Conosci i tuoi neuroni: qual è il rapporto tra Glia e neuroni nel cervello?

in Precedenza, Conoscere i Tuoi Neuroni:

Capitolo 1: La Scoperta e la Denominazione del Neurone

Capitolo 2: Come Classificare Diversi Tipi di Neuroni

Capitolo 3: Incontro con la Glia

Capitolo 4: Qual è il Rapporto tra Glia di Neuroni nel Cervello?

Di Daisy Yuhas e Ferris Jabr

L’ultima volta su Know Your Neurons, abbiamo parlato di glia—uno dei due principali tipi di cellule nel cervello e nel sistema nervoso a fianco dei neuroni. La Glia “supera i neuroni di ben 50 a uno”, abbiamo scritto, facendo eco al libro di testo ampiamente utilizzato di Eric Kandel, The Principles of Neural Science, che afferma: “Le cellule Gliali superano di gran lunga i neuroni—ci sono tra 10 e 50 volte più glia dei neuroni nel sistema nervoso centrale dei vertebrati.”Altri libri di testo, tra cui Neuroscience—Exploring the Brain di Mark Bear, fanno affermazioni simili, così come molti articoli sulla stampa popolare.

Noah Gray (@noahWG), senior editor di Nature, e Mo Costandi (@mocost), un neuroscienziato diventato scrittore freelance, hanno risposto al nostro post su Twitter, citando recenti prove che il rapporto glia-neurone 10:1 è un mito e che il rapporto nel cervello umano e in altri primati è molto più vicino a 1:1. Abbiamo deciso di indagare ulteriormente.

Dopo aver esaminato la letteratura di ricerca, non abbiamo trovato un singolo studio pubblicato che supporti direttamente un rapporto glia-neurone 10:1 nell’intero cervello umano. Se qualcuno sa di tale studio, si prega di citarlo nella sezione commenti. Abbiamo trovato molti studi fin dal 1950 che si stabilirono su un rapporto molto più vicino a 1:1 nel cervello degli esseri umani e di altri primati, anche se la maggior parte di questi studi si è concentrata esclusivamente sullo strato esterno intricato rugoso del cervello vertebrato, noto come corteccia, che probabilmente non ha lo stesso rapporto glia-neurone del resto del cervello. Le prove più convincenti per un rapporto 1:1 provengono da uno studio del 2009 della neurofisiologa Suzana Herculano-Houzel e dei suoi colleghi, che hanno inventato un nuovo modo altamente efficiente di contare le cellule e lo hanno applicato a quattro interi cervelli umani.

Alcuni ricercatori, tuttavia, non accetteranno pienamente il nuovo metodo fino a quando Herculano-Houzel non lo paragonerà direttamente a tecniche di conteggio delle cellule più tradizionali. E alcuni scienziati che studiano la glia sono riluttanti ad ammettere che queste cellule una volta trascurate potrebbero non costituire la maggioranza. Anche se il metodo di Herculano-Houzel in qualche modo distorce il rapporto troppo vicino a 1:1, l’evidenza nel suo complesso certamente non supporta nulla vicino a un rapporto 10:1. Nonostante questa discrepanza, alcuni libri di testo probabilmente continueranno a tout il rapporto 10: 1 come fatto indiscusso. Ben Barres della Stanford University sta scrivendo le sezioni su glia nella prossima edizione del libro di testo di Kandel. Sebbene sostenga che nessuno abbia determinato rigorosamente il rapporto glia-neurone nella ricerca pubblicata, è convinto che la glia costituisca almeno l ‘ 80% delle cellule del cervello umano—una conclusione che ha raggiunto sulla base di calcoli sui cambiamenti dei livelli di DNA nel cervello in via di sviluppo.

Le prove disponibili

Almeno dal 1950 gli scienziati hanno cercato di stimare il numero relativo di neuroni e cellule gliali nel cervello umano. Hanno incontrato difficoltà subito.

Il metodo più rigoroso consiste nel tagliare diverse regioni di un cervello fresco o conservato in sottili fogli di prosciutto cerebrale, contando le cellule in ogni foglio al microscopio e moltiplicando il conteggio delle cellule per volume totale del cervello. Il processo è abbastanza semplice, ma eseguirlo su un intero cervello richiede molto tempo, anche quando computer e macchine aiutano con il conteggio, il che spiega perché così tanti studi si concentrano su una sola regione del cervello.

All’inizio, tuttavia, i ricercatori si sono resi conto che il rapporto tra glia e neuroni varia da una regione del cervello all’altra, a volte in modo drammatico. Diversi primi studi hanno trovato un rapporto glia neurone di circa 1:1 nella corteccia, per esempio, ma uno studio del 1988 ha trovato un rapporto glia-neurone di 17 a 1 nel talamo, una coppia versatile di manopole di dimensioni noce vicino al centro del cervello. A complicare ulteriormente le cose, il rapporto glia-neurone differisce da specie a specie. Quindi contare i numeri di glia e neuroni in un pezzo di tessuto cerebrale di ratto non ti dà una stima accurata del rapporto per l’intero cervello di ratto, né corrisponde necessariamente al rapporto in una regione comparabile del cervello umano. Numerosi studi di conteggio delle cellule dal 1950 in poi hanno concluso che il rapporto glia-neurone nella corteccia dei primati variava da 0,5:1 a 2:1. Per quanto possiamo dire, nessuno di questi studi ha stimato un rapporto glia-neurone 10:1 per la corteccia o l’intero cervello.

Se nessuna prova pubblicata supporta direttamente il rapporto glia-neurone 10:1, come è finito in così tanti libri di testo? E da dove viene la nozione in primo luogo? “È impossibile trovare la fonte originale”, dice Claus Hilgetag del Centro medico universitario di Amburgo-Eppendorf, che ha cercato invano la base di ciò che pensa sia un mito perpetuato da tempo. Uno dei suoi colleghi, Hugues Berry, ricorda vagamente di aver appreso che il rapporto 10:1 è nato come un dettaglio confuso in una presentazione a una conferenza accademica. Se è così, certamente non sarebbe la prima volta che le persone hanno adottato una statistica controintuitiva come fatto.

In una colonna di struttura e funzione del cervello che esamina le prove rilevanti sul rapporto glia-neurone del cervello, Hilgetag e Helen Barbas dell’Università di Boston evidenziano la ricerca della neurofisiologa Suzana Herculano-Houzel dell’Instituto de Ciências Biomédicas/Università Federale di Rio de Janeiro, Brasile. Ha sviluppato un metodo unico e veloce per contare tutte le cellule di un intero cervello.

La tecnica di Herculano-Houzel trasforma un cervello intatto in una zuppa di nuclei—piccoli sacchi che contengono il DNA delle cellule. L’idea alla base del suo metodo è che ogni cellula cerebrale contiene esattamente un nucleo; pertanto, il numero totale di nuclei in un cervello corrisponde al numero totale di cellule cerebrali. In primo luogo, Herculano-Houzel taglia un intero cervello in regioni di interesse—come il cervelletto e la corteccia cerebrale—e macina tutto il tessuto a mano in una sorta di mortaio di vetro e pestello. La dissoluzione del tessuto in detergente salino crea una soluzione in cui i nuclei di entrambi i neuroni e la glia galleggiano liberamente. Etichettare il DNA all’interno dei nuclei con proteine fluorescenti rende tutti i nuclei bagliore blu sotto la luce ultravioletta (UV). Herculano-Houzel misura la densità di questi nuclei incandescenti e moltiplica quel numero per il volume della soluzione per determinare il numero totale di nuclei, che dovrebbe corrispondere al numero totale di cellule in quella regione del cervello. Successivamente, aggiunge un anticorpo chiamato anti-NeuN che si lega alle proteine sulla maggior parte dei nuclei neuronali, ma non si lega a nessun nucleo gliale. Un altro anticorpo fluorescente si attacca all’anti-NeuN, facendo sì che i nuclei dei neuroni si illuminino di verde sotto la luce UV. Dopo aver agitato vigorosamente la soluzione per distribuire uniformemente i nuclei dai neuroni e dalla glia, Herculano-Houzel prende diversi campioni della zuppa, conta i nuclei verdi fluorescenti in ciascun campione al microscopio e calcola il numero totale di nuclei neuronali nella soluzione, che dovrebbe essere uguale al numero totale di neuroni in quella regione del cervello. Sottraendo quel numero dal conteggio totale dei nuclei le dice quante cellule gliali conteneva quella sezione del cervello.

Herculano-Houzel e i suoi colleghi hanno usato questa tecnica per analizzare il cervello di quattro uomini deceduti e hanno pubblicato i loro risultati nel 2009: hanno costantemente trovato un intero cervello umano rapporto glia-neurone di quasi esattamente 1:1. In particolare, hanno scoperto che il cervello umano contiene circa 170,68 miliardi di cellule, 86,1 miliardi di cui sono neuroni e 84,6 miliardi di cui sono cellule gliali. Il loro studio suggerisce anche che il rapporto tra glia e neuroni differisce drammaticamente da una regione generale del cervello all’altra. 60,84 miliardi di cellule nella corteccia cerebrale sono glia, mentre solo 16.34 miliardi di cellule sono neuroni, dando a questa grande regione un rapporto glia / neurone di circa 3,76 a 1. È l’inverso nel cervelletto, una parte evolutivamente antica del cervello che si trova a cavalcioni del tronco cerebrale. Secondo lo studio di Herculano-Houzel, il cervelletto contiene 69,03 miliardi di neuroni e solo 16,04 cellule gliali, il che significa che ci sono circa 4,3 neuroni per ogni glia in questa regione.

Ingrandendo ulteriormente, il suo studio ha contato 6,18 miliardi di neuroni e 8,68 miliardi di glia nella materia grigia della corteccia, contro 1,29 miliardi di neuroni e 19,88 miliardi di glia nella materia bianca. La materia grigia è in gran parte costituita dalle parti non mielinizzate dei neuroni—neuroni che non sono inguainati dalle cellule gliali—mentre la materia bianca è composta da assoni avvolti in oligodendrociti isolanti. Questi risultati potrebbero spiegare perché così tanti primi studi di conteggio che solo la materia grigia corticale campionata ha trovato un rapporto glia / neurone approssimativamente 1:1 o leggermente più alto. Nel complesso la corteccia cerebrale—compresa sia la materia grigia che quella bianca-contiene molto più glia dei neuroni, ma il suo strato grigio più esterno è più equilibrato. E l’incredibile densità di neuroni del cervelletto bilancia la razione glia-neurone in tutto il cervello.

Quando Herculano-Houzel pubblicò per la prima volta la sua tecnica innovativa nel 2005, l’obiezione principale era che non l’aveva direttamente paragonata a metodi stereologici più tipici, in cui le cellule sono contate in fette di tessuto cerebrale. Quando i suoi risultati con interi cervelli abbinati conteggi da diverse regioni del cervello in precedenti studi stereologici, tuttavia, Herculano-Houzel dice la maggior parte dei critici marcia indietro. Alcuni ricercatori rimangono preoccupati che macinare e sciogliere il cervello distrugga un numero significativo di nuclei. Herculano spiega, tuttavia, che il detergente salino che usa (Triton X-100) distrugge i tessuti grassi, come le membrane cellulari, ma conserva la membrana nucleare ricca di proteine. Inoltre, dice, fissando il tessuto cerebrale in formaldeide prima della macinazione rafforza i legami tra le proteine, rendendole particolarmente difficili da rompere. Altri ricercatori dicono che sono riluttanti a fidarsi di un metodo che non è stato ampiamente utilizzato al di fuori di un singolo gruppo di ricerca. Finora, tuttavia, almeno sette diversi gruppi di ricerca negli Stati Uniti, in Europa e in Asia si sono avvalsi del metodo di Herculano-Houzel.

Riscrivere i libri di testo?

Il neurobiologo Ben Barres della Stanford University afferma di non aver mai creduto al rapporto glia 10:1 ampiamente pappagallato—fino a quando non ha esaminato la questione da solo. Ora, egli è certo che glia costituiscono almeno l ‘ 80 per cento delle cellule del cervello umano. Ecco il suo ragionamento principale.

Il cervello umano contiene un numero finito di cellule, ognuna delle quali contiene la stessa quantità di DNA (circa 6,5 picogrammi). Il cervello umano in via di sviluppo produce la maggior parte dei suoi neuroni entro il primo trimestre di gravidanza, ma la glia non finisce di crescere di numero fino a pochi anni dopo la nascita. Confrontando la quantità totale di DNA in un cervello umano di 20 settimane con la quantità totale di DNA nel cervello di un bambino, ragionò Barres, si potrebbe capire il rapporto glia-neurone. Barres ha trovato uno studio pubblicato nel 1973 che ha analizzato i livelli di DNA in 139 cervelli umani di età compresa tra 10 settimane a sette anni. I forebrains (che non includono il cervelletto) contenevano circa 0.25 millimoli di DNA alla settimana 20 e ha raggiunto un picco di circa 2 millimoli di DNA all’età di due anni. Sulla base di questi numeri—e tenendo conto del DNA delle cellule dei vasi sanguigni—Barres conclude che un numero crescente di glia spiega l’aumento del DNA totale del proencefalo e che la glia costituisce quindi almeno l ‘ 80% delle cellule nel cervello umano.

Anche se Barres è fiducioso nei suoi calcoli inediti—e intende scrivere che la glia supera di gran lunga i neuroni nella nuova edizione dei Principi della Scienza neurale—sostiene che nessuno ha condotto il tipo di studio rigoroso che avrebbe definitivamente risposto alla domanda del rapporto glia-neurone una volta per tutte. Barres prevede uno studio in cui i ricercatori macchiano interi cervelli umani con quasi tutti i marker noti per entrambi i neuroni e la glia—assicurandosi di catturare il maggior numero possibile di diversi tipi di cellule—prima di affettare il cervello e contare meticolosamente le cellule in ogni sezione. Dice che tutti gli strumenti necessari sono disponibili. Si tratta solo di finanziare il progetto e trovare il tempo per tutto ciò che conta.

Chi se ne frega?

Diciamo che gli scienziati capiscono esattamente quante glia e neuroni contiene il cervello e tutti sono d’accordo sui numeri-cosa farà? Perché è importante?

Alcuni scienziati pensano che il rapporto glia-neurone sia solo una delle domande meno importanti che puoi porre sul cervello. Invece, sostengono, gli scienziati dovrebbero concentrarsi su come si comportano le cellule cerebrali. Altri scienziati sottolineano che l’invecchiamento, così come molte malattie neurologiche, comportano la perdita di cellule cerebrali. Capire esattamente quali cellule cerebrali muoiono e quali sopravvivono potrebbe stimolare lo sviluppo di nuovi trattamenti. Alcuni biologi e neuroscienziati sono anche molto interessati a sapere se il rapporto glia—neurone è cambiato nel corso dell’evoluzione e se, ad esempio, gli animali con grandi cervelli—o cervelli che sono grandi per le loro dimensioni corporee-hanno un numero insolitamente alto o basso di glia. In uno studio del 2007, gli scienziati hanno affettato cinque cervelli di balena minke, contato le cellule con l’aiuto dei computer e trovato 12,8 miliardi di neuroni circondati da 98,2 miliardi di glia. Tuttavia, lo studio non ha incluso il cervelletto, che contiene la maggior parte dei neuroni del cervello dei mammiferi secondo il lavoro di Herculano-Houzel.

Molti ricercatori hanno sostenuto che glia meritano più attenzione in parte perché sono così numerosi. Ma la prevalenza non è equivalente al significato. Gli scienziati non hanno più bisogno di dipendere dal presunto rapporto 10: 1 per giustificare la ricerca glia. Le cellule gliali sono affascinanti e importanti per la loro diversità strutturale, versatilità funzionale e il fatto che possono cambiare il comportamento dei neuroni di cottura anche se non possono scaricare impulsi elettrici propri. Essi guidano lo sviluppo precoce del cervello e mantenere le loro cellule cerebrali compagni sani per tutta la vita. Glia non sono meri riempitivi strutturali, ma—come suggerisce l’origine del loro nome (greco per colla) – aiutano a mantenere le cose insieme. Indipendentemente dal vero rapporto tra glia e neurone, gli scienziati hanno già dimostrato che gli glia sono, funzionalmente, l’altra metà del cervello.

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Il neurocritico. Fatto o finzione? Ci sono dieci volte più glia dei neuroni nel cervello. Settembre 27, 2009.