あなたのニューロンを知っている:脳内の神経細胞に対するグリアの比は何ですか?

以前は、あなたのニューロンを知っています:

第1章:ニューロンの発見と命名

第2章:ニューロンの異なるタイプを分類する方法

第3章:グリアに会う

第4章:脳内のグリアとニューロンの比率は何ですか?

By Daisy Yuhas and Ferris Jabr

前回のKnow Your Neuronsでは、神経細胞と並んで脳と神経系の2つの主要なタイプの細胞の1つであるgliaについて話しました。 グリアは、エリック—カンデルの広く使用されている教科書”神経科学の原則”をエコーして、”グリア細胞はニューロンの数をはるかに上回っています-脊椎動物の中枢神経系にはニューロンの10倍から50倍のグリアがあります。”マーク—ベアの神経科学を含む他の教科書-脳を探索すると、人気のある報道機関に多くの記事があるように、同様の主張をしています。

Natureの上級編集者であるNoah Gray(@noahWG)と、フリーランスライターになった神経科学者のMo Costandi(@mocost)は、10:1のグリアとニューロンの比率は神話であり、人間と他の霊長類の脳の比率は1:1にはるかに近いという最近の証拠を引用して、Twitterでの投稿に回答しました。 私たちはさらに調査することにしました。

研究文献を調査したところ、人間の脳全体の10:1のグリア対ニューロン比を直接支持する単一の公開された研究は見つかりませんでした。 誰もがそのような研究を知っている場合は、コメント欄にそれを引用してください。 これらの研究のほとんどは、おそらく脳の残りの部分と同じグリア対ニューロン比を持っていない皮質として知られている脊椎動物の脳の複雑にしわの外層にのみ焦点を当てていたが、1950年代にはヒトおよび他の霊長類の脳において1:1にはるかに近い比に落ち着いた多くの研究が見つかりました。 1:1比の最も説得力のある証拠は、神経生理学者Suzana Herculano-Houzelと彼女の同僚による2009年の研究から来ており、細胞を数えるための新しい、非常に効率的な方法を発明し、それを4つの人間の脳全体に適用しました。

しかし、一部の研究者は、Herculano-Houzelがより伝統的な細胞計数技術と直接比較するまで、新しい方法を完全に受け入れることはできません。 そして、グリアを研究する一部の科学者は、これらの一度見落とされた細胞が大多数を構成しないかもしれないことを認めることに消極的である。 ハーキュラーノ-フーゼルの方法が何らかの形で比率を1に近すぎて歪ませても:1、全体としての証拠は確かに10:1の比率に近いものをサポートしていません。 この不一致にもかかわらず、一部の教科書は、議論の余地のない事実として10:1の比率を宣伝し続ける可能性が高い。 スタンフォード大学のBen Barresは、Kandelの教科書の今後の版でgliaに関するセクションを書いています。 彼は、公開された研究でグリア対ニューロン比を厳密に決定した人はいないと主張しているが、グリアは人間の脳の細胞の少なくとも80%を占めていると確信している—彼は発達中の脳のDNAレベルの変化についての計算に基づいて到達した結論である。

利用可能な証拠

少なくとも1950年代以来、科学者たちは人間の脳内の神経細胞とグリア細胞の相対的な数を推定しようとしてきました。 彼らはすぐに困難に遭遇しました。

最も厳密な方法は、新鮮なまたは保存された脳の異なる領域を薄い脳生皮のシートにスライスし、顕微鏡下で各シートの細胞を数え、細胞数に脳の全 このプロセスは非常に簡単ですが、脳全体で実行するには多くの時間がかかります—コンピュータやマシンがカウントを手助けしても—これは、多くの研究が脳の1つの領域だけに焦点を当てている理由を説明しています。

しかし、研究者らは、神経細胞に対するグリアの比率がある脳領域から別の脳領域に、時には劇的に変化することに気付きました。 いくつかの初期の研究では、グリア対ニューロン比が約1であることが分かった。:例えば、皮質では1つであるが、1988年のある研究では、視床で17対1のグリア対ニューロン比が見つかり、脳の中央付近にあるクルミサイズのノブの多目的なペアであった。 さらに複雑なことに、グリアとニューロンの比率は種によって異なります。 したがって、ラットの脳組織の塊にあるグリアとニューロンの数を数えることは、ラットの脳全体の比率の正確な推定値を与えるものではなく、人間の脳の同等の領域の比率と必ずしも一致するものでもありません。 1950年代以降の数多くの細胞計数研究では、霊長類皮質におけるグリア対ニューロン比は0.5:1から2:1の範囲であると結論づけられた。 私たちが知る限り、これらの研究のどれも、皮質または脳全体のいずれかについて10:1のグリア対ニューロン比を推定していません。

10:1のグリア対ニューロン比を直接支持する証拠が公表されていない場合、それはどのように多くの教科書になったのでしょうか? そもそもこの概念はどこから来たのでしょうか? 「元の情報源を見つけることは不可能です」と、大学医療センターのHamburg-EppendorfのClaus Hilgetagは言います。彼は、彼が長い間永続してきた神話であると考えていることの基礎を無駄に探してきました。 彼の同僚の一人、Hugues Berryは、10:1の比率が学術会議でのプレゼンテーションで誤った詳細として生まれたことを漠然と覚えています。 もしそうなら、それは確かに人々が事実として直感に反する統計を採用したのは初めてではないでしょう。

脳のグリア対ニューロン比に関する関連する証拠をレビューする脳の構造と機能のコラムでは、ボストン大学のHilgetagとHelen Barbasは、ブラジルのリオ-デ-ジャネイロ連邦大学の神経生理学者Suzana Herculano-Houzelの研究を強調している。 彼女は、全脳内のすべての細胞を数えるためのユニークで迅速な方法を開発しました。

Herculano-Houzelの技術は、無傷の脳を核のスープ、つまり細胞のDNAを含む小さな袋に変換します。 彼女の方法の背後にある考え方は、それぞれの脳細胞には正確に一つの核が含まれているということです。 まず、Herculano—Houzelは脳全体を小脳や大脳皮質などの関心領域にスライスし、すべての組織を一種のガラス乳鉢と乳棒で手で粉砕します。 生理食塩水洗剤に組織を溶解すると、ニューロンとグリアの両方の核が自由に浮遊する溶液が作成されます。 核内のDNAに蛍光タンパク質をタグ付けすると、すべての核が紫外線(UV)光の下で青色に輝きます。 Herculano-Houzelは、これらの輝く核の密度を測定し、その数に溶液の体積を乗算して、その脳領域の細胞の総数に対応する核の総数を決定します。 次に、彼女はほとんどの神経核上のタンパク質に結合するが、グリア核には結合しない抗NeuNと呼ばれる抗体を追加する。 もう一つの蛍光抗体は抗NeuNに付着し、ニューロンからの核をUV光の下で緑色に輝かせます。 ニューロンとグリアから核を均等に分配するために溶液を激しく振った後、Herculano-Houzelはスープのいくつかのサンプルを取り、顕微鏡下で各サンプルの蛍光緑色の核を数え、その脳領域のニューロンの総数に等しい溶液中の神経核の総数を計算する。 総核数からその数を差し引くと、脳の一部が含まれているグリア細胞の数がわかります。

Herculano-Houzelらは、この手法を用いて死亡した4人の男性の脳を分析し、2009年にその結果を発表した:彼らは一貫して、ほぼ正確に1:1の全脳グリア対ニューロン比 具体的には、ヒトの脳には約1706億8000万個の細胞が含まれており、そのうち861億個がニューロンであり、846億個がグリア細胞であることが分かった。 彼らの研究はまた、グリアとニューロンの比率が一般的な脳領域とは劇的に異なることを示唆している。 大脳皮質の60.84億細胞はグリアであり、わずか16である。340億個の細胞がニューロンであり、この大きな領域に約3.76対1のグリア対ニューロン比を与える。 これは、脳幹にまたがって座っている脳の進化的に古代の部分である小脳の逆です。 Herculano-Houzelの研究によると、小脳には69.03億のニューロンと16.04のグリア細胞のみが含まれており、この領域のすべてのグリアに約4.3のニューロンがあることを意味している。

さらに拡大すると、彼女の研究では、皮質の灰白質に61.8億ニューロンと86.8億グリア、白質に12.9億ニューロンと19.88億グリアを数えました。 灰白質は主に神経細胞の無髄部分で構成されています—グリア細胞によって覆われていないニューロン—白質は絶縁オリゴデンドロサイトで包まれた軸索で構成されています。 これらの結果は、皮質灰白質のみをサンプリングした非常に多くの初期のカウント研究が、ニューロン比に約1:1またはわずかに高いグリアを見つ 全体的に大脳皮質—灰色と白質の両方を含む—ニューロンよりもはるかに多くのグリアを含んでいますが、その最も外側の灰色の層はよりバランスが そして小脳のニューロンの信じられないほどの密度は、脳全体のニューロンの配給量にグリアをバランスさせます。

Herculano-Houzelが2005年に彼女の革新的な技術を最初に発表したとき、主な異議は、細胞が脳組織のスライスに数えられるより典型的な立体法と直接比較していな しかし、彼女の脳全体の結果が以前の立体学的研究で異なる脳領域からの数と一致したとき、Herculano-Houzelはほとんどの批評家が支持したと言います。 一部の研究者は、脳を粉砕して溶解することがかなりの数の核を破壊することを懸念している。 しかし、Herculanoは、彼女が使用する生理食塩水洗剤(Triton X-100)は、細胞膜のような脂肪組織を破壊するが、タンパク質が豊富な核膜を保存すると説明している。 さらに、粉砕前に脳組織をホルムアルデヒドに固定すると、タンパク質間の結合が強化され、特に破壊が困難になると彼女は言います。 他の研究者は、単一の研究グループの外で広く使用されていない方法を信頼することを躊躇していると言います。 しかし、これまでのところ、米国、ヨーロッパ、アジアの少なくとも七つの異なる研究チームがHerculano-Houzelの方法を利用してきました。

教科書を書き換えますか?

スタンフォード大学の神経生物学者ベン—バレスは、彼がこの問題を自分自身で調べるまで、広くオウム化された10:1のグリア対ニューロン比を信じていなかったと述べている。 今、彼はグリアが人間の脳の細胞の少なくとも80%を占めていることを確信しています。 ここに彼の主な推論があります。

人間の脳には有限の数の細胞が含まれており、それぞれが同じ量のDNA(約6.5ピコグラム)を保持しています。 発達中の人間の脳は、妊娠の最初の三半期以内にそのニューロンの大部分を産生するが、グリアは出生後数年まで数で成長を終えることはない。 Barresは、20週齢の人間の脳のDNAの総量と幼児の脳のDNAの総量とを比較することによって、グリア対ニューロン比を理解することができると推論した。 Barresは1973年に発表された研究で、10週から7年までの年齢の139人の人間の脳のDNAレベルを分析したことを発見しました。 前脳(小脳を含まない)は約0を含んでいた。25週でDNAのミリモル20と2歳までにDNAの約2ミリモルでピークに達しました。 これらの数字に基づいて、そして血管細胞からのDNAを考慮して、Barresは、グリアの数の増加が全前脳DNAの増加を説明し、したがってグリアが人間の脳内の細胞の少なくとも80パーセントを構成すると結論づけています。

Barresは自身の未発表の計算に自信を持っており、神経科学の原則の最新版ではグリアがニューロン数をはるかに上回っていると書いているにもかかわらず、グリア対ニューロン比の問題に決定的に答えるような厳格な研究を行った人は誰もいないと主張している。 Barresは、研究者が脳をスライスし、各セクションの細胞を細心の注意を払って数える前に、ニューロンとグリアの両方の既知のマーカーのほぼすべてで、人間の脳全体を染色する研究を想定しています。 彼はすべての必要なツールが利用可能であると言います。 それはプロジェクトに資金を供給し、すべてのそのカウントのための時間を見つけることの問題だけである。

誰が気に?

科学者が脳に含まれているグリアとニューロンの数を正確に把握し、誰もがその数に同意したとしましょう—それは何を達成するのでしょうか? なぜそれが重要なのですか?

一部の科学者は、グリアとニューロンの比率は、あなたが脳について尋ねることができる最も重要な質問の1つに過ぎないと考えています。 代わりに、彼らは、科学者は脳細胞がどのように振る舞うかに焦点を当てるべきだと主張しています。 他の科学者は、老化だけでなく、多くの神経学的疾患は、脳細胞の損失を伴うことを指摘しています。 どの脳細胞が死に、どの脳細胞が生き残るのかを正確に理解することは、新しい治療法の開発に拍車をかける可能性があります。 いくつかの生物学者や神経科学者は、グリア対ニューロン比が進化の過程で変化したかどうか、そして例えば、大きな脳を持つ動物、または彼らの体の大きさのために大きい脳—が異常に高いか低い数のグリアを持っているかどうかに非常に興味を持っています。 2007年の研究では、科学者たちは5つのミンククジラの脳をスライスし、コンピュータの助けを借りて細胞を数え、982億のグリアに囲まれた128億のニューロンを発見した。 しかし、この研究には小脳は含まれておらず、Herculano-Houzelの研究によれば、哺乳動物の脳のニューロンの大部分を含む。

多くの研究者が、グリアは非常に多数であるため、部分的にはより多くの注目を集めるに値すると主張している。 しかし、有病率は有意性と同等ではありません。 科学者たちは、もはやグリアの研究を正当化するために、疑惑の10:1の比率に依存する必要はありません。 グリア細胞は、構造的多様性、機能的多様性、そして自分自身の電気インパルスを放出することができなくても、発火ニューロンの挙動を変えることがで 彼らは早期の脳の発達を導き、仲間の脳細胞を生涯を通して健康に保ちます。 グリアは単なる構造充填剤ではありませんが、その名前の起源が示すように(接着剤のためのギリシャ語)—彼らは物事を一緒に保つのに役立ちます。 真のグリア対ニューロン比にかかわらず、科学者たちはすでにグリアが機能的には脳の残りの半分であることを示しています。

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