Kjenn Dine Nevroner: Hva Er Forholdet Mellom Glia Og Nevroner i Hjernen?

Tidligere, På Kjenn Dine Nevroner:

Kapittel 1: Oppdagelsen Og Navngivningen Av Nevronet

Kapittel 2: Hvordan Klassifisere Forskjellige Typer Nevroner

Kapittel 3: Møt Glia

Kapittel 4: Hva Er Forholdet Mellom Glia og Nevroner i Hjernen?

Av Daisy Yuhas Og Ferris Jabr

Sist gang På Know Your Neurons, snakket vi Om glia—en av to hovedtyper av celler i hjernen og nervesystemet sammen med nevroner. Glia «overgår nevroner med så mye som 50 til en,» skrev vi, ekko Eric Kandel ‘ s mye brukte lærebok, The Principles Of Neural Science, som sier: «Glialceller langt overgår nevroner—det er mellom 10 og 50 ganger mer glia enn nevroner i sentralnervesystemet hos vertebrater.»Andre lærebøker, inkludert Mark Bears Nevrovitenskap-Utforsker Hjernen, gjør lignende krav, som har mange artikler i den populære pressen.

Noah Gray (@noahWG), seniorredaktør Hos Nature, Og Mo Costandi (@mocost), en nevroforsker som ble frilansskribent, reagerte på vårt innlegg På Twitter, og citerte nylig bevis på at forholdet 10: 1 glia til nevron er en myte, og at forholdet i menneskelige og andre primathjerner er mye nærmere 1:1. Vi bestemte oss for å undersøke videre.

etter å ha kartlagt forskningslitteraturen fant vi ikke en eneste publisert studie som direkte støtter et 10:1 glia til nevronforhold i hele menneskets hjerne. Hvis noen vet om en slik studie, vennligst oppgi det i kommentarfeltet. Vi fant mange studier fra så tidlig som på 1950-tallet som slo seg på et forhold mye nærmere 1: 1 i hjernen til mennesker og andre primater, selv om de fleste av disse studiene fokuserte utelukkende på det intrikat rynket ytre laget av vertebrathjernen, kjent som cortex, som sannsynligvis ikke har samme glia til nevronforhold som resten av hjernen. Det mest overbevisende beviset for et 1:1-forhold kommer fra en 2009-studie av Nevrofysiologen Suzana Herculano-Houzel og hennes kolleger, som oppfant en ny, svært effektiv måte å telle celler på og brukte den på fire hele menneskelige hjerner.

Noen forskere vil imidlertid ikke fullt ut akseptere den nye metoden før Herculano-Houzel sammenligner den direkte med mer tradisjonelle celletellingsteknikker. Og noen forskere som studerer glia, er motvillige til å innrømme at disse en gang oversett cellene kanskje ikke utgjør flertallet. Selv Om Herculano-Houzel metode liksom forskjøvet forholdet for nær 1:1, bevisene som helhet støtter absolutt ikke noe i nærheten av et 10: 1-forhold. Til tross for denne uoverensstemmelsen vil noen lærebøker trolig fortsette å tout 10: 1-forholdet som ubestridte faktum. Ben Barres Fra Stanford University skriver seksjonene på glia i den kommende utgaven av Kandel ‘ s lærebok. Selv om han hevder at ingen har bestemt glia til nevronforholdet i publisert forskning, er han overbevist om at glia utgjør minst 80 prosent av cellene i den menneskelige hjerne—en konklusjon han nådde basert på beregninger om endring AV NIVÅER AV DNA i den utviklende hjernen.

Det Tilgjengelige Beviset

siden minst 1950-tallet har forskere forsøkt å estimere det relative antallet nevroner og glialceller i den menneskelige hjerne. De møtte vanskeligheter med en gang.

den strengeste metoden innebærer å kutte opp forskjellige regioner av en frisk eller bevart hjerne i tynne ark med hjerneprosciutto, telle celler i hvert ark under et mikroskop og multiplisere celletall med totalt hjernevolum. Prosessen er ganske grei, men å utføre den på en hel hjerne tar mye tid – selv når datamaskiner og maskiner hjelper med tellingen-noe som forklarer hvorfor så mange studier fokuserer på bare en region i hjernen.

Tidlig innså forskerne Imidlertid at forholdet mellom glia og nevroner varierer fra en hjerneområde til en annen, noen ganger dramatisk. Flere tidlige studier fant en glia til neuron ratio på ca 1:1 i cortex, for eksempel, men en 1988-studie fant et glia til nevronforhold på 17 til 1 i thalamus, et allsidig par valnøttstore knotter nær midten av hjernen. Videre kompliserer ting, glia til nevronforholdet varierer fra art til art. Så å telle antall glia og nevroner i en del av rottehjernevev gir deg ikke et nøyaktig estimat av forholdet for hele rottehjernen, og det samsvarer heller ikke nødvendigvis med forholdet i en sammenlignbar region i den menneskelige hjerne. Tallrike celletellingsstudier fra 1950-tallet og fremover konkluderte med at glia til nevronforholdet i primat cortex varierte fra 0,5: 1 til 2:1. Så vidt vi kan fortelle, estimerte ingen av disse studiene et 10: 1 glia til nevronforhold for cortex eller hele hjernen.

hvis ingen publiserte bevis direkte støtter 10:1 glia til nevronforholdet, hvordan endte det opp i så mange lærebøker? Og hvor kom begrepet fra i utgangspunktet? «Det er umulig å finne den opprinnelige kilden,» Sier Claus Hilgetag Fra Universitetsmedisinske Senter Hamburg-Eppendorf, som forgjeves har søkt på grunnlag av det han mener er en langvarig myte. En av hans kolleger, Hugues Berry, husker vagt at 10: 1-forholdet oppsto som en misremembered detalj i en presentasjon på en akademisk konferanse. I så fall ville det absolutt ikke være første gang folk har vedtatt en counterintuitive statistikk som faktum.

I En Hjernestruktur og Funksjonskolonne som gjennomgår relevante bevis på hjernens glia til nevronforhold, Fremhever Hilgetag Og Helen Barbas Fra Boston University forskningen til nevrofysiologen Suzana Herculano-Houzel fra Instituto De Ci Hryvncias Biomé/Federal University Of Rio De Janeiro, Brasil. Hun har utviklet en unik, rask metode for å telle alle cellene i en hel hjerne.

Herculano-Houzels teknikk forvandler en intakt hjerne til en suppe av kjerner—små sekker som inneholder cellens DNA. Ideen bak hennes metode er at hver hjernecelle inneholder nøyaktig en kjerne; derfor, det totale antall kjerner i en hjerne matcher det totale antall hjerneceller. Først, herculano-Houzel skiver opp en hel hjerne i regioner av interesse—som lillehjernen og hjernebarken – og sliper opp alle vev for hånd i en slags glassmørtel og pestle. Oppløsning av vevet i saltvannsmiddel skaper en løsning der kjernene til både nevroner og glia flyter fritt. Merking AV DNA inne i kjernene med fluorescerende proteiner gjør at alle kjernene lyser blått under ultrafiolett (UV) lys. Herculano-Houzel måler tettheten av disse glødende kjernene og multipliserer dette tallet med løsningens volum for å bestemme totalt antall kjerner, som skal svare til det totale antall celler i den hjernegruppen. Deretter legger hun til et antistoff kalt anti-NeuN som binder seg til proteiner på de fleste nevronkjerner, men binder ikke til noen glialkjerner. Et annet fluorescerende antistoff festes til anti-NeuN, noe som gjør kjerner fra nevroner lyser grønt under UV-lys. Etter kraftig risting av løsningen for å jevnt fordelte kjerner fra nevroner og glia, Tar Herculano-Houzel flere prøver av suppen, teller de fluorescerende grønne kjernene i hver prøve under mikroskopet og beregner totalt antall nevronkjerner i løsningen, som skal tilsvare det totale antall nevroner i den hjernegruppen. Å trekke det tallet fra den totale kjernetellingen forteller henne hvor mange glialceller den delen av hjernen inneholdt.

Herculano-Houzel og hennes kolleger brukte denne teknikken til å analysere hjernen til fire avdøde menn og publiserte sine resultater i 2009: de fant konsekvent en hel menneskelig hjerne glia til nevronforhold på nesten nøyaktig 1:1. Spesielt fant de at den menneskelige hjernen inneholder om lag 170, 68 milliarder celler, hvorav 86, 1 milliarder er nevroner og 84, 6 milliarder som er glialceller. Deres studie antyder også at forholdet mellom glia og nevroner varierer dramatisk fra en generell hjernegruppe til den neste. 60,84 milliarder celler i hjernebarken er glia, mens bare 16.34 milliarder celler er nevroner, noe som gir denne store regionen et glia til nevronforhold på omtrent 3,76 til 1. Det er den inverse i cerebellum, en evolusjonært gammel del av hjernen som sitter på hjernestammen. Ifølge Herculano-Houzels studie inneholder cerebellum 69,03 milliarder nevroner og bare 16,04 glialceller, noe som betyr at det er ca 4,3 nevroner for hver glia i denne regionen.

Zooming inn enda lenger, teller studien hennes 6, 18 milliarder nevroner og 8, 68 milliarder glia i den grå saken i cortex, mot 1, 29 milliarder nevroner og 19, 88 milliarder glia i den hvite saken. Grå materie består i stor grad av de umyeliniserte delene av nevroner—nevroner som ikke er kledd av glialceller—mens hvit materie består av aksoner innpakket i isolerende oligodendrocytter. Disse resultatene kan forklare hvorfor så mange tidlige tellingsstudier som bare samplet kortikal grå materie fant et omtrent 1:1 eller litt høyere glia til nevronforhold. Samlet inneholder hjernebarken—inkludert både grå og hvit materie-langt mer glia enn nevroner, men det ytre grålaget er mer balansert. Og cerebellumets utrolige tetthet av nevroner balanserer glia til nevronrasjonen gjennom hele hjernen.

Da Herculano-Houzel først publiserte sin innovative teknikk i 2005, var hovedinnvendingen at hun ikke direkte hadde sammenlignet den med mer typiske stereologiske metoder, hvor celler telles i skiver av hjernevev. Når hennes resultater med hele hjerner matchet teller fra ulike hjerneområder i tidligere stereologiske studier, Derimot, Herculano-Houzel sier de fleste kritikere støttet av. Noen forskere er fortsatt opptatt av at sliping og oppløsning av hjernen ødelegger et betydelig antall kjerner. Herculano forklarer imidlertid at saltvannet hun bruker (Triton X-100) ødelegger fettvev, som cellemembraner, men bevarer den proteinrike kjernemembranen. Videre sier hun at fiksering av hjernevev i formaldehyd før sliping styrker bindingene mellom proteiner, noe som gjør dem spesielt vanskelige å bryte. Andre forskere sier at de er nølende til å stole på en metode som ikke har blitt mye brukt utenfor en enkelt forskningsgruppe. Så langt har imidlertid minst syv forskjellige forskerteam i USA, Europa Og Asia benyttet Seg Av Herculano-Houzels metode.

Skrive Om Lærebøkene?

Neurobiolog Ben Barres fra Stanford University sier at han aldri trodde det vidt parroted 10: 1 glia til nevronforhold – før han så på saken selv. Nå er han sikker på at glia utgjør minst 80 prosent av cellene i den menneskelige hjernen. Her er hans viktigste resonnement.

den menneskelige hjerne inneholder et begrenset antall celler, som hver har samme MENGDE DNA (ca. 6,5 pikogrammer). Den utviklende menneskelige hjernen produserer de fleste av sine nevroner i første trimester av svangerskapet, men glia slutter ikke å vokse i antall til noen få år etter fødselen. Ved å sammenligne den totale MENGDEN DNA i en 20 uker gammel menneskelig hjerne til den totale mengden DNA i et spedbarns hjerne, kunne Barres finne ut glia til nevronforholdet. Barres fant en studie publisert i 1973 som analyserte DNA-nivåer i 139 menneskelige hjerner i alderen fra 10 uker til syv år. Forebrains (som ikke inkluderer cerebellum) inneholdt ca 0.25 millimol DNA i uke 20 og toppet på rundt 2 millimol DNA etter alder to. Basert på disse tallene—og regnskap FOR DNA FRA blodkarceller—konkluderer Barres at økende antall glia forklarer økningen i totalt forebrain-DNA, og at glia derfor utgjør minst 80 prosent av cellene i den menneskelige hjerne.

Selv Om Barres er trygg på sine egne upubliserte beregninger—og har til hensikt å skrive at glia langt overgår nevroner i den nyeste utgaven av Principles Of Neural Science—argumenterer han for at ingen har gjennomført den typen streng studie som definitivt ville svare på spørsmålet om glia til nevronforholdet en gang for alle. Barres ser for seg en studie der forskere flekker hele menneskelige hjerner med omtrent alle kjente markører for både nevroner og glia—sørg for å fange så mange av de forskjellige celletyper som mulig—før du skar opp hjernen og omhyggelig teller cellene i hver seksjon. Han sier at alle nødvendige verktøy er tilgjengelige. Det er bare et spørsmål om å finansiere prosjektet og finne tid til alt som teller.

Hvem Bryr Seg?

la oss si at forskere finner ut nøyaktig hvor mange glia og nevroner hjernen inneholder, og alle er enige om tallene-hva vil det oppnå? Hvorfor spiller det noen rolle?

Noen forskere tror at glia til nevronforholdet er omtrent et av de minst viktige spørsmålene du kan stille om hjernen. I stedet argumenterer de, forskere bør fokusere på hvordan hjerneceller oppfører seg. Andre forskere påpeker at aldring, så vel som mange nevrologiske sykdommer, involverer tap av hjerneceller. Å forstå nøyaktig hvilke hjerneceller som dør og som overlever, kan anspore utviklingen av nye behandlinger. Noen biologer og nevrologer er også veldig interessert i om glia til nevronforholdet har endret seg i løpet av evolusjonen, og om for eksempel dyr med store hjerner—eller hjerner som er store for kroppsstørrelsen—har uvanlig høyt eller lavt antall glia. I en 2007-studie skar forskere opp fem minkehvalhjerner, talt cellene ved hjelp av datamaskiner og fant 12, 8 milliarder nevroner omgitt av 98, 2 milliarder glia. Studien inkluderte imidlertid ikke cerebellum, som inneholder de fleste pattedyrhjernens nevroner i Henhold Til Herculano-Houzels arbeid.

mange forskere har hevdet at glia fortjener mer oppmerksomhet delvis fordi de er så mange. Men prevalens er ikke ekvivalent med betydning. Forskere trenger ikke lenger å stole på det påståtte 10: 1-forholdet for å rettferdiggjøre glia-forskning. Glialceller er fascinerende og viktige på grunn av deres strukturelle mangfold, funksjonelle allsidighet og det faktum at de kan forandre oppførselen til å skyte nevroner, selv om de ikke kan tømme elektriske impulser av seg selv. De styrer tidlig hjerneutvikling og holder sine andre hjerneceller sunne gjennom livet. Glia er ikke bare strukturelle fyllstoffer, men—som opprinnelsen til navnet tilsier (gresk for lim) – de bidrar til å holde ting sammen. Uavhengig av det sanne glia til nevronforholdet, har forskere allerede vist at glia er funksjonelt hjernens andre halvdel.

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, Og Suzana Herculano-Houzel. «Like Mange Neuronale Og Ikke-Neuronale Celler Gjør Den Menneskelige Hjerne Til En Isometrisk Oppskalert Primathjerne.»Journal Of Comparative Neurology, 2009, 513: 532-541.

Dobbing, J Og Sands, J. Kvantitativ vekst og utvikling av menneskets hjerne. Arch Dette Barnet. 1973 oktober; 48 (10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Totalt neocortical celle nummer i mysticete hjernen. Anat Rec (Hoboken). 2007 Jan;290 (1): 83-95.

Herculano-Houzel, Suzana Og Roberto Lånte. «Isotrop Fraksjonator: En Enkel, Rask Metode for Kvantifisering Av Total Celle Og Nevron Tall I Hjernen.»Journal Of Neuroscience», 2005, 25(10): 2518-2521.

Hilgetag, Claus Og Helen Barbas. «Er det ti ganger mer glia enn nevroner i hjernen ?»Hjernestrukturfunksjon, 2009, 213: 365-366 .

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. Prinsipper For Nevrale Vitenskap, 4.utg. McGraw-Hill, New York.

Pakkenberg, B. og Gundersen, H. J. G. (1988), Totalt antall nevroner og glialceller i menneskelige hjernekjerner estimert av disektor og fraksjonator. Tidsskrift For Mikroskopi, 150: 1-20. doi: 10.1111/j.1365-2818.1988.tb04582.x

Den Nevrokritiske. Fakta eller Fiksjon? Det er ti ganger mer glia enn nevroner i hjernen. 27. Sep 2009.