cunoaște-ți neuronii: care este raportul dintre Glia și neuronii din creier?

anterior, pe cunoaște-ți neuronii:

Capitolul 1: descoperirea și denumirea neuronului

Capitolul 2: Cum se clasifică diferite tipuri de neuroni

Capitolul 3: Faceți cunoștință cu Glia

Capitolul 4: Care este raportul dintre Glia și neuronii din creier?

de Daisy Yuhas și Ferris Jabr

ultima dată pe cunoaște—ți neuronii, am vorbit despre glia-unul dintre cele două tipuri majore de celule din creier și sistemul nervos alături de neuroni. Glia „depășește numărul neuronilor cu până la 50 la unu”, am scris, repetând manualul utilizat pe scară largă de Eric Kandel, principiile științei neuronale, care afirmă: „celulele gliale depășesc cu mult neuronii—există între 10 și 50 de ori mai multe glii decât neuronii din sistemul nervos central al vertebratelor.”Alte manuale, inclusiv neuroștiința lui Mark Bear-explorarea creierului, fac afirmații similare, la fel ca multe articole din presa populară.

Noah Gray (@noahWG), editor senior la Nature, și Mo Costandi (@mocost), un neurolog devenit scriitor independent, au răspuns postării noastre pe Twitter, citând dovezi recente că raportul 10:1 glia la neuron este un mit și că raportul în creierul uman și în alte primate este mult mai aproape de 1:1. Am decis să investigăm mai departe.

după examinarea literaturii de cercetare, nu am găsit un singur studiu publicat care să susțină în mod direct un raport glia-neuron 10:1 în întregul creier uman. Dacă cineva știe despre un astfel de studiu, vă rugăm să-l citați în secțiunea de comentarii. Am găsit multe studii încă din anii 1950 care s-au stabilit pe un raport mult mai apropiat de 1:1 în creierul oamenilor și al altor primate, deși majoritatea acestor studii s-au concentrat exclusiv pe stratul exterior încâlcit al creierului vertebratelor, cunoscut sub numele de cortex, care probabil nu are același raport glia-neuron ca restul creierului. Cele mai convingătoare dovezi pentru un raport de 1:1 provin dintr-un studiu din 2009 realizat de neurofiziologul Suzana Herculano-Houzel și colegii ei, care au inventat un nou mod extrem de eficient de a număra celulele și l-au aplicat pe patru creiere umane întregi.

unii cercetători nu vor accepta pe deplin noua metodă până când Herculano-Houzel nu o compară direct cu tehnicile tradiționale de numărare a celulelor. Și unii oameni de știință care studiază glia sunt reticenți să admită că aceste celule trecute cu vederea s-ar putea să nu constituie majoritatea. Chiar dacă metoda lui Herculano-Houzel înclină cumva raportul prea aproape de 1:1, dovezile ca un întreg cu siguranță nu acceptă nimic aproape de un raport de 10: 1. În ciuda acestei discrepanțe, unele manuale vor continua probabil să prezinte raportul 10: 1 ca fapt incontestabil. Ben Barres de la Universitatea Stanford scrie secțiunile despre glia în următoarea ediție a manualului lui Kandel. Deși susține că nimeni nu a determinat riguros raportul glia—neuron în cercetările publicate, el este convins că glia reprezintă cel puțin 80% din celulele din creierul uman-o concluzie la care a ajuns pe baza calculelor despre schimbarea nivelurilor de ADN din creierul în curs de dezvoltare.

dovezile disponibile

cel puțin din anii 1950 oamenii de știință au încercat să estimeze numărul relativ de neuroni și celule gliale din creierul uman. Au întâmpinat dificultăți imediat.

cea mai riguroasă metodă implică felierea diferitelor regiuni ale unui creier proaspăt sau conservat în foi subțiri de prosciutto cerebral, numărarea celulelor din fiecare foaie sub microscop și înmulțirea numărului de celule cu volumul total al creierului. Procesul este destul de simplu, dar efectuarea acestuia pe un întreg creier necesită mult timp—chiar și atunci când computerele și mașinile ajută la numărare—ceea ce explică de ce atât de multe studii se concentrează pe o singură regiune a creierului.

la început, însă, cercetătorii au realizat că raportul dintre glia și neuroni variază de la o regiune a creierului la alta, uneori dramatic. Mai multe studii timpurii au descoperit un raport glia-neuron de aproximativ 1:1 în cortex, de exemplu, dar un studiu din 1988 a găsit un raport glia-neuron de 17 la 1 în talamus, o pereche versatilă de butoane de dimensiuni de nuc aproape de mijlocul creierului. Complicând și mai mult lucrurile, raportul glia-neuron diferă de la Specie la specie. Deci, numărarea numărului de glia și neuroni dintr-o bucată de țesut cerebral de șobolan nu vă oferă o estimare exactă a raportului pentru întregul creier de șobolan și nici nu se potrivește neapărat cu raportul dintr-o regiune comparabilă a creierului uman. Numeroase studii de numărare a celulelor începând cu anii 1950 au concluzionat că raportul glia-neuron din cortexul primatelor a variat de la 0,5:1 la 2:1. Din câte putem spune, niciunul dintre aceste studii nu a estimat un raport glia-neuron de 10:1 fie pentru cortex, fie pentru întregul creier.

dacă nicio dovadă publicată nu susține în mod direct raportul glia-neuron 10:1, Cum a ajuns în atât de multe manuale? Și de unde a venit noțiunea în primul rând? „Este imposibil să găsești sursa originală”, spune Claus Hilgetag de la Centrul Medical Universitar Hamburg-Eppendorf, care a căutat în zadar baza a ceea ce crede că este un mit perpetuat de mult. Unul dintre colegii săi, Hugues Berry, își amintește vag că a aflat că raportul 10:1 a apărut ca un detaliu greșit amintit într-o prezentare la o conferință academică. Dacă da, cu siguranță nu ar fi prima dată când oamenii au adoptat o statistică contraintuitivă ca fapt.

într-o coloană de structură și funcție a creierului care analizează dovezile relevante privind raportul glia-neuron al creierului, Hilgetag și Helen Barbas de la Universitatea din Boston evidențiază cercetarea neurofiziologului Suzana Herculano-Houzel de la Instituto De ci Incias Biomecictdicas/Universitatea Federală din Rio de Janeiro, Brazilia. Ea a dezvoltat o metodă unică, rapidă pentru numărarea tuturor celulelor dintr-un creier întreg.

tehnica lui Herculano-Houzel transformă un creier intact într—o supă de nuclee-saci mici care conțin ADN-ul celulelor. Ideea din spatele metodei sale este că fiecare celulă a creierului conține exact un nucleu; prin urmare, numărul total de nuclee dintr-un creier se potrivește cu numărul total de celule ale creierului. În primul rând, Herculano-Houzel taie un întreg creier în regiuni de interes—cum ar fi cerebelul și cortexul cerebral—și macină toate țesuturile cu mâna într-un fel de mortar de sticlă și pistil. Dizolvarea țesutului în detergent salin creează o soluție în care nucleele atât ale neuronilor, cât și ale gliei plutesc liber. Etichetarea ADN-ului din interiorul nucleelor cu proteine fluorescente face ca toate nucleele să strălucească albastru sub lumina ultravioletă (UV). Herculano-Houzel măsoară densitatea acestor nuclee strălucitoare și înmulțește acest număr cu volumul soluției pentru a determina numărul total de nuclee, care ar trebui să corespundă numărului total de celule din acea regiune a creierului. Apoi, ea adaugă un anticorp numit anti-NeuN care se leagă de proteinele de pe majoritatea nucleelor neuronale, dar nu se leagă de niciun nucleu glial. Un alt anticorp fluorescent se atașează de anti-NeuN, făcând nucleele neuronilor să strălucească verde sub lumina UV. După agitarea viguroasă a soluției pentru a distribui uniform nucleele din neuroni și glia, Herculano-Houzel ia mai multe probe de supă, numără nucleele verzi fluorescente din fiecare probă sub microscop și calculează numărul total de nuclee neuronale din soluție, care ar trebui să fie egal cu numărul total de neuroni din acea regiune a creierului. Scăzând acest număr din numărul total de nuclee îi spune câte celule gliale conținea acea secțiune a creierului.

Herculano-Houzel și colegii ei au folosit această tehnică pentru a analiza creierul a patru bărbați decedați și și-au publicat rezultatele în 2009: au găsit în mod constant un raport glia-neuron al creierului uman aproape exact 1:1. Mai exact, au descoperit că creierul uman conține aproximativ 170,68 miliarde de celule, dintre care 86,1 miliarde sunt neuroni și 84,6 miliarde dintre care sunt celule gliale. Studiul lor sugerează, de asemenea, că raportul dintre glia și neuroni diferă dramatic de la o regiune generală a creierului la alta. 60,84 miliarde de celule din cortexul cerebral sunt glia, în timp ce doar 16.34 de miliarde de celule sunt neuroni, oferind acestei regiuni mari un raport glia-neuron de aproximativ 3,76 la 1. Este inversul cerebelului, o parte evoluționară veche a creierului care stă pe trunchiul cerebral. Conform studiului lui Herculano-Houzel, cerebelul conține 69,03 miliarde de neuroni și doar 16,04 celule gliale, ceea ce înseamnă că există aproximativ 4,3 neuroni pentru fiecare glie din această regiune.

mărind și mai mult, studiul ei a numărat 6,18 miliarde de neuroni și 8,68 miliarde de glia în materia cenușie a cortexului, față de 1,29 miliarde de neuroni și 19,88 miliarde de glia în materia albă. Materia cenușie este alcătuită în mare parte din părțile nemielinizate ale neuronilor—neuroni care nu sunt înveliți de celulele gliale—în timp ce materia albă este compusă din axoni înveliți în oligodendrocite izolante. Aceste rezultate ar putea explica de ce atât de multe studii timpurii de numărare, care au prelevat doar materia cenușie corticală, au găsit un raport de aproximativ 1:1 sau ușor mai mare glia la neuron. În general, cortexul cerebral-incluzând atât materia cenușie, cât și cea albă—conține mult mai multă glie decât neuronii, dar stratul său gri cel mai exterior este mai echilibrat. Iar densitatea incredibilă de neuroni a cerebelului echilibrează rația glia-neuron din întregul creier.

când Herculano-Houzel și-a publicat prima dată tehnica inovatoare în 2005, principala obiecție a fost că nu a comparat-o direct cu metode stereologice mai tipice, în care celulele sunt numărate în felii de țesut cerebral. Cu toate acestea, atunci când rezultatele ei cu creiere întregi s-au potrivit din diferite regiuni ale creierului în studiile stereologice anterioare, Herculano-Houzel spune că majoritatea criticilor s-au retras. Unii cercetători rămân îngrijorați de faptul că măcinarea și dizolvarea creierului distruge un număr semnificativ de nuclee. Herculano explică, totuși, că detergentul salin pe care îl folosește (Triton X-100) distruge țesuturile grase, cum ar fi membranele celulare, dar păstrează membrana nucleară bogată în proteine. Mai mult, spune ea, fixarea țesutului cerebral în formaldehidă înainte de măcinare întărește legăturile dintre proteine, ceea ce le face deosebit de dificil de rupt. Alți cercetători spun că ezită să aibă încredere într-o metodă care nu a fost utilizată pe scară largă în afara unui singur grup de cercetare. Până în prezent, însă, cel puțin șapte echipe de cercetare diferite din SUA, Europa și Asia s-au folosit de metoda lui Herculano-Houzel.

rescrierea manualelor?

neurobiologul Ben Barres de la Universitatea Stanford spune că nu a crezut niciodată raportul 10:1 glia la neuron—până când nu a analizat el însuși problema. Acum, el este sigur că glia reprezintă cel puțin 80% din celulele creierului uman. Iată raționamentul său principal.

creierul uman conține un număr finit de celule, fiecare dintre care deține aceeași cantitate de ADN (aproximativ 6,5 picograme). Creierul uman în curs de dezvoltare produce majoritatea neuronilor săi în primul trimestru de sarcină, dar glia nu termină să crească în număr decât la câțiva ani după naștere. Comparând cantitatea totală de ADN dintr-un creier uman de 20 de săptămâni cu cantitatea totală de ADN din creierul unui copil, a argumentat Barres, s-ar putea da seama de raportul glia-neuron. Barres a descoperit un studiu publicat în 1973 care a analizat nivelurile de ADN din 139 de creiere umane cu vârste cuprinse între 10 săptămâni și șapte ani. Antebrațele (care nu includ cerebelul) conțineau aproximativ 0.25 milimoli de ADN în săptămâna 20 și a atins un maxim de aproximativ 2 milimoli de ADN până la vârsta de doi ani. Pe baza acestor numere—și luând în considerare ADN—ul din celulele vaselor de sânge-Barres concluzionează că numărul tot mai mare de glia explică creșterea ADN-ului total al creierului anterior și că glia reprezintă, prin urmare, cel puțin 80% din celulele creierului uman.

chiar dacă Barres este încrezător în propriile sale calcule nepublicate—și intenționează să scrie că glia depășește cu mult numărul neuronilor în cea mai nouă ediție a principiilor științei neuronale—el susține că nimeni nu a efectuat genul de studiu riguros care ar răspunde definitiv la întrebarea raportului glia-neuron o dată pentru totdeauna. Barres prevede un studiu în care cercetătorii colorează creierul uman întreg cu aproape fiecare marker cunoscut atât pentru neuroni, cât și pentru glia—asigurându—se că captează cât mai multe dintre diferitele tipuri de celule posibil-înainte de a tăia creierul și de a număra meticulos celulele din fiecare secțiune. El spune că toate instrumentele necesare sunt disponibile. Este doar o chestiune de finanțare a proiectului și de a găsi timp pentru toate aceste numărări.

Cui Îi Pasă?

să presupunem că oamenii de știință își dau seama exact câte glii și neuroni conține creierul și toată lumea este de acord cu numerele—ce va realiza asta? De ce contează?

unii oameni de știință cred că raportul glia-neuron este doar una dintre cele mai puțin importante întrebări pe care le puteți pune despre creier. În schimb, susțin ei, oamenii de știință ar trebui să se concentreze asupra modului în care se comportă celulele creierului. Alți oameni de știință subliniază că îmbătrânirea, precum și multe boli neurologice, implică pierderea celulelor creierului. Înțelegerea exactă a celulelor creierului care mor și care supraviețuiesc ar putea stimula dezvoltarea de noi tratamente. Unii biologi și neurologi sunt, de asemenea, foarte interesați dacă raportul glia—neuron s—a schimbat pe parcursul evoluției și dacă, de exemplu, animalele cu creiere mari-sau creiere mari pentru dimensiunea corpului lor-au un număr neobișnuit de mare sau scăzut de glia. Într-un studiu din 2007, oamenii de știință au tăiat cinci creiere de balenă minke, au numărat celulele cu ajutorul computerelor și au găsit 12,8 miliarde de neuroni înconjurați de 98,2 miliarde de glia. Cu toate acestea, studiul nu a inclus cerebelul, care conține majoritatea neuronilor creierului mamiferelor, conform lucrării lui Herculano-Houzel.

mulți cercetători au susținut că glia merită mai multă atenție în parte, deoarece sunt atât de numeroase. Dar prevalența nu este echivalentă cu semnificația. Oamenii de știință nu mai trebuie să depindă de presupusul raport 10:1 pentru a justifica cercetarea glia. Celulele gliale sunt fascinante și importante datorită diversității lor structurale, versatilității funcționale și faptului că pot schimba comportamentul neuronilor de ardere, chiar dacă nu pot descărca impulsuri electrice proprii. Ele ghidează dezvoltarea timpurie a creierului și își mențin celulele creierului sănătoase pe tot parcursul vieții. Glia nu sunt simple umpluturi structurale, dar—așa cum sugerează și numele lor (greacă pentru lipici) – ajută la menținerea lucrurilor împreună. Indiferent de raportul dintre glia și neuron, oamenii de știință au arătat deja că glia este, funcțional, cealaltă jumătate a creierului.

Azevedo, Frederico A. C. , Ludmila R. B. Carvalho, Lea T. Gribergb, jos Marcelo Farfel, Renata E. L. Ferretti, Renata E. P. Leite, Wilson Jacob Filho, Roberto Postul Mare și Suzana Herculano-Houzel. „Un număr egal de celule neuronale și Nonneuronale fac din creierul uman un creier primat scalat izometric.”Jurnalul de Neurologie comparativă, 2009, 513:532-541.

Dobbing, J și Sands, J. creșterea cantitativă și dezvoltarea creierului uman. Arch Dis Copil. 1973 octombrie; 48 (10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Numărul total de celule neocorticale din creierul mysticete. Anat Rec (Hoboken). 2007 ianuarie; 290 (1):83-95.

Herculano-Houzel, Suzana și Roberto Postul Mare. „Fracționator izotrop: o metodă simplă și rapidă pentru cuantificarea numărului total de celule și neuroni din creier.”Journal of Neuroscience, 2005, 25(10): 2518-2521.

Hilgetag, Claus și Helen Barbas. „Există de zece ori mai multă glie decât neuronii în creier?”Funcția Structurii Creierului, 2009, 213:365-366.

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. Principiile științei neuronale, ediția a 4-a. McGraw-Hill, New York.

Pakkenberg, B. și Gundersen, H. J. G. (1988), numărul Total de neuroni și celule gliale din nucleele creierului uman estimate de disector și fracționator. Jurnalul de microscopie, 150: 1-20. doi: 10.1111 / j. 1365-2818.1988.tb04582.x

Neurocriticul. Fapt sau ficțiune? Există de zece ori mai multe glii decât neuronii din creier. 27 septembrie 2009.