cerveau à l’autre, parfois de manière spectaculaire. Plusieurs études précoces ont trouvé un rapport glie / neurone d’environ 1:1 dans le cortex, par exemple, mais une étude de 1988 a trouvé un rapport glia / neurone de 17 à 1 dans le thalamus, une paire polyvalente de boutons de la taille d’une noix près du milieu du cerveau. Ce qui complique encore les choses, le rapport glie/neurone diffère d’une espèce à l’autre. Ainsi, compter le nombre de glies et de neurones dans un morceau de tissu cérébral de rat ne vous donne pas une estimation précise du rapport pour l’ensemble du cerveau de rat, ni ne correspond nécessairement au rapport dans une région comparable du cerveau humain. De nombreuses études de comptage cellulaire à partir des années 1950 ont conclu que le rapport glie / neurone dans le cortex des primates variait de 0,5: 1 à 2: 1. Pour autant que nous puissions le dire, aucune de ces études n’a estimé un rapport glia / neurone de 10: 1 pour le cortex ou l’ensemble du cerveau.

Si aucune preuve publiée ne soutient directement le rapport glia / neurone 10: 1, comment cela s’est-il retrouvé dans autant de manuels? Et d’où vient la notion en premier lieu? « Il est impossible de trouver la source originale », explique Claus Hilgetag du Centre médical universitaire de Hambourg-Eppendorf, qui a cherché en vain la base de ce qu’il pense être un mythe perpétué depuis longtemps. Un de ses collègues, Hugues Berry, se souvient vaguement d’avoir appris que le ratio 10:1 provenait d’un détail mal évoqué lors d’une présentation lors d’une conférence universitaire. Si c’est le cas, ce ne serait certainement pas la première fois que les gens adoptent une statistique contre-intuitive comme fait.

Dans une colonne sur la structure et la fonction du cerveau examinant les preuves pertinentes sur le rapport glie / neurone du cerveau, Hilgetag et Helen Barbas de l’Université de Boston soulignent les recherches de la neurophysiologiste Suzana Herculano-Houzel de l’Instituto de Ciências Biomédicas / Université fédérale de Rio de Janeiro, Brésil. Elle a développé une méthode unique et rapide pour compter toutes les cellules d’un cerveau entier.

La technique d’Herculano-Houzel transforme un cerveau intact en une soupe de noyaux — de petits sacs contenant l’ADN des cellules. L’idée derrière sa méthode est que chaque cellule cérébrale contient exactement un noyau; par conséquent, le nombre total de noyaux dans un cerveau correspond au nombre total de cellules cérébrales. Tout d’abord, Herculano-Houzel découpe un cerveau entier en régions d’intérêt — telles que le cervelet et le cortex cérébral — et broie tous les tissus à la main dans une sorte de mortier de verre et de pilon. La dissolution du tissu dans un détergent salin crée une solution dans laquelle les noyaux des neurones et de la glie flottent librement. Le marquage de l’ADN à l’intérieur des noyaux avec des protéines fluorescentes fait que tous les noyaux brillent en bleu sous la lumière ultraviolette (UV). Herculano-Houzel mesure la densité de ces noyaux lumineux et multiplie ce nombre par le volume de la solution pour déterminer le nombre total de noyaux, qui devrait correspondre au nombre total de cellules dans cette région du cerveau. Ensuite, elle ajoute un anticorps appelé anti-NeuN qui se lie aux protéines de la plupart des noyaux neuronaux, mais ne se lie à aucun noyau glial. Un autre anticorps fluorescent se fixe à l’anti-NeuN, faisant briller les noyaux des neurones en vert sous la lumière UV. Après avoir vigoureusement agité la solution pour répartir uniformément les noyaux des neurones et de la glie, Herculano-Houzel prélève plusieurs échantillons de la soupe, compte les noyaux verts fluorescents dans chaque échantillon au microscope et calcule le nombre total de noyaux neuronaux dans la solution, ce qui devrait être égal au nombre total de neurones dans cette région du cerveau. En soustrayant ce nombre du nombre total de noyaux, elle indique combien de cellules gliales cette section du cerveau contenait.

Herculano-Houzel et ses collègues ont utilisé cette technique pour analyser le cerveau de quatre hommes décédés et ont publié leurs résultats en 2009: ils ont systématiquement trouvé un rapport glie / neurone du cerveau humain entier de presque exactement 1: 1. Plus précisément, ils ont découvert que le cerveau humain contient environ 170,68 milliards de cellules, dont 86,1 milliards de neurones et 84,6 milliards de cellules gliales. Leur étude suggère également que le rapport entre la glie et les neurones diffère considérablement d’une région générale du cerveau à l’autre. 60,84 milliards de cellules du cortex cérébral sont des glies, alors que seulement 16.34 milliards de cellules sont des neurones, ce qui donne à cette grande région un rapport glie / neurone d’environ 3,76 à 1. C’est l’inverse dans le cervelet, une partie évolutivement ancienne du cerveau qui se trouve à cheval sur le tronc cérébral. Selon l’étude d’Herculano-Houzel, le cervelet contient 69,03 milliards de neurones et seulement 16,04 cellules gliales, ce qui signifie qu’il y a environ 4,3 neurones pour chaque glie dans cette région.

En zoomant encore plus loin, son étude a compté 6,18 milliards de neurones et 8,68 milliards de glies dans la matière grise du cortex, contre 1,29 milliard de neurones et 19,88 milliards de glies dans la substance blanche. La matière grise est en grande partie constituée des parties non myélinées des neurones — des neurones qui ne sont pas gainés par des cellules gliales — tandis que la substance blanche est composée d’axones enveloppés dans des oligodendrocytes isolants. Ces résultats pourraient expliquer pourquoi tant d’études de comptage précoce qui n’ont échantillonné que de la matière grise corticale ont trouvé un rapport glie / neurone à peu près 1: 1 ou légèrement supérieur. Dans l’ensemble, le cortex cérébral — comprenant à la fois la substance grise et la substance blanche — contient beaucoup plus de glies que les neurones, mais sa couche grise la plus externe est plus équilibrée. Et l’incroyable densité de neurones du cervelet équilibre la ration glie-neurone dans tout le cerveau.

Lorsque Herculano-Houzel a publié sa technique innovante pour la première fois en 2005, la principale objection était qu’elle ne l’avait pas directement comparée à des méthodes stéréologiques plus typiques, dans lesquelles les cellules sont comptées en tranches de tissu cérébral. Cependant, lorsque ses résultats avec des cerveaux entiers correspondaient aux nombres de différentes régions du cerveau dans des études stéréologiques antérieures, Herculano-Houzel dit que la plupart des critiques ont reculé. Certains chercheurs restent préoccupés par le fait que le broyage et la dissolution du cerveau détruisent un nombre important de noyaux. Herculano explique cependant que le détergent salin qu’elle utilise (Triton X-100) détruit les tissus adipeux, comme les membranes cellulaires, mais préserve la membrane nucléaire riche en protéines. De plus, dit-elle, la fixation du tissu cérébral dans le formaldéhyde avant le broyage renforce les liaisons entre les protéines, ce qui les rend particulièrement difficiles à rompre. D’autres chercheurs disent qu’ils hésitent à faire confiance à une méthode qui n’a pas été largement utilisée en dehors d’un seul groupe de recherche. Jusqu’à présent, cependant, au moins sept équipes de recherche différentes aux États-Unis, en Europe et en Asie se sont prévalues de la méthode d’Herculano-Houzel.

Réécrire les manuels ?

Le neurobiologiste Ben Barres de l’Université de Stanford dit qu’il n’a jamais cru au rapport glia / neurone 10: 1 largement modifié — jusqu’à ce qu’il se penche lui-même sur la question. Maintenant, il est certain que les glies représentent au moins 80% des cellules du cerveau humain. Voici son raisonnement principal.

Le cerveau humain contient un nombre fini de cellules, chacune contenant la même quantité d’ADN (environ 6,5 picogrammes). Le cerveau humain en développement produit la plupart de ses neurones au cours du premier trimestre de la grossesse, mais les glies ne finissent de croître en nombre que quelques années après la naissance. En comparant la quantité totale d’ADN dans un cerveau humain âgé de 20 semaines à la quantité totale d’ADN dans le cerveau d’un nourrisson, a raisonné Barres, on pourrait déterminer le rapport glie / neurone. Barres a trouvé une étude publiée en 1973 qui analysait les niveaux d’ADN dans 139 cerveaux humains âgés de 10 semaines à sept ans. Les cervelets antérieurs (qui n’incluent pas le cervelet) contenaient environ 0.25 millimoles d’ADN à la semaine 20 et un pic à environ 2 millimoles d’ADN à l’âge de deux ans. Sur la base de ces chiffres — et en tenant compte de l’ADN des cellules des vaisseaux sanguins — Barres conclut que le nombre croissant de glies explique l’augmentation de l’ADN total du cerveau antérieur et que les glies représentent donc au moins 80% des cellules du cerveau humain.

Même si Barres est confiant dans ses propres calculs non publiés — et a l’intention d’écrire que les glies sont beaucoup plus nombreuses que les neurones dans la dernière édition des Principles of Neural Science —, il soutient que personne n’a mené le genre d’étude rigoureuse qui répondrait définitivement à la question du rapport glie / neurone une fois pour toutes. Barres envisage une étude dans laquelle les chercheurs colorent des cerveaux humains entiers avec à peu près tous les marqueurs connus pour les neurones et la glie — en veillant à capturer autant de types de cellules différents que possible — avant de découper les cerveaux et de compter méticuleusement les cellules dans chaque section. Il dit que tous les outils nécessaires sont disponibles. Il ne s’agit que de financer le projet et de trouver le temps pour tout ce qui compte.

Qui s’en soucie?

Disons que les scientifiques déterminent exactement combien de glies et de neurones le cerveau contient et que tout le monde est d’accord sur les chiffres — qu’est-ce que cela va accomplir? Pourquoi est-ce important?

Certains scientifiques pensent que le rapport glie / neurone est à peu près l’une des questions les moins importantes que vous puissiez poser sur le cerveau. Au lieu de cela, affirment-ils, les scientifiques devraient se concentrer sur le comportement des cellules du cerveau. D’autres scientifiques soulignent que le vieillissement, ainsi que de nombreuses maladies neurologiques, impliquent la perte de cellules cérébrales. Comprendre exactement quelles cellules du cerveau meurent et lesquelles survivent pourrait stimuler le développement de nouveaux traitements. Certains biologistes et neuroscientifiques s’intéressent également beaucoup à la question de savoir si le rapport glia / neurone a changé au cours de l’évolution et si, par exemple, les animaux avec de gros cerveaux — ou des cerveaux de grande taille pour leur taille corporelle — ont un nombre anormalement élevé ou faible de glia. Dans une étude de 2007, les scientifiques ont découpé cinq cerveaux de petits rorquals, compté les cellules à l’aide d’ordinateurs et trouvé 12,8 milliards de neurones entourés de 98,2 milliards de glies. Cependant, l’étude n’a pas inclus le cervelet, qui contient la plupart des neurones du cerveau des mammifères selon les travaux d’Herculano-Houzel.

De nombreux chercheurs ont fait valoir que les glia méritent plus d’attention en partie parce qu’elles sont si nombreuses. Mais la prévalence n’est pas équivalente à la signification. Les scientifiques n’ont plus besoin de dépendre du prétendu rapport 10: 1 pour justifier la recherche sur la glia. Les cellules gliales sont fascinantes et importantes en raison de leur diversité structurelle, de leur polyvalence fonctionnelle et du fait qu’elles peuvent modifier le comportement des neurones déclencheurs même si elles ne peuvent pas décharger leurs propres impulsions électriques. Ils guident le développement précoce du cerveau et maintiennent leurs autres cellules cérébrales en bonne santé tout au long de la vie. Les Glia ne sont pas de simples remplisseurs structurels, mais — comme l’origine de leur nom l’indique (en grec pour colle) — elles aident à garder les choses ensemble. Quel que soit le vrai rapport glie / neurone, les scientifiques ont déjà montré que les glies sont, fonctionnellement, l’autre moitié du cerveau.

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Le Neurocritique. Fait ou Fiction? Il y a dix fois plus de glies que de neurones dans le cerveau. 27 septembre 2009.