Poznaj swoje neurony: jaki jest stosunek gleju do neuronów w mózgu?

poprzednio w poznaj swoje neurony:

Rozdział 1: Odkrycie i nazwanie neuronu

Rozdział 2: Jak klasyfikować różne typy neuronów

Rozdział 3: poznaj Glię

Rozdział 4: Jaki jest stosunek Glii do neuronów w mózgu?

Daisy Yuhas i Ferris Jabr

ostatnio w „poznaj swoje neurony” rozmawialiśmy o gleju—jednym z dwóch głównych typów komórek w mózgu i układzie nerwowym obok neuronów. Glia „przewyższa neurony o 50 do jednego”, napisaliśmy, nawiązując do szeroko używanego podręcznika Erica Kandela, the Principles of Neural Science, który stwierdza: „komórki glejowe znacznie przewyższają neurony—w centralnym układzie nerwowym kręgowców jest od 10 do 50 razy więcej glejów niż neuronów.”Inne podręczniki, w tym Mark Bear’ s Neuroscience—Exploring the Brain, wysuwają podobne twierdzenia, podobnie jak wiele artykułów w popularnej prasie.

Noah Gray (@noahWG), starszy redaktor w Nature, i Mo Costandi (@mocost), neurobiolog, który stał się niezależnym pisarzem, odpowiedzieli na nasz post na Twitterze, powołując się na ostatnie dowody, że stosunek gleju 10:1 do neuronu jest mitem i że stosunek w mózgach ludzi i innych naczelnych jest znacznie bliższy 1:1. Zdecydowaliśmy się na dalsze śledztwo.

po zbadaniu literatury badawczej nie znaleźliśmy ani jednego opublikowanego badania, które bezpośrednio wspiera stosunek gleju do neuronu 10:1 w całym ludzkim mózgu. Jeśli ktoś wie o takim badaniu, proszę o przytoczenie go w komentarzach. Odkryliśmy wiele badań już w latach 50.XX wieku, które wykazały stosunek znacznie zbliżony do 1:1 w mózgach ludzi i innych naczelnych, chociaż większość z tych badań koncentrowała się wyłącznie na misternie pomarszczonej zewnętrznej warstwie mózgu kręgowców, znanej jako kora mózgowa, która prawdopodobnie nie ma takiego samego stosunku gleju do neuronu jak reszta mózgu. Najbardziej przekonujące dowody na stosunek 1:1 pochodzą z badania z 2009 r.przeprowadzonego przez neurofizjolog Suzanę Herculano-Houzel i jej współpracowników, którzy wynaleźli nowy, wysoce skuteczny sposób liczenia komórek i zastosowali go do czterech całych ludzkich mózgów.

jednak niektórzy badacze nie zaakceptują w pełni nowej metody, dopóki Herculano-Houzel nie porównałby jej bezpośrednio z bardziej tradycyjnymi technikami liczenia komórek. A niektórzy naukowcy badający glej niechętnie przyznają, że te kiedyś przeoczone komórki mogą nie stanowić większości. Nawet jeśli metoda Herculano-Houzela w jakiś sposób przekręca stosunek zbyt blisko 1:1, dowody jako całość z pewnością nie wspiera niczego w pobliżu stosunku 10: 1. Pomimo tej rozbieżności, niektóre podręczniki prawdopodobnie nadal będzie tout stosunek 10: 1 jako niekwestionowany fakt. Ben Barres z Uniwersytetu Stanforda pisze sekcje na temat glii w nadchodzącym wydaniu podręcznika Kandela. Chociaż twierdzi, że nikt nie określił rygorystycznie stosunku gleju do neuronu w opublikowanych badaniach, jest przekonany, że glej stanowią co najmniej 80 procent komórek w ludzkim mózgu—do wniosku doszedł na podstawie obliczeń dotyczących zmiany poziomu DNA w rozwijającym się mózgu.

dostępne dowody

od co najmniej lat 50.naukowcy próbowali oszacować względną liczbę neuronów i komórek glejowych w ludzkim mózgu. Od razu napotkali trudności.

najbardziej rygorystyczna metoda polega na krojeniu różnych regionów świeżego lub zachowanego mózgu w cienkie arkusze prosciutto mózgu, liczeniu komórek w każdym arkuszu pod mikroskopem i mnożeniu liczby komórek przez całkowitą objętość mózgu. Proces jest dość prosty, ale wykonanie go na całym mózgu zajmuje dużo czasu – nawet gdy komputery i maszyny pomagają w liczeniu-co wyjaśnia, dlaczego tak wiele badań koncentruje się tylko na jednym obszarze mózgu.

na początku jednak naukowcy zdali sobie sprawę, że stosunek gleju do neuronów różni się w zależności od regionu mózgu, czasami dramatycznie. Kilka wczesnych badań wykazało stosunek gleju do neuronu wynoszący około 1:1 w korze mózgowej, na przykład, ale jedno z badań z 1988 r. wykazało stosunek gleju do neuronu 17 do 1 we wzniesieniu, wszechstronnej parze gałek wielkości orzecha włoskiego w pobliżu środka mózgu. Co więcej, stosunek gleju do neuronu różni się w zależności od gatunku. Więc liczenie gleju i neuronów w kawałku tkanki mózgowej szczura nie daje dokładnego oszacowania stosunku dla całego mózgu szczura, ani nie musi być zgodne ze stosunkiem w porównywalnym obszarze ludzkiego mózgu. XX wieku stwierdzono, że stosunek gleju do neuronu w korze naczelnych wahał się od 0,5:1 do 2:1. O ile możemy powiedzieć, żadne z tych badań nie oszacowało stosunku gleju do neuronu 10: 1 dla kory mózgowej lub całego mózgu.

jeśli brak opublikowanych dowodów bezpośrednio potwierdza stosunek gleju do neuronu 10: 1, Jak to się stało, że znalazło się w tak wielu podręcznikach? Skąd w ogóle wziął się ten pomysł? „Nie można znaleźć oryginalnego źródła”, mówi Claus Hilgetag z Uniwersyteckiego Centrum Medycznego Hamburg-Eppendorf, który na próżno szukał podstaw tego, co uważa za długo utrwalony mit. Jeden z jego kolegów, Hugues Berry, niejasno pamięta, że stosunek 10:1 powstał jako błędny szczegół w prezentacji na konferencji akademickiej. Jeśli tak, to z pewnością nie byłby to pierwszy raz, kiedy ludzie przyjęli antyintuicyjną statystykę jako fakt.

w kolumnie Brain Structure and Function reviewing the relevant evidence on the brain ’ s glia to neuron ratio, Hilgetag i Helen Barbas Z Boston University podkreślają badania neurofizjolog Suzana Herculano-Houzel z Instituto de Ciências Biomédicas/Federal University of Rio de Janeiro, Brazylia. Opracowała unikalną, szybką metodę liczenia wszystkich komórek w całym mózgu.

Technika Herculano-Houzela przekształca nienaruszony mózg w zupę jąder-małych worków zawierających DNA komórek. Ideą jej metody jest to, że każda komórka mózgowa zawiera dokładnie jedno jądro; dlatego całkowita liczba jąder w mózgu odpowiada całkowitej liczbie komórek mózgowych. Po pierwsze, Herculano-Houzel rozcina cały mózg na interesujące obszary – takie jak móżdżek i kora mózgowa—i miele całą tkankę ręcznie w rodzaju szklanej zaprawy i tłuczku. Rozpuszczenie tkanki w detergencie solnym tworzy roztwór, w którym jądra obu neuronów i gleju swobodnie pływają. Oznaczanie DNA wewnątrz jąder białkami fluorescencyjnymi sprawia, że wszystkie jądra świecą na niebiesko w świetle ultrafioletowym (UV). Herculano-Houzel mierzy gęstość tych świecących jąder i mnoży tę liczbę przez objętość roztworu, aby określić całkowitą liczbę jąder, która powinna odpowiadać całkowitej liczbie komórek w tym regionie mózgu. Następnie dodaje przeciwciało zwane anty-NeuN, które wiąże się z białkami większości jąder neuronalnych, ale nie wiąże się z żadnymi jądrami glejowymi. Inne fluorescencyjne przeciwciało przyłącza się do anty-NeuN, dzięki czemu jądra z neuronów świecą na Zielono w świetle UV. Po energicznym potrząsaniu roztworem w celu równomiernego rozprowadzenia jąder z neuronów i gleju, Herculano-Houzel pobiera kilka próbek zupy, zlicza fluorescencyjne zielone jądra w każdej próbce pod mikroskopem i oblicza całkowitą liczbę jąder neuronalnych w roztworze, która powinna być równa całkowitej liczbie neuronów w tym regionie mózgu. Odjęcie tej liczby od całkowitej liczby jąder mówi jej, ile komórek glejowych zawierała ta część mózgu.

Herculano-Houzel i jej współpracownicy wykorzystali tę technikę do analizy mózgów czterech zmarłych mężczyzn i opublikowali swoje wyniki w 2009 roku:konsekwentnie znaleźli stosunek całego ludzkiego mózgu do neuronu prawie dokładnie 1: 1. W szczególności odkryli, że ludzki mózg zawiera około 170,68 miliarda komórek, z których 86,1 miliarda to neurony, a 84,6 miliarda to komórki glejowe. Ich badania sugerują również, że stosunek gleju do neuronów różni się dramatycznie w zależności od ogólnego regionu mózgu. 60,84 miliarda komórek w korze mózgowej to glej, podczas gdy tylko 16.34 miliardy komórek to neurony, co daje temu dużemu regionowi stosunek gleju do neuronu wynoszący około 3,76 do 1. To odwrotność w móżdżku, ewolucyjnie starożytnej części mózgu, która znajduje się okrakiem pnia mózgu. Według badań Herculano-Houzela móżdżek zawiera 69,03 miliarda neuronów i tylko 16,04 komórek glejowych, co oznacza, że na każdy glej w tym regionie przypada około 4,3 neuronów.

przybliżając się jeszcze bardziej, jej badanie liczyło 6,18 miliarda neuronów i 8,68 miliarda glii w istocie szarej kory mózgowej, w porównaniu z 1,29 miliarda neuronów i 19,88 miliarda glii w istocie białej. Istota szara składa się w dużej mierze z niemielinizowanych części neuronów—neuronów, które nie są otoczone przez komórki glejowe—podczas gdy istota biała składa się z aksonów owiniętych izolującymi oligodendrocytami. Wyniki te mogą wyjaśniać, dlaczego tak wiele wczesnych badań liczenia, że tylko pobrane próbki korowej istoty szarej wykazały około 1: 1 lub nieco wyższy stosunek gleju do neuronu. Ogólnie rzecz biorąc, kora mózgowa—w tym szara i biała Materia-zawiera znacznie więcej gleju niż neurony, ale jego zewnętrzna szara warstwa jest bardziej zrównoważona. A niesamowita gęstość neuronów móżdżku równoważy gleję do porcji neuronów w całym mózgu.

kiedy Herculano-Houzel po raz pierwszy opublikowała swoją innowacyjną technikę w 2005 roku, głównym sprzeciwem było to, że nie porównała jej bezpośrednio do bardziej typowych metod stereologicznych, w których komórki są liczone w kawałkach tkanki mózgowej. Kiedy jej wyniki z całym mózgiem pasowały do liczby z różnych regionów mózgu w poprzednich badaniach stereologicznych, Herculano-Houzel twierdzi jednak, że większość krytyków wycofała się. Niektórzy badacze nadal obawiają się, że mielenie i rozpuszczanie mózgu niszczy znaczną liczbę jąder. Herculano wyjaśnia jednak, że detergent solny, którego używa (Triton X-100) niszczy tkanki tłuszczowe, takie jak błony komórkowe, ale zachowuje bogatą w białko błonę jądrową. Ponadto, jak mówi, mocowanie tkanki mózgowej w Formaldehydu przed rozdrobnieniem wzmacnia wiązania między białkami, co czyni je szczególnie trudnymi do zerwania. Inni badacze twierdzą, że wahają się zaufać metodzie, która nie była szeroko stosowana poza jedną grupą badawczą. Do tej pory jednak co najmniej siedem różnych zespołów badawczych w USA, Europie i Azji skorzystało z metody Herculano-Houzela.

przepisywanie podręczników?

neurobiolog Ben Barres z Uniwersytetu Stanforda mówi, że nigdy nie wierzył w powszechnie parrotowany stosunek gleju 10:1 do neuronu—dopóki sam nie przyjrzał się tej sprawie. Jest pewien, że glej stanowi co najmniej 80% komórek ludzkiego mózgu. Oto jego główne rozumowanie.

ludzki mózg zawiera skończoną liczbę komórek, z których każda zawiera taką samą ilość DNA (około 6,5 pikogramów). Rozwijający się ludzki mózg produkuje większość swoich neuronów w pierwszym trymestrze ciąży, ale glej nie kończy się wzrost liczby dopiero kilka lat po urodzeniu. Porównując całkowitą ilość DNA w 20-tygodniowym ludzkim mózgu do całkowitej ilości DNA w mózgu niemowlęcia, barres uzasadnił, że można obliczyć stosunek gleju do neuronu. Barres znalazł badanie opublikowane w 1973, które analizowało poziomy DNA w 139 ludzkich mózgach w wieku od 10 tygodni do 7 lat. Przedplecze (które nie obejmuje móżdżku) zawierało około 0.25 milimoli DNA w 20 tygodniu i osiągnęło szczyt około 2 milimoli DNA w wieku dwóch lat. Opierając się na tych liczbach—i biorąc pod uwagę DNA z komórek naczyń krwionośnych—Barres stwierdza, że rosnąca liczba glejów wyjaśnia wzrost całkowitego DNA przedmózgowia, a zatem glej stanowi co najmniej 80 procent komórek w ludzkim mózgu.

mimo że Barres jest pewny swoich niepublikowanych obliczeń-i zamierza napisać, że glia znacznie przewyższa liczbę neuronów w najnowszym wydaniu Principles of Neural Science—twierdzi, że nikt nie przeprowadził tego rodzaju rygorystycznych badań, które ostatecznie odpowiedziałyby na pytanie o stosunek glia do neuronu raz na zawsze. Barres przewiduje badanie, w którym naukowcy plamią całe ludzkie mózgi prawie każdym znanym markerem zarówno dla neuronów, jak i gleju—upewniając się, że wychwytują jak najwięcej różnych typów komórek, jak to możliwe—przed krojeniem mózgów i skrupulatnym policzeniem komórek w każdej sekcji. Mówi, że wszystkie niezbędne narzędzia są dostępne. To tylko kwestia finansowania projektu i znalezienia czasu na to wszystko.

Kogo To Obchodzi?

powiedzmy, że naukowcy ustalą dokładnie, ile glejów i neuronów zawiera mózg i wszyscy zgadzają się co do liczb-co to da? Jakie to ma znaczenie?

niektórzy naukowcy uważają, że stosunek gleju do neuronu jest jednym z najmniej ważnych pytań dotyczących mózgu. Zamiast tego, twierdzą, naukowcy powinni skupić się na tym, jak zachowują się komórki mózgowe. Inni naukowcy podkreślają, że starzenie się, a także wiele chorób neurologicznych, wiąże się z utratą komórek mózgowych. Dokładne zrozumienie, które komórki mózgowe umierają, a które przeżywają, może pobudzić rozwój nowych metod leczenia. Niektórzy biolodzy i neurolodzy są również bardzo zainteresowani tym, czy stosunek gleju do neuronu zmienił się w trakcie ewolucji i czy, na przykład, zwierzęta z dużymi mózgami—lub mózgami, które są duże jak na swój rozmiar ciała—mają niezwykle wysoką lub niską liczbę gleju. W badaniu z 2007 roku naukowcy pokroili pięć mózgów wielorybów minke, policzyli komórki za pomocą komputerów i znaleźli 12,8 miliarda neuronów otoczonych 98,2 miliarda glejów. Jednak badania nie obejmowały móżdżku, który zawiera większość neuronów mózgu ssaków, zgodnie z pracą Herculano-Houzela.

wielu badaczy twierdzi, że glia zasługują na większą uwagę częściowo, ponieważ są tak liczne. Jednak rozpowszechnienie nie jest równoznaczne ze znaczeniem. Naukowcy nie muszą już polegać na rzekomym stosunku 10: 1, aby uzasadnić badania nad glejem. Komórki glejowe są fascynujące i ważne ze względu na ich różnorodność strukturalną, funkcjonalną wszechstronność i fakt, że mogą zmieniać zachowanie neuronów zapalających, nawet jeśli nie mogą samodzielnie rozładowywać impulsów elektrycznych. Kierują wczesnym rozwojem mózgu i utrzymują swoje komórki mózgowe w zdrowiu przez całe życie. Glia nie są zwykłym wypełniaczem strukturalnym, ale—jak sugeruje pochodzenie ich nazwy (z greckiego klej) – pomagają utrzymać wszystko razem. Niezależnie od rzeczywistego stosunku gleju do neuronu, naukowcy już wykazali, że glej są funkcjonalnie drugą połową mózgu.

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 i Suzana Herculano-Houzel. „Jednakowa liczba komórek neuronalnych i Nonneuronalnych sprawia, że ludzki mózg jest izometrycznie powiększonym mózgiem naczelnych.”The Journal of Comparative Neurology, 2009, 513:532-541.

Dobbing, J And Sands, J. ilościowy wzrost i rozwój ludzkiego mózgu. Arch Dis Child. 1973 October; 48 (10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Całkowita liczba komórek neokortykalnych w mózgu mysticete. Anat Rec (Hoboken). 2007 Jan; 290 (1): 83-95.

Herculano-Houzel, Suzana i Roberto Lent. „Frakcjonator izotropowy: prosta, szybka metoda kwantyfikacji całkowitej liczby komórek i neuronów w mózgu.”The Journal of Neuroscience, 2005, 25(10): 2518-2521.

Hilgetag, Claus and Helen Barbas. „Czy w mózgu jest dziesięć razy więcej gleju niż neuronów?”Brain Structure Function, 2009, 213: 365-366.

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, Nowy Jork.

Pakkenberg, B. and Gundersen, H. J. G. (1988), Total number of neurons and glejal 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.tb04582x

Neurocritic. Fakt czy fikcja? W mózgu jest dziesięć razy więcej gleju niż neuronów. Wrz 27, 2009