Ismerje meg neuronjait: mi a Glia aránya az agy neuronjaihoz?

korábban, a Know Your Neurons-ban:

1. fejezet: A Neuron felfedezése és elnevezése

2. fejezet: hogyan osztályozzuk a neuronok különböző típusait

3. fejezet: Ismerje meg a Glia-t

4. fejezet: mi a Glia és a neuronok aránya az agyban?

írta: Daisy Yuhas és Ferris Jabr

legutóbb a Know Your Neurons—ban beszéltünk a glia-ról-az agy és az idegrendszer két fő sejttípusának egyikéről a neuronok mellett. A Glia “50 az egyhez” – írta Eric Kandel széles körben használt tankönyvének, a The Principles of Neural Science—nek a visszhangja, amely kimondja: “a glia sejtek messze meghaladják a neuronokat-a gerincesek központi idegrendszerében 10-50-szer több glia van, mint a neuronok.”Más tankönyvek, köztük Mark Bear Idegtudománya—az agy felfedezése, hasonló állításokat tesznek, mint a népszerű sajtó számos cikke.

Noah Gray (@noahWG), a Nature vezető szerkesztője és Mo Costandi (@mocost), egy idegtudós, aki szabadúszó író lett, válaszoltak Twitter-bejegyzésünkre, arra hivatkozva, hogy a 10:1 glia-neuron Arány mítosz, és hogy az emberi és más főemlősök agyában az arány sokkal közelebb van az 1:1-hez. Úgy döntöttünk, hogy tovább vizsgáljuk.

a szakirodalom felmérése után nem találtunk egyetlen publikált tanulmányt sem, amely közvetlenül támogatná a 10:1 glia / neuron arányt az egész emberi agyban. Ha valaki tud ilyen tanulmányról, kérjük, idézze meg a megjegyzések részben. Számos tanulmányt találtunk már az 1950-es évekből, amelyek sokkal közelebb álltak az 1:1 arányhoz az emberek és más főemlősök agyában, bár ezeknek a vizsgálatoknak a többsége kizárólag a gerinces agy bonyolultan ráncos külső rétegére összpontosított, az úgynevezett kéregre, amelynek valószínűleg nem ugyanaz a glia / neuron aránya, mint az agy többi részének. A legmeggyőzőbb bizonyíték az 1:1 arányra Suzana Herculano-Houzel neurofiziológus és kollégái 2009-es tanulmányából származik, akik feltaláltak egy új, rendkívül hatékony módszert a sejtek számlálására, és négy teljes emberi agyra alkalmazták.

egyes kutatók azonban nem fogják teljes mértékben elfogadni az új módszert, amíg Herculano-Houzel közvetlenül nem hasonlítja össze a hagyományosabb sejtszámlálási technikákkal. Egyes tudósok, akik a glia-t tanulmányozzák, vonakodnak elismerni, hogy ezek az egykor figyelmen kívül hagyott sejtek nem alkotják a többséget. Még akkor is, ha Herculano-Houzel módszere valahogy túl közel torzítja az arányt 1:1, A bizonyítékok egésze biztosan nem támaszt alá semmit a 10:1 arány közelében. Ezen eltérés ellenére néhány tankönyv valószínűleg továbbra is vitathatatlan tényként fogja feltüntetni a 10:1 arányt. Ben Barres a Stanford Egyetemről írja a glia-ról szóló szakaszokat Kandel tankönyvének közelgő kiadásában. Bár azt állítja, hogy a közzétett kutatások során senki sem határozta meg szigorúan a glia / neuron arányt, meg van győződve arról, hogy a glia az emberi agy sejtjeinek legalább 80%—át teszi ki-erre a következtetésre jutott a fejlődő agy DNS-szintjének változásával kapcsolatos számítások alapján.

a rendelkezésre álló bizonyítékok

legalább az 1950-es évek óta a tudósok megpróbálták megbecsülni az emberi agyban lévő neuronok és gliasejtek relatív számát. Azonnal nehézségekbe ütköztek.

a legszigorúbb módszer magában foglalja a friss vagy tartósított agy különböző régióinak vékony agyi prosciutto lapokra történő szeletelését, az egyes lapok sejtjeinek mikroszkóp alatt történő számlálását és a sejtszám megszorzását a teljes agytérfogattal. A folyamat meglehetősen egyszerű, de az egész agyon történő végrehajtása sok időt vesz igénybe—még akkor is, ha a számítógépek és a gépek segítenek a számlálásban—ami megmagyarázza, hogy miért olyan sok tanulmány csak az agy egyetlen régiójára összpontosít.

Korán azonban a kutatók rájöttek, hogy a glia és a neuronok aránya agyrégiónként változik, néha drámai módon. Számos korai tanulmány szerint a glia-neuron Arány kb 1:1 például a kéregben, de egy 1988-as tanulmány 17: 1 glia-neuron arányt talált a thalamusban, egy sokoldalú dió méretű gombpár az agy közepe közelében. Tovább bonyolítja a dolgokat, a glia-neuron Arány fajonként eltérő. Tehát a glia és a neuronok számának megszámolása egy darab patkány agyszövetben nem ad pontos becslést az egész patkány agy arányáról, és nem feltétlenül egyezik meg az emberi agy hasonló régiójának arányával. Az 1950-es évektől kezdve számos sejtszámláló tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy a főemlős kéregben a glia / neuron arány 0,5:1 és 2:1 között mozgott. Amennyire meg tudjuk mondani, egyik tanulmány sem becsülte meg a 10:1 glia / neuron arányt sem az agykéregben, sem az egész agyban.

ha egyetlen közzétett bizonyíték sem támasztja alá közvetlenül a 10:1 glia-neuron arányt, hogyan került ez annyi tankönyvbe? És honnan ered ez a gondolat? “Lehetetlen megtalálni az eredeti forrást” -mondja Claus Hilgetag, a Hamburg-Eppendorf Egyetemi Orvosi Központ, aki hiába kereste az alapját annak, amit szerinte régóta fennálló mítosznak tart. Egyik kollégája, Hugues Berry homályosan emlékszik arra, hogy megtudta, hogy a 10:1 arány rosszul emlékezett részletként keletkezett egy tudományos konferencián tartott előadásban. Ha igen, akkor biztosan nem ez lenne az első alkalom, hogy az emberek tényként fogadják el az ellentmondásos statisztikát.

a brain Structure and Function oszlopban, amely az agy glia / neuron arányára vonatkozó bizonyítékokat vizsgálja, Hilgetag és Helen Barbas, a Bostoni Egyetem neurofiziológusa, Suzana Herculano-Houzel, a Rio de Janeiro-i Szövetségi Egyetem kutatója. Kifejlesztett egy egyedülálló, gyors módszert az egész agy összes sejtjének számlálására.

Herculano-Houzel technikája az ép agyat magok levesévé alakítja—kis zsákok, amelyek a sejtek DNS-ét tartalmazzák. Módszerének ötlete az, hogy minden agysejt pontosan egy magot tartalmaz; ezért az agyban lévő magok teljes száma megegyezik az agysejtek teljes számával. Először Herculano-Houzel egy egész agyat szeletel fel érdekes területekre—például a kisagyra és az agykéregre -, és az összes szövetet kézzel őrli egyfajta üveghabarcsban és mozsárban. A szövet sóoldatban történő feloldása olyan oldatot hoz létre, amelyben mind a neuronok, mind a glia magjai szabadon lebegnek. A magok belsejében lévő DNS fluoreszcens fehérjékkel történő címkézése az összes magot kékre világítja ultraibolya (UV) fény alatt. Herculano-Houzel méri ezeknek a ragyogó magoknak a sűrűségét, és megszorozza ezt a számot az oldat térfogatával, hogy meghatározza az atommagok teljes számát, amelynek meg kell felelnie az adott agyi régió összes sejtjének. Ezután hozzáadja az anti-NeuN nevű antitestet, amely kötődik a legtöbb idegsejtmag fehérjéihez, de nem kötődik semmilyen gliasejthez. Egy másik fluoreszcens antitest kötődik az anti-Neunhoz, így az idegsejtek magjai zölden világítanak UV fény alatt. Miután erőteljesen rázta az oldatot, hogy egyenletesen oszlatja el a neuronok és a glia magjait, Herculano-Houzel több mintát vesz a levesből, mikroszkóp alatt megszámolja az egyes mintákban lévő fluoreszkáló zöld magokat, és kiszámítja az oldatban lévő neuronális magok teljes számát, amelynek meg kell egyeznie az adott agyi régió neuronjainak teljes számával. Kivonva ezt a számot a teljes magszámból, megmondja neki, hogy hány gliasejtet tartalmazott az agy azon része.

Herculano-Houzel és kollégái ezt a technikát használták négy elhunyt ember agyának elemzésére, és 2009-ben publikálták eredményeiket: következetesen találtak egy teljes emberi agy glia-neuron arányát, majdnem pontosan 1:1. Pontosabban azt találták, hogy az emberi agy körülbelül 170,68 milliárd sejtet tartalmaz, amelyek közül 86,1 milliárd neuron, 84,6 milliárd pedig gliasejt. Tanulmányuk azt is sugallja, hogy a glia és a neuronok aránya drámai módon eltér az egyik általános agyi régiótól a másikig. Az agykéregben 60, 84 milliárd sejt glia, míg csak 16.34 milliárd sejt Neuron, így ennek a nagy régiónak a glia-neuron aránya körülbelül 3,76: 1. Ez az inverz a kisagyban, az agy evolúciósan ősi része, amely az agytörzsen ül. Herculano-Houzel tanulmánya szerint a kisagy 69,03 milliárd neuront és csak 16,04 gliasejtet tartalmaz, ami azt jelenti, hogy ebben a régióban körülbelül 4,3 neuron van minden glia számára.

tovább nagyítva, tanulmánya 6,18 milliárd neuront és 8,68 milliárd glia-t számolt a kéreg szürkeállományában, szemben az 1,29 milliárd neuronnal és 19,88 milliárd glia-val a fehérállományban. A szürkeállomány nagyrészt az idegsejtek nem myelinizált részeiből áll-olyan idegsejtekből, amelyeket nem burkolnak gliasejtek—, míg a fehérállomány szigetelő oligodendrocitákba csomagolt axonokból áll. Ezek az eredmények megmagyarázhatják, hogy miért olyan sok korai számlálási tanulmány, amely csak a kérgi szürkeállományból vett mintát, nagyjából 1:1 vagy valamivel magasabb glia-neuron arányt talált. Összességében az agykéreg—beleértve mind a szürke, mind a fehér anyagot-sokkal több glia-t tartalmaz, mint a neuronok, de a legkülső szürke réteg kiegyensúlyozottabb. És a kisagy hihetetlen neuronsűrűsége kiegyenlíti a glia és a neuron arányát az egész agyban.

amikor Herculano-Houzel 2005-ben először publikálta innovatív technikáját, a fő kifogás az volt, hogy nem hasonlította össze közvetlenül a tipikusabb sztereológiai módszerekkel, amelyekben a sejteket az agyszövet szeleteiben számolják. Amikor a korábbi sztereológiai vizsgálatok során teljes agyú eredményei megegyeztek a különböző agyi régiók számával, azonban, Herculano-Houzel szerint a legtöbb kritikus meghátrált. Egyes kutatók továbbra is aggódnak amiatt, hogy az agy őrlése és feloldása jelentős számú magot pusztít el. Herculano azonban elmagyarázza, hogy az általa használt sóoldat (Triton X-100) elpusztítja a zsírszöveteket, mint a sejtmembránok, de megőrzi a fehérjében gazdag nukleáris membránt. Továbbá azt mondja, hogy az agyszövet formaldehidben történő rögzítése az őrlés előtt erősíti a fehérjék közötti kötéseket, így különösen nehéz megszakítani őket. Más kutatók azt mondják, hogy vonakodnak megbízni egy olyan módszerben, amelyet egyetlen kutatócsoporton kívül nem használtak széles körben. Eddig azonban legalább hét különböző amerikai, európai és ázsiai kutatócsoport használta Herculano-Houzel módszerét.

a tankönyvek átírása?

Ben Barres, a Stanford Egyetem Neurobiológusa azt állítja, hogy soha nem hitte el a széles körben elterjedt 10:1 glia / neuron arányt, amíg maga nem vizsgálta meg az ügyet. Most biztos abban, hogy a glia az emberi agy sejtjeinek legalább 80% – át teszi ki. Itt van a fő érvelése.

az emberi agy véges számú sejtet tartalmaz, amelyek mindegyike azonos mennyiségű DNS-t tartalmaz (körülbelül 6,5 pikogram). A fejlődő emberi agy neuronjainak nagy részét a terhesség első trimeszterében termeli, de a glia száma csak néhány évvel a születés után növekszik. Ha összehasonlítjuk a 20 hetes emberi agyban lévő DNS teljes mennyiségét a csecsemő agyában lévő DNS teljes mennyiségével, Barres indokolta, meg lehet találni a glia / neuron arányt. Barres egy 1973-ban közzétett tanulmányt talált, amely 139 emberi agy DNS-szintjét elemezte, 10 héttől hét évig terjedő korban. Az előagyak (amelyek nem tartalmazzák a kisagyat) körülbelül 0-at tartalmaztak.25 millimól DNS a 20. héten, és két éves korára elérte a 2 millimól DNS-t. Ezen számok alapján—és a véredényekből származó DNS elszámolása alapján—Barres arra a következtetésre jut, hogy a glia növekvő száma magyarázza a teljes előagyi DNS növekedését, és ezért a glia az emberi agy sejtjeinek legalább 80% – át teszi ki.

annak ellenére, hogy Barres bízik saját publikálatlan számításaiban—és azt akarja írni, hogy a glia messze meghaladja a neuronok számát A principles of Neural Science legújabb kiadásában—azt állítja, hogy senki sem végzett olyan szigorú tanulmányt, amely véglegesen megválaszolná a glia / neuron Arány kérdését egyszer és mindenkorra. Barres elképzelt egy tanulmányt, amelyben a kutatók egész emberi agyat festenek szinte minden ismert markerrel mind a neuronok, mind a glia számára—ügyelve arra, hogy a lehető legtöbb különböző sejttípust rögzítsék—, mielőtt az agyat feldarabolják és aprólékosan megszámolják az egyes szakaszok sejtjeit. Azt mondja, minden szükséges eszköz rendelkezésre áll. Csak a projekt finanszírozása és az idő megtalálása a számláláshoz.

Kit Érdekel?

tegyük fel, hogy a tudósok pontosan kitalálják, hány glia és neuron van az agyban,és mindenki egyetért a számokkal—mit fog elérni? Miért számít ez?

egyes tudósok úgy gondolják, hogy a glia-neuron arány az egyik legkevésbé fontos kérdés, amelyet az agyról feltehetünk. Ehelyett azt állítják, hogy a tudósoknak arra kell összpontosítaniuk, hogyan viselkednek az agysejtek. Más tudósok rámutatnak, hogy az öregedés, valamint számos neurológiai betegség az agysejtek elvesztésével jár. Annak megértése, hogy pontosan mely agysejtek pusztulnak el és melyek maradnak életben, ösztönözheti az új kezelések kifejlesztését. Néhány biológust és idegtudóst is nagyon érdekel, hogy a glia / neuron Arány változott—e az evolúció során, és hogy például a nagy agyú vagy a testméretükhöz képest nagy agyú állatoknál szokatlanul magas vagy alacsony a glia—szám. Egy 2007-es tanulmányban a tudósok öt minke bálna agyát szeletelték fel, számítógépek segítségével megszámolták a sejteket,és 12,8 milliárd neuront találtak 98,2 milliárd glia körül. A tanulmány azonban nem tartalmazta a kisagyat, amely Herculano-Houzel munkája szerint az emlősök agyának legtöbb neuronját tartalmazza.

sok kutató azzal érvelt, hogy a glia részben nagyobb figyelmet érdemel, mert annyira sok. De a prevalencia nem egyenértékű a jelentőséggel. A tudósoknak már nem kell az állítólagos 10:1 aránytól függniük a glia-kutatás igazolásához. A gliasejtek lenyűgözőek és fontosak szerkezeti sokféleségük, funkcionális sokoldalúságuk és az a tény miatt, hogy megváltoztathatják a tüzelő neuronok viselkedését, még akkor is, ha nem képesek saját elektromos impulzusokat kibocsátani. Ők irányítják a korai agyfejlődést, és az agysejtjeiket egész életük során egészségesen tartják. A Glia nem pusztán szerkezeti töltőanyag, hanem—amint a nevük eredete is sugallja (görögül ragasztó)—segítenek együtt tartani a dolgokat. Függetlenül a valódi glia-neuron aránytól, a tudósok már kimutatták, hogy a glia funkcionálisan az agy másik fele.

Azevedo, Frederico A. C. , Ljudmila R. B. Carvalho, Lea T. Gribergb, Josz .. Marcelo Farfel, Renata E. L. Ferretti, Renata E. P. Leite, Wilson Jacob Filho, Roberto nagyböjt és Suzana Herculano-Houzel. “Az azonos számú neuronális és Nemneuronális sejt az emberi agyat izometrikusan felnagyított főemlős Agyvá teszi.”Az összehasonlító neurológia folyóirata, 2009, 513: 532-541.

Dobing, J és Sands, J. az emberi agy mennyiségi növekedése és fejlődése. Arch Dis Gyermek. 1973 október; 48(10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Teljes neocorticalis sejtszám a mysticete agyban. Anat Rec (Hoboken). 2007 január;290(1): 83-95.

Herculano-Houzel, Suzana és Roberto Nagyböjt. “Izotróp frakcionáló: egyszerű, gyors módszer az agy összes sejt-és Neuronszámának számszerűsítésére.”Journal of Neuroscience, 2005, 25(10): 2518-2521.

Hilgetag, Claus és Helen Barbas. “Tízszer több glia van az agyban, mint a neuronok?”Az Agy Szerkezetének Működése, 2009, 213: 365-366.

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. A neurális tudomány alapelvei, 4. kiadás. McGraw-Hill, New York.

Pakkenberg, B. and Gundersen, H. J. G. (1988), a diszektor és a frakcionáló által becsült összes Neuron és gliasejt száma az emberi agymagokban. Mikroszkópos folyóirat, 150: 1-20. doi: 10.1111 / j. 1365-2818.1988.tb04582.x

a Neurokritikus. Tény vagy fikció? Az agyban tízszer több glia van, mint a neuronok. Szeptember 27, 2009.