Känn dina neuroner: Vad är förhållandet mellan Glia och neuroner i hjärnan?

tidigare på Känn dina neuroner:

Kapitel 1: upptäckten och namngivningen av neuronen

Kapitel 2: Hur man klassificerar olika typer av neuroner

Kapitel 3: Möt Glia

Kapitel 4: Vad är förhållandet mellan Glia och neuroner i hjärnan?

av Daisy Yuhas och Ferris Jabr

förra gången på Know Your Neurons pratade vi om glia—en av två huvudtyper av celler i hjärnan och nervsystemet tillsammans med neuroner. Glia ”överträffar neuroner med så mycket som 50 till en”, skrev vi och ekade Eric Kandels allmänt använda lärobok, The Principles of Neural Science, som säger: ”gliaceller överträffar långt neuroner—det finns mellan 10 och 50 gånger mer glia än neuroner i centrala nervsystemet hos ryggradsdjur.”Andra läroböcker, inklusive Mark Bears Neuroscience-Exploring the Brain, gör liknande påståenden, liksom många artiklar i den populära pressen.

Noah Gray (@noahWG), en seniorredaktör på Nature, och Mo Costandi (@mocost), en neurovetenskapsman som blev frilansskribent, svarade på vårt inlägg på Twitter och citerade nyligen bevis på att 10:1 glia till neuronförhållandet är en myt och att förhållandet i mänskliga och andra primathjärnor är mycket närmare 1:1. Vi bestämde oss för att undersöka ytterligare.

efter att ha kartlagt forskningslitteraturen hittade vi inte en enda publicerad studie som direkt stöder ett 10:1 glia till neuronförhållande i hela människans hjärna. Om någon känner till en sådan studie, vänligen citera den i kommentarfältet. Vi hittade många studier från så tidigt som på 1950-talet som bosatte sig på ett förhållande mycket närmare 1:1 i hjärnan hos människor och andra primater, även om de flesta av dessa studier fokuserade enbart på det invecklade rynkade yttre skiktet i ryggradshjärnan, känd som cortex, som förmodligen inte har samma glia till neuronförhållande som resten av hjärnan. Det mest övertygande beviset för ett 1: 1-förhållande kommer från en studie från 2009 av neurofysiologen Suzana Herculano-Houzel och hennes kollegor, som uppfann ett nytt, mycket effektivt sätt att räkna celler och applicerade det på fyra hela mänskliga hjärnor.

vissa forskare kommer dock inte helt att acceptera den nya metoden förrän Herculano-Houzel direkt jämför den med mer traditionella cellräkningstekniker. Och vissa forskare som studerar glia är ovilliga att erkänna att dessa en gång förbisedda celler kanske inte utgör majoriteten. Även om Herculano-Houzels metod på något sätt snedvrider förhållandet för nära 1:1, bevisen som helhet stöder verkligen inte något nära ett 10: 1-förhållande. Trots denna skillnad kommer vissa läroböcker sannolikt att fortsätta att tout 10: 1-förhållandet som obestridligt faktum. Ben Barres från Stanford University skriver avsnitten om glia i den kommande upplagan av kandels lärobok. Även om han hävdar att ingen noggrant har bestämt glia till neuronförhållandet i publicerad forskning, är han övertygad om att glia utgör minst 80 procent av cellerna i den mänskliga hjärnan—en slutsats som han nådde baserat på beräkningar om förändrade nivåer av DNA i den utvecklande hjärnan.

tillgängliga bevis

sedan åtminstone 1950-talet har forskare försökt uppskatta det relativa antalet neuroner och gliaceller i den mänskliga hjärnan. De stötte på svårigheter direkt.

den mest rigorösa metoden innebär att skära upp olika regioner i en färsk eller konserverad hjärna i tunna ark av hjärnprosciutto, räkna celler i varje ark under ett mikroskop och multiplicera cellantal med total hjärnvolym. Processen är ganska enkel men att utföra den på en hel hjärna tar mycket tid—även när datorer och maskiner hjälper till med räkningen—vilket förklarar varför så många studier fokuserar på endast en region i hjärnan.

tidigt insåg dock forskare att förhållandet mellan glia och neuroner varierar från en hjärnregion till en annan, ibland dramatiskt. Flera tidiga studier fann ett glia till neuronförhållande på cirka 1:1 i cortex, till exempel, men en 1988-studie fann ett glia till neuronförhållande på 17 till 1 i thalamus, ett mångsidigt par valnötstora knoppar nära mitten av hjärnan. Ytterligare komplicerande saker skiljer sig glia till neuronförhållandet från art till Art. Så att räkna antalet glia och neuroner i en bit av råtthjärnvävnad ger dig inte en exakt uppskattning av förhållandet för hela råtthjärnan, och det matchar inte nödvändigtvis förhållandet i en jämförbar region i den mänskliga hjärnan. Många cellräkningsstudier från 1950-talet och framåt drog slutsatsen att glia-neuronförhållandet i primatbarken varierade från 0,5:1 till 2:1. Såvitt vi kan berätta uppskattade ingen av dessa studier ett 10:1 glia till neuronförhållande för varken cortex eller hela hjärnan.

om inga publicerade bevis direkt stöder 10: 1 glia till neuronförhållandet, hur hamnade det i så många läroböcker? Och var kom begreppet ifrån i första hand? ”Det är omöjligt att hitta den ursprungliga källan”, säger Claus Hilgetag från University Medical Center Hamburg-Eppendorf, som förgäves har sökt efter grunden för vad han tycker är en långvarig myt. En av hans kollegor, Hugues Berry, minns vagt att lära sig att 10: 1-förhållandet har sitt ursprung som en felaktig detalj i en presentation vid en akademisk konferens. Om så är fallet skulle det verkligen inte vara första gången som människor har antagit en kontraintuitiv statistik som faktum.

i en hjärnstruktur och funktionskolumn som granskar relevanta bevis på hjärnans glia till neuronförhållande, lyfter Hilgetag och Helen Barbas från Boston University fram forskningen av neurofysiologen Suzana Herculano-Houzel från Instituto de ci Askorbncias biom Jacobdicas/Federal University of Rio De Janeiro, Brasilien. Hon har utvecklat en unik, snabb metod för att räkna alla celler i en hel hjärna.

Herculano-Houzels teknik förvandlar en intakt hjärna till en soppa av kärnor—små säckar som innehåller cellernas DNA. Tanken bakom hennes metod är att varje hjärncell innehåller exakt en kärna; därför matchar det totala antalet kärnor i en hjärna det totala antalet hjärnceller. Först, Herculano-Houzel skivor upp en hel hjärna i regioner av intresse—såsom lillhjärnan och hjärnbarken—och maler upp all vävnad för hand i ett slags glas mortel och mortelstöt. Upplösning av vävnaden i saltlösning skapar en lösning där kärnorna i både neuroner och glia flyter fritt. Märkning av DNA inuti kärnorna med fluorescerande proteiner gör att alla kärnor lyser blått under ultraviolett (UV) ljus. Herculano-Houzel mäter densiteten hos dessa glödande kärnor och multiplicerar det antalet med lösningens volym för att bestämma det totala antalet kärnor, vilket bör motsvara det totala antalet celler i den hjärnregionen. Därefter lägger hon till en antikropp som kallas anti-NeuN som binder till proteiner på de flesta neuronala kärnor, men binder inte till några glialkärnor. En annan fluorescerande antikropp fäster vid anti-NeuN, vilket gör att kärnor från neuroner lyser grönt under UV-ljus. Efter kraftig skakning av lösningen för att jämnt fördela kärnor från neuroner och glia tar Herculano-Houzel flera prover av soppan, räknar de fluorescerande gröna kärnorna i varje prov under mikroskopet och beräknar det totala antalet neuronkärnor i lösningen, vilket borde motsvara det totala antalet neuroner i den hjärnregionen. Att subtrahera det numret från det totala antalet kärnor berättar för henne hur många gliaceller den delen av hjärnan innehöll.

Herculano-Houzel och hennes kollegor använde denna teknik för att analysera hjärnorna hos fyra avlidna män och publicerade sina resultat 2009: de hittade konsekvent en hel mänsklig hjärna glia till neuronförhållande på nästan exakt 1:1. Specifikt fann de att den mänskliga hjärnan innehåller cirka 170, 68 miljarder celler, varav 86, 1 miljarder är neuroner och 84, 6 miljarder är gliaceller. Deras studie tyder också på att förhållandet mellan glia och neuroner skiljer sig dramatiskt från en allmän hjärnregion till nästa. 60,84 miljarder celler i hjärnbarken är glia, medan endast 16.34 miljarder celler är neuroner, vilket ger denna stora region ett glia till neuronförhållande på cirka 3,76 till 1. Det är det omvända i lillhjärnan, en evolutionärt gammal del av hjärnan som sitter grensle hjärnstammen. Enligt Herculano-Houzels studie innehåller cerebellum 69,03 miljarder neuroner och endast 16,04 gliaceller, vilket innebär att det finns cirka 4,3 neuroner för varje glia i denna region.

zooma in ytterligare räknade hennes studie 6, 18 miljarder neuroner och 8, 68 miljarder glia i cortexens grå substans, mot 1, 29 miljarder neuroner och 19, 88 miljarder glia i den vita substansen. Grå materia består till stor del av de omyeliniserade delarna av neuroner—neuroner som inte är mantlade av gliaceller—medan vit materia består av axoner inslagna i isolerande oligodendrocyter. Dessa resultat kan förklara varför så många tidiga räkningsstudier att endast samplade kortikal grå substans fann ett ungefär 1:1 eller något högre glia till neuronförhållande. Sammantaget innehåller hjärnbarken-inklusive både grå och vit materia—mycket mer glia än neuroner, men dess yttersta gråskikt är mer balanserat. Och cerebellumets otroliga täthet av neuroner balanserar ut glia till neuronration genom hela hjärnan.

när Herculano-Houzel först publicerade sin innovativa teknik 2005 var den huvudsakliga invändningen att hon inte direkt hade jämfört den med mer typiska stereologiska metoder, där celler räknas i skivor hjärnvävnad. När hennes resultat med hela hjärnor matchade räkningar från olika hjärnregioner i tidigare stereologiska studier, säger Herculano-Houzel att de flesta kritiker backade. Vissa forskare är fortfarande oroade över att slipning och upplösning av hjärnan förstör ett betydande antal kärnor. Herculano förklarar emellertid att saltlösningsmedlet hon använder (Triton X-100) förstör fettvävnader, som cellmembran, men bevarar det proteinrika kärnmembranet. Dessutom säger hon att fixering av hjärnvävnad i formaldehyd före slipning stärker bindningarna mellan proteiner, vilket gör dem särskilt svåra att bryta. Andra forskare säger att de tvekar att lita på en metod som inte har använts i stor utsträckning utanför en enda forskargrupp. Hittills har dock minst sju olika forskargrupper i USA, Europa och Asien utnyttjat Herculano-Houzels metod.

skriva om läroböckerna?

Neurobiologen Ben Barres från Stanford University säger att han aldrig trodde på det allmänt papegojade 10:1 glia till neuronförhållandet—tills han själv tittade på saken. Nu är han säker på att glia utgör minst 80 procent av cellerna i den mänskliga hjärnan. Här är hans huvudsakliga resonemang.

den mänskliga hjärnan innehåller ett begränsat antal celler, som var och en har samma mängd DNA (cirka 6,5 pikogram). Den utvecklande mänskliga hjärnan producerar de flesta av sina neuroner inom graviditetens första trimester, men glia slutar inte växa i antal förrän några år efter födseln. Genom att jämföra den totala mängden DNA i en 20 veckor gammal mänsklig hjärna med den totala mängden DNA i ett spädbarns hjärna, motiverade Barres, kunde man räkna ut glia till neuronförhållandet. Barres fann en studie publicerad 1973 som analyserade DNA-nivåer i 139 mänskliga hjärnor i ålder från 10 veckor till sju år. Förbenen (som inte inkluderar cerebellum) innehöll cirka 0.25 millimol DNA vid vecka 20 och nådde en topp på cirka 2 millimol DNA vid två års ålder. Baserat på dessa siffror—och redovisning av DNA från blodkärlsceller—drar Barres slutsatsen att växande antal glia förklarar ökningen av totalt DNA i framhjärnan och att glia därför utgör minst 80 procent av cellerna i den mänskliga hjärnan.

även om Barres är säker på sina egna opublicerade beräkningar—och avser att skriva att glia långt överträffar neuroner i den senaste upplagan av principerna för Neural Science—hävdar han att ingen har genomfört den typ av rigorös studie som definitivt skulle svara på frågan om glia till neuronförhållandet en gång för alla. Barres föreställer sig en studie där forskare fläckar hela mänskliga hjärnor med nästan alla kända markörer för både neuroner och glia—se till att fånga så många av de olika celltyperna som möjligt—innan de skär upp hjärnorna och noggrant räknar cellerna i varje sektion. Han säger att alla nödvändiga verktyg finns tillgängliga. Det handlar bara om att finansiera projektet och hitta tid för allt som räknas.

Vem Bryr Sig?

låt oss säga att forskare räknar ut exakt hur många glia och neuroner hjärnan innehåller och alla är överens om siffrorna—vad kommer det att uppnå? Varför spelar det någon roll?

vissa forskare tror att glia till neuronförhållandet bara handlar om en av de minst viktiga frågorna du kan ställa om hjärnan. Istället argumenterar de, forskare bör fokusera på hur hjärnceller beter sig. Andra forskare påpekar att åldrande, liksom många neurologiska sjukdomar, innebär förlust av hjärnceller. Att förstå exakt vilka hjärnceller som dör och vilka som överlever kan stimulera utvecklingen av nya behandlingar. Vissa biologer och neurovetenskapsmän är också mycket intresserade av huruvida glia till neuronförhållandet har förändrats under utvecklingen och om till exempel djur med stora hjärnor—eller hjärnor som är stora för sin kroppsstorlek—har ovanligt högt eller lågt antal glia. I en studie från 2007 skivade forskare upp fem vågehvalhjärnor, räknade cellerna med hjälp av datorer och hittade 12,8 miljarder neuroner omgivna av 98,2 miljarder glia. Studien inkluderade emellertid inte cerebellum, som innehåller de flesta av däggdjurshjärnens neuroner enligt Herculano-Houzels arbete.

många forskare har hävdat att glia förtjänar mer uppmärksamhet delvis för att de är så många. Men prevalens motsvarar inte betydelse. Forskare behöver inte längre bero på det påstådda 10:1-förhållandet för att motivera glia-forskning. Gliaceller är fascinerande och viktiga på grund av deras strukturella mångfald, funktionella mångsidighet och det faktum att de kan förändra beteendet hos att skjuta neuroner även om de inte kan ladda ut egna elektriska impulser. De styr tidig hjärnutveckling och håller sina hjärnceller friska under hela livet. Glia är inte bara strukturellt fyllmedel, men—som ursprunget till deras namn antyder (grekiska för lim)—de hjälper till att hålla saker ihop. Oavsett det sanna glia till neuronförhållandet har forskare redan visat att glia är funktionellt hjärnans andra hälft.

Azevedo, Frederico A. C. , Ludmila R. B. Carvalho, Lea T. Gribergb, Josabbioli Marcelo Farfel, Renata E. L. Ferretti, Renata E. P. Leite, Wilson Jacob Filho, Roberto fastan och Suzana Herculano-Houzel. ”Lika många neuronala och icke-neuronala celler gör den mänskliga hjärnan till en isometriskt uppskalad Primathjärna.”Journal of Comparative Neurology, 2009, 513:532-541.

Dobbing, J och Sands, J. kvantitativ tillväxt och utveckling av människans hjärna. Arch Dis Barn. 1973 oktober; 48 (10): 757-767.

Eriksen N, Pakkenberg B. Totalt neokortikalt cellnummer i mysticete hjärnan. Anat Rec (Hoboken). 2007 januari; 290 (1):83-95.

Herculano-Houzel, Suzana och Roberto fastan. ”Isotropisk Fraktionator: en enkel, snabb metod för kvantifiering av totala Cell-och Neuronnummer i hjärnan.”Journal of Neuroscience, 2005, 25(10): 2518-2521.

Hilgetag, Claus och Helen Barbas. ”Finns det tio gånger mer glia än neuroner i hjärnan?”Hjärnstrukturfunktion, 2009, 213:365-366.

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. Principer för Neural vetenskap, 4: e upplagan. McGraw-Hill, New York.

Pakkenberg, B. Och Gundersen, H. J. G. (1988), Totalt antal neuroner och gliaceller i mänskliga hjärnkärnor uppskattade av disektorn och fraktionatorn. Journal of Microscopy, 150: 1-20. doi: 10.1111 / j. 1365-2818. 1988.tb04582.x

den Neurokritiska. Fakta eller fiktion? Det finns tio gånger mer glia än neuroner i hjärnan. 27 september 2009.