Know Your Neurons: What Is the Ratio of Glia to Neurons in the Brain?

Anteriormente, em Saber Seus Neurônios:

Capítulo 1: A Descoberta e Nomeação do Neurônio

Capítulo 2: Como Classificar Diferentes Tipos de Neurônios

Capítulo 3: Conheça a Glia

Capítulo 4: Qual é a Proporção de Glia de Neurônios no Cérebro?Da última vez que conhecemos seus neurônios, falamos sobre glia—um dos dois principais tipos de células no cérebro e sistema nervoso ao lado de neurônios. Glia “supera o número de neurônios em cerca de 50 para um”, escrevemos, ecoando o livro de Eric Kandel amplamente utilizado, os princípios da ciência Neural, que afirma: “as células gliais superam muito o número de neurônios—há entre 10 e 50 vezes mais glia do que neurônios no sistema nervoso central dos vertebrados.”Outros livros didáticos, incluindo a Neurociência de Mark Bear-explorando o cérebro, fazem afirmações semelhantes, assim como muitos artigos na imprensa popular.

Noah Gray (@noahWG), um editor sênior na Natureza, e Mo Costandi (@mocost), um neurocientista virou escritor freelance, responderam ao nosso post no Twitter, citando evidências recentes de que a 10:1 glia para neurônio relação é um mito e que a relação entre humanos e outros primatas de cérebros é muito mais perto de 1:1. Decidimos investigar mais.

depois de examinar a literatura de pesquisa, não encontramos um único estudo publicado que suporte diretamente uma razão de 10:1 glia para neurônios em todo o cérebro humano. Se alguém sabe de tal estudo, por favor cite-o na seção de comentários. Encontramos muitos estudos já no início da década de 1950 que se estabeleceram em uma relação muito mais próxima de 1:1 nos cérebros de humanos e outros primatas, embora a maioria destes estudos concentraram-se exclusivamente no primorosamente enrugada camada externa do cérebro de vertebrados, conhecida como o córtex, que provavelmente não tem o mesmo glia para neurônio relação como o resto do cérebro. A evidência mais convincente para uma razão de 1:1 vem de um estudo de 2009 feito pela neurofisiologista Suzana Herculano-Houzel e seus colegas, que inventaram uma nova e altamente eficiente forma de contar células e aplicaram-na a quatro cérebros humanos inteiros.

alguns investigadores, no entanto, não aceitarão totalmente o novo método até Herculano-Houzel o comparar directamente com técnicas mais tradicionais de contagem de células. E alguns cientistas que estudam a glia estão relutantes em admitir que estas células outrora negligenciadas podem não constituir a maioria. Mesmo que o método de Herculano-Houzel de alguma forma reduza o rácio demasiado próximo de 1:1, a evidência como um todo certamente não suporta nada perto de uma proporção de 10:1. Apesar desta discrepância, alguns livros didáticos provavelmente continuarão a superar a proporção de 10: 1 como fato indiscutível. Ben Barres da Universidade de Stanford está escrevendo as seções sobre glia na próxima edição do livro de Kandel. Embora ele mantenha que ninguém determinou rigorosamente a razão glia-neurônio em pesquisas publicadas, ele está convencido de que glia compõem pelo menos 80 por cento das células no cérebro humano—uma conclusão que ele chegou com base em cálculos sobre a mudança de níveis de DNA no cérebro em desenvolvimento.

a evidência disponível

desde que pelo menos os cientistas da década de 1950 tentaram estimar o número relativo de neurônios e células gliais no cérebro humano. Eles encontraram dificuldades imediatamente.

o método mais rigoroso envolve a fatiagem de diferentes regiões de um cérebro fresco ou preservado em finas folhas de prosciutto cerebral, Contagem de células em cada folha sob um microscópio e multiplicação de contagens de células pelo volume total do cérebro. O processo é bastante simples, mas executá—lo em um cérebro inteiro leva muito tempo—mesmo quando computadores e máquinas ajudam com a contagem-o que explica por que tantos estudos se concentram em apenas uma região do cérebro.

no início, no entanto, os pesquisadores perceberam que a proporção de glia para neurônios varia de uma região do cérebro para outra, às vezes dramaticamente. Vários estudos iniciais encontraram uma razão glia-neurônio de cerca de 1:1 no córtex, por exemplo, mas um estudo de 1988 encontrou uma razão glia-neurônio de 17 para 1 no tálamo, um par versátil de botões do tamanho de nogueira perto do meio do cérebro. Além de complicar as coisas, a relação glia-neurônio difere de espécie para espécie. Assim, contar os números de glia e neurônios em um pedaço de tecido cerebral do rato não dá uma estimativa precisa da razão para todo o cérebro do rato, nem necessariamente coincide com a razão em uma região comparável do cérebro humano. Numerosos estudos de contagem celular a partir da década de 1950 concluíram que a razão glia-neurônio no córtex primata variou de 0,5:1 a 2:1. Tanto quanto sabemos, nenhum destes estudos estimou uma razão de 10:1 glia para neurônios, tanto para o córtex quanto para o cérebro inteiro.

se nenhuma evidência publicada suporta diretamente a razão de 10: 1 glia para neurônios, como ela acabou em tantos livros? E de onde veio essa ideia? “É impossível encontrar a fonte original”, diz Claus Hilgetag do Centro Médico da Universidade Hamburgo-Eppendorf, que procurou em vão a base do que ele acha ser um mito perpetuado há muito tempo. Um de seus colegas, Hugues Berry, vagamente se lembra de saber que a proporção de 10:1 teve origem como um detalhe mal lembrado em uma apresentação em uma conferência acadêmica. Em caso afirmativo, não seria certamente a primeira vez que as pessoas adoptam um dado estatístico contraintuitivo como facto.

Em uma Estrutura do Cérebro e da coluna Função de rever as evidências relevantes sobre o cérebro da glia para neurônio relação, Hilgetag e Helena Barbas da Universidade de Boston destacar a pesquisa de neurofisiologista Suzana Herculano-Houzel do Instituto de Ciências Biomédicas/Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasil. Ela desenvolveu um método único e rápido para contar todas as células de um cérebro inteiro.

a técnica de Herculano-Houzel transforma um cérebro intacto numa sopa de pequenos sacos de núcleos que contêm ADN das células. A idéia por trás de seu método é que cada célula cerebral contém exatamente um núcleo; portanto, o número total de núcleos em um cérebro corresponde ao número total de células cerebrais. Em primeiro lugar, Herculano-Houzel corta todo um cérebro em regiões de interesse—como o cerebelo e o córtex cerebral—e tritura todo o tecido à mão em uma espécie de argamassa de vidro e pestle. Dissolver o tecido em detergente salino cria uma solução na qual os núcleos de ambos os neurônios e glia flutuam livremente. A marcação do ADN no interior dos núcleos com proteínas fluorescentes faz com que todos os núcleos brilham azul sob luz ultravioleta (UV). Herculano-Houzel mede a densidade desses núcleos brilhantes e multiplica esse número pelo volume da solução para determinar o número total de núcleos, que deve corresponder ao número total de células naquela região cerebral. Em seguida, ela adiciona um anticorpo chamado anti-NeuN que se liga a proteínas na maioria dos núcleos neuronais, mas não se liga a nenhum núcleo glial. Outro anticorpo fluorescente liga-se ao anti-NeuN, fazendo com que os núcleos dos neurônios brilham verdes sob a luz UV. Após agitar vigorosamente a solução para distribuir núcleos uniformemente a partir de neurônios e glia, Herculano-Houzel toma várias amostras da sopa, conta os núcleos verdes fluorescentes em cada amostra sob o microscópio e calcula o número total de núcleos neuronais na solução, o que deve igualar o número total de neurônios nessa região cerebral. Subtrair esse número da contagem total de núcleos diz-lhe quantas células gliais aquela secção do cérebro continha.

Herculano-Houzel e seus colegas usaram esta técnica para analisar os cérebros de quatro homens falecidos e publicaram seus resultados em 2009: eles consistentemente encontraram um glia cerebral humano inteiro para neurônios de quase exatamente 1:1. Especificamente, eles descobriram que o cérebro humano contém cerca de 170,68 bilhões de células, 86,1 bilhões das quais são neurônios e 84,6 bilhões das quais são células gliais. Seu estudo também sugere que a relação entre glia e neurônios difere dramaticamente de uma região cerebral geral para a seguinte. 60,84 mil milhões de células no córtex cerebral são glia, enquanto apenas 16.34 bilhões de células são neurônios, dando a esta grande região uma razão glia para neurônios de cerca de 3,76 para 1. É o inverso no cerebelo, uma parte evolucionariamente antiga do cérebro que se senta à volta do tronco cerebral. De acordo com o estudo de Herculano-Houzel, o cerebelo contém 69,03 bilhões de neurônios e apenas 16,04 células gliais, o que significa que há cerca de 4,3 neurônios para cada glia nesta região.

Zooming in even further, her study contained 6,18 billion neurons and 8,68 billion glia in the gray matter of the cortex, vs. 1,29 billion neurons and 19,88 billion glia in the white matter. A matéria cinzenta é em grande parte composta de partes não—mielinadas de neurônios—neurônios que não são embainhados por células gliais-enquanto a matéria branca é composta por axônios envoltos em oligodendrócitos isolantes. Estes resultados podem explicar por que tantos estudos de contagem precoce que apenas amostraram matéria cinzenta cortical encontraram uma relação glia / neurônio aproximadamente 1:1 ou um pouco mais alta. No geral, o córtex cerebral—incluindo matéria cinzenta e branca—contém muito mais glia do que neurônios, mas sua camada cinza externa é mais equilibrada. E a incrível densidade de neurônios do cerebelo equilibra a glia com a ração neuronal em todo o cérebro.

quando Herculano-Houzel publicou pela primeira vez a sua técnica inovadora em 2005, a principal objecção foi que ela não a comparou diretamente com métodos estereológicos mais típicos, nos quais as células são contadas em fatias de tecido cerebral. Quando seus resultados com cérebros inteiros combinaram contagens de diferentes regiões cerebrais em estudos estereológicos anteriores, no entanto, Herculano-Houzel diz que a maioria dos críticos recuaram. Alguns pesquisadores continuam preocupados que a moagem e dissolução do cérebro destrói um número significativo de núcleos. Herculano explica, no entanto, que o detergente salino que ela usa (Triton X-100) destrói tecidos gordos, como membranas celulares, mas preserva a membrana nuclear rica em proteínas. Além disso, ela diz, fixar o tecido cerebral em formaldeído antes de moer fortalece as ligações entre proteínas, tornando-os especialmente difíceis de quebrar. Outros pesquisadores dizem que estão hesitantes em confiar em um método que não tem sido amplamente utilizado fora de um único grupo de pesquisa. Até agora, no entanto, pelo menos sete equipes de pesquisa diferentes nos EUA, Europa e Ásia têm aproveitado o método de Herculano-Houzel.Reescrever os livros?O neurobiólogo Ben Barres, da Universidade de Stanford, diz que nunca acreditou na proporção entre 10:1 glia e neurônios—até que ele mesmo investigou a matéria. Ele tem a certeza de que a glia compõe pelo menos 80% das células do cérebro humano. Aqui está o seu principal raciocínio.

o cérebro humano contém um número finito de células, cada uma das quais possui a mesma quantidade de DNA (cerca de 6.5 picogramas). O cérebro humano em desenvolvimento produz a maioria de seus neurônios dentro do primeiro trimestre de gravidez, mas glia não termina de crescer em número até alguns anos após o nascimento. Comparando a quantidade total de DNA em um cérebro humano de 20 semanas com a quantidade total de DNA no cérebro de uma criança, Barres argumentou, pode-se descobrir a razão glia-neurônio. Barres encontrou um estudo publicado em 1973 que analisou os níveis de DNA em 139 cérebros humanos com idades entre 10 semanas e 7 anos. Os forebrains (que não incluem o cerebelo) continham cerca de 0.25 milímetros de DNA na semana 20 e atingiu um pico de cerca de 2 milímetros de DNA aos dois anos de idade. Com base nestes números—e tendo em conta o ADN das células dos vasos sanguíneos-Barres conclui que o número crescente de glia explica o aumento do ADN total do forebrain e que a glia, portanto, constitui pelo menos 80 por cento das células do cérebro humano.

apesar de Barres é confiante nas suas próprias inéditas cálculos—e pretende escrever que glia superam em muito os neurônios a mais recente edição dos Princípios de Ciência Neural—ele argumenta que ninguém tem conduzido o tipo de estudo rigoroso que seria definitivamente responder a pergunta da glia para neurônio relação de uma vez por todas. Barres prevê um estudo no qual pesquisadores mancham cérebros humanos inteiros com quase todos os marcadores conhecidos para ambos os neurônios e glia—certificando—se de capturar o maior número possível de diferentes tipos de células-antes de cortar os cérebros e meticulosamente contar as células em cada seção. Ele diz que todas as ferramentas necessárias estão disponíveis. Trata-se apenas de financiar o projecto e de arranjar tempo para toda esta contagem.Quem Se Importa?Digamos que os cientistas descubram exactamente quantos glia e neurónios o cérebro contém e todos concordam com os números—o que é que isso vai conseguir? Porque é que isso importa?

alguns cientistas pensam que a razão glia-neurônio é apenas uma das perguntas menos importantes que você pode fazer sobre o cérebro. Em vez disso, eles argumentam, os cientistas devem se concentrar em como as células cerebrais se comportam. Outros cientistas apontam que o envelhecimento, bem como muitas doenças neurológicas, envolvem a perda de células cerebrais. Compreender exactamente quais as células cerebrais que morrem e que sobrevivem pode estimular o desenvolvimento de novos tratamentos. Alguns biólogos e neurocientistas também estão muito interessados em saber se a razão glia—neurônio mudou ao longo da evolução e se, por exemplo, animais com grandes cérebros—ou cérebros que são grandes para o seu tamanho corporal-têm números invulgarmente altos ou baixos de glia. Em um estudo de 2007, cientistas dividiram cinco cérebros de baleias minke, contaram as células com a ajuda de computadores e encontraram 12,8 bilhões de neurônios cercados por 98,2 bilhões de glia. No entanto, o estudo não incluiu o cerebelo, que contém a maioria dos neurônios do cérebro mamífero de acordo com o trabalho de Herculano-Houzel.

muitos pesquisadores têm argumentado que glia merece mais atenção em parte porque eles são tão numerosos. Mas a prevalência não é equivalente a significância. Os cientistas já não precisam depender da alegada razão 10:1 para justificar a pesquisa da glia. As células gliais são fascinantes e importantes por causa de sua diversidade estrutural, versatilidade funcional e o fato de que elas podem mudar o comportamento dos neurônios disparando, mesmo que elas não possam liberar impulsos elétricos próprios. Eles guiam o desenvolvimento cerebral precoce e mantêm suas células cerebrais companheiros saudáveis ao longo da vida. Glia não são um mero enchimento estrutural, mas—como a origem de seu nome implica (grego para cola) – ajudam a manter as coisas juntas. Independentemente da verdadeira razão glia-neurônio, os cientistas já mostraram que glia é, funcionalmente, a outra metade do cérebro.

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 e Suzana Herculano-Houzel. “Números iguais de células neuronais e não-neuronais fazem do cérebro humano um cérebro Primata isometricamente dimensionado.”The Journal of Comparative Neurology, 2009, 513: 532-541.

Dobbing, J And Sands, J. Quantitative growth and development of human brain. Arch Dis Child. 1973 October; 48 (10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Número total de células neocorticais no cérebro místico. Anat Rec (Hoboken). 2007 Jan; 290(1):83-95.

Herculano-Houzel, Suzana e Roberto Quaresma. “Isotrópic 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 e Helen Barbas. “Há dez vezes mais glia do que neurónios no cérebro?”Brain Structure Function, 2009, 213: 365-366.Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, Nova Iorque.

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

o Neurocrítico. Facto ou ficção? Há dez vezes mais glia do que neurônios no cérebro. 27 de setembro de 2009.