Ken uw neuronen: Wat Is de verhouding tussen Glia en neuronen in de hersenen?

eerder in Ken uw neuronen:

Hoofdstuk 1: De Ontdekking en naamgeving van het Neuron

hoofdstuk 2: Hoe Classificeer je verschillende typen neuronen

hoofdstuk 3: Ontmoet de Glia

hoofdstuk 4: Wat is de verhouding tussen Glia en neuronen in de hersenen?

door Daisy Yuhas en Ferris Jabr

de laatste keer dat we weten wat uw neuronen zijn, spraken we over glia—een van de twee belangrijkste soorten cellen in de hersenen en het zenuwstelsel naast neuronen. Glia “overtreffen neuronen met maar liefst 50 tegen een,” schreven we, in navolging van Eric Kandel ‘ s veel gebruikte leerboek, de principes van neurale wetenschap, die stelt: “gliacellen veel overtreffen neuronen—er zijn tussen 10 en 50 keer meer glia dan neuronen in het centrale zenuwstelsel van gewervelde dieren.”Andere studieboeken, waaronder Mark Bear’ s Neuroscience-Exploring the Brain, maken soortgelijke claims, net als veel artikelen in de populaire pers.

Noah Gray (@noahWG), hoofdredacteur bij Nature, en Mo Costandi (@mocost), een neurowetenschapper en freelance schrijver, reageerden op ons bericht op Twitter en citeerden recent bewijs dat de verhouding tussen glia en neuron 10:1 een mythe is en dat de verhouding tussen menselijke en andere primatenhersenen veel dichter bij 1:1 ligt. We besloten verder te onderzoeken.

na een overzicht van de onderzoeksliteratuur vonden we geen enkele gepubliceerde studie die direct een 10:1 glia-neuronverhouding in het hele menselijke brein ondersteunt. Als iemand weet van een dergelijke studie, gelieve te citeren in de commentaren sectie. We vonden veel studies uit de jaren 1950 die zich vestigden op een verhouding veel dichter bij 1:1 in de hersenen van mensen en andere primaten, hoewel de meeste van deze studies uitsluitend gericht op de ingewikkeld gerimpelde buitenste laag van de gewervelde hersenen, bekend als de cortex, die waarschijnlijk niet dezelfde glia tot neuron ratio als de rest van de hersenen. Het meest overtuigende bewijs voor een 1: 1 ratio komt uit een studie uit 2009 van neurofysioloog Suzana Herculano-Houzel en haar collega ‘ s, die een nieuwe, zeer efficiënte manier uitvonden om cellen te tellen en deze toepasten op vier hele menselijke hersenen.

sommige onderzoekers zullen de nieuwe methode echter niet volledig aanvaarden totdat Herculano-Houzel deze rechtstreeks vergelijkt met meer traditionele technieken voor het tellen van cellen. En sommige wetenschappers die glia bestuderen zijn terughoudend om toe te geven dat deze eens over het hoofd gezien cellen misschien niet de meerderheid vormen. Zelfs als de methode van Herculano-Houzel de verhouding te dicht bij 1 brengt:1, het bewijs als geheel zeker niet ondersteunen iets in de buurt van een 10:1 verhouding. Ondanks deze discrepantie, zullen sommige leerboeken waarschijnlijk blijven tout de 10:1 verhouding als onbetwist feit. Ben Barres van Stanford University schrijft de secties over glia in de komende editie van Kandel ‘ s leerboek. Hoewel hij beweert dat niemand rigoureus de glia—neuronverhouding heeft bepaald in gepubliceerd onderzoek, is hij ervan overtuigd dat glia ten minste 80 procent van de cellen in het menselijk brein uitmaakt-een conclusie die hij bereikte op basis van berekeningen over het veranderen van niveaus van DNA in de zich ontwikkelende hersenen.

het beschikbare bewijs

sinds ten minste de jaren 1950 hebben wetenschappers geprobeerd het relatieve aantal neuronen en gliacellen in de menselijke hersenen te schatten. Ze ondervonden meteen moeilijkheden.

de meest rigoureuze methode bestaat erin de verschillende delen van een vers of geconserveerd brein in dunne vellen prosciutto te snijden, cellen in elk vel onder een microscoop te tellen en het aantal cellen te vermenigvuldigen met het totale hersenvolume. Het proces is vrij eenvoudig, maar het uitvoeren van het op een hele hersenen kost veel tijd-zelfs wanneer computers en machines helpen met het tellen—wat verklaart waarom zo veel studies zich richten op slechts één gebied van de hersenen.In een vroeg stadium realiseerden onderzoekers zich echter dat de verhouding tussen glia en neuronen varieert van het ene hersengebied tot het andere, soms dramatisch. Verscheidene vroege studies vonden een glia aan neuron Verhouding van ongeveer 1:1 in de cortex, bijvoorbeeld, maar een 1988 studie vond een glia neuron Verhouding van 17 op 1 in de thalamus, een veelzijdige paar notengrote knoppen in de buurt van het midden van de hersenen. Verder complicerende dingen, de glia tot neuron verhouding verschilt van soort tot soort. Dus het tellen van de aantallen glia en neuronen in een stuk rattenhersenweefsel geeft je geen nauwkeurige schatting van de verhouding voor het hele rattenhersenweefsel, noch komt het noodzakelijkerwijs overeen met de verhouding in een vergelijkbaar gebied van het menselijk brein. Tal van cell-counting studies vanaf de jaren 1950 concludeerden dat de glia tot neuron ratio in de primaat cortex varieerde van 0,5:1 tot 2:1. Voor zover we weten, schatte geen van deze studies een 10:1 glia-neuronverhouding voor de cortex of de hele hersenen.

als er geen gepubliceerd bewijs is dat de 10: 1 glia-neuronverhouding direct ondersteunt, hoe kwam het dan in zoveel studieboeken terecht? En waar kwam dat idee eigenlijk vandaan? “Het is onmogelijk om de oorspronkelijke bron te vinden”, zegt Claus Hilgetag van het Universitair Medisch Centrum Hamburg-Eppendorf, die tevergeefs heeft gezocht naar de basis van wat hij denkt dat een eeuwigdurende mythe is. Een van zijn collega ‘ s, Hugues Berry, herinnert zich vaag dat de 10:1-ratio is ontstaan als een verkeerd onthouden detail in een presentatie op een academische conferentie. Als dat zo is, zou het zeker niet de eerste keer zijn dat mensen een contra-intuïtieve statistiek als feit hebben aangenomen.In een kolom “structuur en functie van de hersenen” waarin de relevante gegevens over de glia-neuronverhouding van de hersenen worden besproken, benadrukken Hilgetag en Helen Barbas van de Universiteit van Boston het onderzoek van neurofysioloog Suzana Herculano-Houzel van het Instituto de Ciências Biomédicas/Federale Universiteit van Rio de Janeiro, Brazilië. Ze heeft een unieke, snelle methode ontwikkeld voor het tellen van alle cellen in een hele hersenen.De techniek van Herculano-Houzel transformeert een intacte hersenen in een soep van kernen-kleine zakken die cellen DNA bevatten. Het idee achter haar methode is dat elke hersencel precies één kern bevat; daarom komt het totale aantal kernen in een brein overeen met het totale aantal hersencellen. Ten eerste snijdt Herculano-Houzel een hele hersenen in interessante gebieden—zoals het cerebellum en de hersenschors—en maalt al het weefsel met de hand in een soort glazen vijzel en stamper. Door het weefsel op te lossen in zoutoplossing ontstaat een oplossing waarin de kernen van zowel neuronen als glia vrij zweven. Het labelen van het DNA binnen de kernen met fluorescente proteã nen maakt alle kernen blauw onder ultraviolet (UV) licht gloeien. Herculano-Houzel meet de dichtheid van deze gloeiende kernen en vermenigvuldigt dat getal met het volume van de oplossing om het totale aantal kernen te bepalen, wat overeenkomt met het totale aantal cellen in dat hersengebied. Vervolgens voegt ze een antilichaam toe genaamd anti-NeuN dat zich bindt aan eiwitten op de meeste neuronale kernen, maar zich niet bindt aan gliale kernen. Een ander fluorescerend antilichaam hecht zich aan anti-NeuN, waardoor kernen van neuronen groen gloeien onder UV-licht. Na krachtig schudden van de oplossing om kernen gelijkmatig te verdelen uit neuronen en glia, Herculano-Houzel neemt verschillende monsters van de soep, telt de fluorescerende groene kernen in elk monster onder de microscoop en berekent het totale aantal neuronen in de oplossing, die gelijk moet zijn aan het totale aantal neuronen in dat hersengebied. Dat getal aftrekken van het totale aantal kernen vertelt haar hoeveel gliacellen dat deel van de hersenen bevatte.Herculano-Houzel en haar collega ‘ s gebruikten deze techniek om de hersenen van vier overleden mannen te analyseren en publiceerden hun resultaten in 2009: ze vonden consequent een glia-neuronverhouding van de gehele menselijke hersenen van bijna precies 1:1. Ze ontdekten dat het menselijk brein ongeveer 170,68 miljard cellen bevat, waarvan 86,1 miljard neuronen en 84,6 miljard gliacellen. Hun studie suggereert ook dat de verhouding van glia tot neuronen dramatisch verschilt van het ene algemene hersengebied naar het volgende. 60,84 miljard cellen in de hersenschors zijn glia, terwijl slechts 16.34 miljard cellen zijn neuronen, waardoor dit grote gebied een glia tot neuron Verhouding van ongeveer 3,76 tot 1. Het is de inverse in het cerebellum, een evolutionair oud deel van de hersenen dat zich op de hersenstam bevindt. Volgens Herculano-Houzel ‘ s studie bevat het cerebellum 69,03 miljard neuronen en slechts 16,04 gliacellen, wat betekent dat er ongeveer 4,3 neuronen zijn voor elke glia in dit gebied.Haar studie zoomde nog verder in en telde 6,18 miljard neuronen en 8,68 miljard glia in de grijze cellen van de cortex, tegenover 1,29 miljard neuronen en 19,88 miljard glia in de witte cellen. De grijze kwestie bestaat grotendeels uit de niet-gemyelineerde delen van neuronen-neuronen die niet door gliacellen worden omhuld-terwijl de witte kwestie uit axonen wordt samengesteld die in isolerende oligodendrocyten worden verpakt. Deze resultaten kunnen verklaren waarom zo veel vroege tellende studies die alleen bemonsterd corticale grijze stof vond een ruwweg 1: 1 of iets hogere glia tot neuron verhouding. Over het algemeen bevat de cerebrale cortex—inclusief zowel grijze als witte materie—veel meer glia dan neuronen, maar de buitenste grijze laag is evenwichtiger. En de ongelooflijke dichtheid van neuronen in het cerebellum balanceert het glia-neuronrantsoen door het hele brein.Toen Herculano-Houzel voor het eerst haar innovatieve techniek publiceerde in 2005, was het belangrijkste bezwaar dat ze deze niet direct had vergeleken met meer typische stereologische methoden, waarin cellen worden geteld in plakjes hersenweefsel. Toen haar resultaten met hele hersenen overeenkomen met tellingen uit verschillende hersengebieden in eerdere stereologische studies, zegt Herculano-Houzel echter dat de meeste critici zich terugtrokken. Sommige onderzoekers blijven bezorgd dat het malen en oplossen van de hersenen een significant aantal kernen vernietigt. Herculano legt echter uit dat het zoutoplosmiddel dat ze gebruikt (Triton X-100) vetweefsel vernietigt, zoals celmembranen, maar het eiwitrijke kernmembraan behoudt. Verder, zegt ze, versterkt het fixeren van hersenweefsel in formaldehyde voor het malen de bindingen tussen eiwitten, waardoor ze bijzonder moeilijk te breken zijn. Andere onderzoekers zeggen dat ze aarzelen om een methode die niet op grote schaal buiten een enkele onderzoeksgroep is gebruikt vertrouwen. Tot nu toe hebben echter ten minste zeven verschillende onderzoeksteams in de VS, Europa en Azië gebruik gemaakt van de methode van Herculano-Houzel.

de tekstboeken herschrijven?Neurobioloog Ben Barres van Stanford University zegt dat hij nooit geloofde in de wijdverbreide 10:1 glia tot neuron ratio—totdat hij zelf de zaak onderzocht. Hij is er zeker van dat glia ten minste 80 procent van de cellen in het menselijk brein uitmaakt. Hier is zijn belangrijkste redenering.

het menselijk brein bevat een eindig aantal cellen, die elk dezelfde hoeveelheid DNA bevatten (ongeveer 6,5 picogrammen). De ontwikkeling van de menselijke hersenen produceert de meeste van zijn neuronen binnen het eerste trimester van de zwangerschap, maar glia niet eindigen groeien in aantal tot een paar jaar na de geboorte. Door de totale hoeveelheid DNA in een 20 weken oud menselijk brein te vergelijken met de totale hoeveelheid DNA in de hersenen van een kind, beredeneerde Barres, kon men de glia-neuronverhouding achterhalen. Barres vond een studie gepubliceerd in 1973 die de niveaus van DNA in 139 menselijke hersenen analyseerde die zich in leeftijd van 10 weken tot zeven jaar uitstrekken. De voorvleugels (die het cerebellum niet omvatten) bevatten ongeveer 0.25 millimol DNA in week 20 en piekte op ongeveer 2 millimol DNA op leeftijd twee. Op basis van deze aantallen—en rekening houdend met DNA van bloedvatcellen—concludeert Barres dat groeiende aantallen glia de toename van het totale DNA van de voorhersenen verklaren en dat glia daarom ten minste 80 procent van de cellen in de menselijke hersenen uitmaakt.Hoewel Barres vertrouwen heeft in zijn eigen niet—gepubliceerde berekeningen—en van plan is te schrijven dat glia in de nieuwste editie van de Principles of Neural Science het aantal neuronen ver overtreft-stelt hij dat niemand het soort rigoureuze studie heeft uitgevoerd dat definitief een antwoord zou geven op de vraag van de verhouding tussen glia en neuronen voor eens en altijd. Barres voorziet een studie waarin onderzoekers hele menselijke hersenen bevlekken met zowat elke bekende marker voor zowel neuronen als glia—om ervoor te zorgen dat zoveel mogelijk verschillende celtypes worden vastgelegd—voordat ze de hersenen in stukken snijden en de cellen in elke sectie nauwkeurig tellen. Hij zegt dat alle benodigde gereedschappen beschikbaar zijn. Het gaat er alleen maar om het project te financieren en de tijd te vinden voor al dat tellen.

Wat Maakt Het Uit?Laten we zeggen dat wetenschappers precies uitzoeken hoeveel glia en neuronen de hersenen bevatten en dat iedereen het eens is over de aantallen-wat zal dat bereiken? Wat maakt het uit?

sommige wetenschappers denken dat de glia-neuronverhouding ongeveer een van de minst belangrijke vragen is die je kunt stellen over de hersenen. In plaats daarvan zouden wetenschappers zich moeten richten op hoe hersencellen zich gedragen. Andere wetenschappers wijzen erop dat veroudering, evenals vele neurologische ziekten, het verlies van hersencellen impliceren. Begrijpen welke hersencellen sterven en welke overleven kan de ontwikkeling van nieuwe behandelingen stimuleren. Sommige biologen en neurowetenschappers zijn ook zeer geïnteresseerd in de vraag of de glia—neuronenverhouding in de loop van de evolutie is veranderd en of bijvoorbeeld dieren met grote hersenen—of hersenen die groot zijn voor hun lichaamsgrootte-ongewoon hoge of lage aantallen glia hebben. In een studie uit 2007 hebben wetenschappers vijf dwergvinvishersenen in stukken gesneden, de cellen met behulp van computers geteld en 12,8 miljard neuronen gevonden, omringd door 98,2 miljard glia. De studie omvatte echter niet het cerebellum, dat volgens het werk van Herculano-Houzel de meeste neuronen van de zoogdierhersenen bevat.Veel onderzoekers hebben betoogd dat glia meer aandacht verdient, deels omdat ze zo talrijk zijn. Maar prevalentie is niet gelijk aan significantie. Wetenschappers hoeven niet langer afhankelijk te zijn van de vermeende 10:1-verhouding om glia-onderzoek te rechtvaardigen. Gliacellen zijn fascinerend en belangrijk vanwege hun structurele diversiteit, functionele veelzijdigheid en het feit dat ze het gedrag van het afvuren van neuronen kunnen veranderen, hoewel ze zelf geen elektrische impulsen kunnen ontladen. Ze begeleiden vroege hersenontwikkeling en houden hun mede-hersencellen gezond gedurende het hele leven. Glia is niet louter een structurele vulstof, maar—zoals de oorsprong van hun naam al aangeeft (Grieks voor lijm) – ze helpen dingen bij elkaar te houden. Ongeacht de ware glia-neuronverhouding, hebben wetenschappers al aangetoond dat glia functioneel de andere helft van de hersenen is.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 en Suzana Herculano-Houzel. “Gelijke aantallen neuronale en Nietneuronale cellen maken het menselijk brein een isometrisch opgeschaald Primaatbrein.”The Journal of Comparative Neurology, 2009, 513: 532-541.

Dobbing, J and Sands, J. Quantitative growth and development of human brain. Arch Dit Kind. 1973 oktober; 48 (10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Totaal aantal neocorticale cellen in de mysticete hersenen. Anat Rec (Hoboken). 2007 Jan; 290 (1): 83-95.Herculano-Houzel, Suzana en Roberto Lent. “Isotropic Fractionator: A Simple, Rapid Method for the Quantification of Total Cell and Neuron Numbers in the Brain.”The Journal of Neuroscience, 2005, 25(10): 2518-2521.

Hilgetag, Claus en Helen Barbas. “Zijn er tien keer meer glia dan neuronen in de hersenen?”Brain Structure Function, 2009, 213: 365-366.

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, New York.Pakkenberg, B. and Gundersen, H. J. G. (1988), Total number of neurons and glial cells in human brain nuclei estimated by the disector and the fractionator. Journal of Microscopy, 150: 1-20. doi: 10.1111 / j. 1365-2818.1988.tb04582.x

het Neurocripticum. Feit of fictie? Er zijn tien keer meer glia dan neuronen in de hersenen. 27 september 2009.