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第四章：大脑中神经胶质细胞与神经元的比例是多少？
作者：Daisy Yuhas 和 Ferris Jabr
上次在“了解你的神经元”系列中，我们讨论了神经胶质细胞——它是大脑和神经系统中与神经元并列的两种主要细胞类型之一。我们写道，神经胶质细胞“数量超过神经元多达 50 比 1”，这与埃里克·坎德尔广泛使用的教科书《神经科学原理》的说法相呼应，该书指出：“神经胶质细胞的数量远远超过神经元——在脊椎动物的中枢神经系统中，神经胶质细胞的数量是神经元的 10 到 50 倍。”其他教科书，包括马克·贝尔的《神经科学——探索大脑》，以及许多大众媒体的文章也提出了类似的说法。
《自然》杂志的资深编辑 Noah Gray (@noahWG) 和神经科学家出身的自由撰稿人 Mo Costandi (@mocost) 在 Twitter 上回复了我们的帖子，他们引用了最新的证据，表明 10:1 的神经胶质细胞与神经元比例是一个神话，而人类和其他灵长类动物大脑中的比例更接近 1:1。我们决定进一步调查。
在查阅研究文献后，我们没有找到任何已发表的研究直接支持整个人脑中 10:1 的神经胶质细胞与神经元比例。如果有人知道这样的研究，请在评论区引用。我们发现许多早在 20 世纪 50 年代的研究就已确定人类和其他灵长类动物大脑中的比例更接近 1:1，尽管这些研究大多只关注脊椎动物大脑错综复杂的外层，即皮层，它可能与大脑其他部分的神经胶质细胞与神经元比例不同。关于 1:1 比例的最有力的证据来自神经生理学家 Suzana Herculano-Houzel 及其同事在 2009 年进行的一项研究，他们发明了一种新的、高效的细胞计数方法，并将其应用于四个人类完整大脑。
然而，一些研究人员不会完全接受这种新方法，除非 Herculano-Houzel 将其与更传统的细胞计数技术进行直接比较。一些研究神经胶质细胞的科学家也不愿意承认，这些曾经被忽视的细胞可能并不占多数。即使 Herculano-Houzel 的方法在某种程度上将比例偏差得太接近 1:1，但总体证据当然不支持任何接近 10:1 的比例。尽管存在这种差异，但一些教科书可能仍会继续将 10:1 的比例吹捧为无可争议的事实。斯坦福大学的 Ben Barres 正在为即将出版的坎德尔教科书编写关于神经胶质细胞的章节。尽管他坚持认为，在已发表的研究中，没有人严格确定神经胶质细胞与神经元的比例，但他确信神经胶质细胞至少占人脑细胞的 80%——这是他根据对发育中大脑 DNA 水平变化的计算得出的结论。
可用的证据
自 20 世纪 50 年代以来，科学家们一直试图估算人脑中神经元和神经胶质细胞的相对数量。他们很快就遇到了困难。
最严谨的方法是将新鲜或保存的大脑不同区域切成薄片，类似于脑火腿，然后在显微镜下计数每片中的细胞，并将细胞计数乘以大脑总体积。这个过程相当简单，但在整个大脑上进行却非常耗时——即使计算机和机器可以辅助计数——这也解释了为什么这么多研究只关注大脑的某个区域。
然而，早期研究人员意识到，神经胶质细胞与神经元的比例因大脑区域而异，有时差异很大。例如，一些早期研究发现皮层中神经胶质细胞与神经元的比例约为 1:1，但 1988 年的一项研究发现丘脑（大脑中部附近一对多功能的核桃大小的隆起物）中神经胶质细胞与神经元的比例为 17:1。更复杂的是，神经胶质细胞与神经元的比例因物种而异。因此，计算一块大鼠脑组织中神经胶质细胞和神经元的数量并不能准确估算出整个大鼠大脑的比例，也未必与人类大脑可比区域的比例相符。从 20 世纪 50 年代开始的大量细胞计数研究得出结论，灵长类动物皮层中神经胶质细胞与神经元的比例在 0.5:1 到 2:1 之间。据我们所知，这些研究都没有估算出皮层或整个大脑的神经胶质细胞与神经元的比例为 10:1。
如果没有已发表的证据直接支持 10:1 的神经胶质细胞与神经元比例，那么它怎么会出现在这么多教科书中？这种观念最初又是从哪里来的？汉堡-埃彭多夫大学医学中心的 Claus Hilgetag 说：“不可能找到原始来源”，他一直在徒劳地寻找他认为是长期流传的神话的依据。他的同事 Hugues Berry 隐约记得，10:1 的比例最初是学术会议上的一次演讲中被错误记忆的细节。如果是这样，这肯定不是人们第一次将一个违反直觉的统计数据当作事实来接受。
在 《大脑结构与功能》专栏中，Hilgetag 和波士顿大学的 Helen Barbas 回顾了关于大脑神经胶质细胞与神经元比例的相关证据，重点介绍了巴西里约热内卢联邦大学生物医学科学研究所的神经生理学家 Suzana Herculano-Houzel 的研究。她开发了一种独特的、快速的方法来计数整个大脑中的所有细胞。
Herculano-Houzel 的技术将完整的大脑转化为细胞核的“汤”——包含细胞 DNA 的小囊。她的方法背后的想法是，每个脑细胞只包含一个细胞核；因此，大脑中细胞核的总数与脑细胞的总数相符。首先，Herculano-Houzel 将整个大脑切成感兴趣的区域——例如小脑和大脑皮层——然后在一种玻璃研钵和研杵中手工研磨所有组织。将组织溶解在盐水洗涤剂中，形成一种溶液，其中神经元和神经胶质细胞的细胞核都可以自由漂浮。用荧光蛋白标记细胞核内的 DNA，使所有细胞核在紫外 (UV) 光下发出蓝色荧光。Herculano-Houzel 测量这些发光细胞核的密度，并将该数字乘以溶液的体积，以确定细胞核的总数，这应该与该大脑区域的细胞总数相对应。接下来，她添加一种名为 anti-NeuN 的抗体，该抗体与大多数神经元细胞核上的蛋白质结合，但不与任何神经胶质细胞核结合。另一种荧光抗体附着在 anti-NeuN 上，使神经元细胞核在紫外光下发出绿色荧光。在剧烈摇动溶液以均匀分布神经元和神经胶质细胞的细胞核后，Herculano-Houzel 取出溶液的几个样本，在显微镜下计数每个样本中发出绿色荧光的细胞核，并计算溶液中神经元细胞核的总数，这应该等于该大脑区域的神经元总数。从细胞核总数中减去该数字，就可以知道该大脑区域包含多少神经胶质细胞。
Herculano-Houzel 及其同事使用这种技术分析了四名已故男性的脑组织，并在 2009 年发表了他们的结果：他们一致发现整个人脑的神经胶质细胞与神经元比例几乎正好是 1:1。具体来说，他们发现人脑包含约 1706.8 亿个细胞，其中 861 亿个是神经元，846 亿个是神经胶质细胞。他们的研究还表明，神经胶质细胞与神经元的比例在不同的大脑区域之间差异很大。大脑皮层中有 608.4 亿个细胞是神经胶质细胞，而只有 163.4 亿个细胞是神经元，使这个大区域的神经胶质细胞与神经元比例约为 3.76:1。小脑的情况则相反，小脑是大脑中进化历史悠久的部分，位于脑干之上。根据 Herculano-Houzel 的研究，小脑包含 690.3 亿个神经元，只有 160.4 亿个神经胶质细胞，这意味着该区域每 1 个神经胶质细胞约有 4.3 个神经元。
更深入地分析，她的研究统计出皮层灰质中有 61.8 亿个神经元和 86.8 亿个神经胶质细胞，而白质中有 12.9 亿个神经元和 198.8 亿个神经胶质细胞。灰质主要由神经元的无髓鞘部分组成——即未被神经胶质细胞包裹的神经元——而白质由包裹在绝缘少突胶质细胞中的轴突组成。这些结果可能解释了为什么许多早期只对皮层灰质进行采样的计数研究发现神经胶质细胞与神经元的比例约为 1:1 或略高。总体而言，大脑皮层——包括灰质和白质——包含的神经胶质细胞远多于神经元，但其最外层的灰质则更为平衡。小脑中惊人的神经元密度平衡了整个大脑中神经胶质细胞与神经元的比例。
当 Herculano-Houzel 在 2005 年首次发表她的创新技术时，主要的反对意见是她没有将其与更典型的立体学方法进行直接比较，在立体学方法中，细胞是在脑组织切片中计数的。然而，当她对完整大脑的结果与之前立体学研究中不同大脑区域的计数结果相符时，Herculano-Houzel 说大多数批评者都退缩了。一些研究人员仍然担心研磨和溶解大脑会破坏大量细胞核。然而，Herculano 解释说，她使用的盐水洗涤剂 (Triton X-100) 会破坏脂肪组织（如细胞膜），但会保留富含蛋白质的核膜。此外，她说，在研磨前将脑组织固定在甲醛中会加强蛋白质之间的键，使其特别难以断裂。其他研究人员表示，他们对一种尚未在单个研究小组以外广泛使用的方法持谨慎态度。然而，到目前为止，美国、欧洲和亚洲至少有七个不同的研究团队使用了 Herculano-Houzel 的方法。
重写教科书？
斯坦福大学的神经生物学家 Ben Barres 说，他从未相信广为流传的 10:1 神经胶质细胞与神经元比例——直到他自己研究了这个问题。现在，他确信神经胶质细胞至少占人脑细胞的 80%。以下是他的主要理由。
人脑包含有限数量的细胞，每个细胞都含有相同数量的 DNA（约 6.5 皮克）。发育中的人脑在妊娠的前三个月内产生大部分神经元，但神经胶质细胞的数量直到出生后几年才停止增长。Barres 推断，通过比较 20 周大的人脑中的 DNA 总量与婴儿大脑中的 DNA 总量，可以计算出神经胶质细胞与神经元的比例。Barres 发现 1973 年发表的一项研究，该研究分析了 139 个人脑中的 DNA 水平，这些人的年龄从 10 周到 7 岁不等。前脑（不包括小脑）在第 20 周时包含约 0.25 毫摩尔的 DNA，并在两岁左右达到峰值，约为 2 毫摩尔的 DNA。根据这些数字——并考虑到血管细胞的 DNA——Barres 得出结论，神经胶质细胞数量的增长解释了前脑 DNA 总量的增加，因此神经胶质细胞至少占人脑细胞的 80%。
尽管 Barres 对他自己未发表的计算结果充满信心——并打算在最新版的《神经科学原理》中写到神经胶质细胞的数量远远超过神经元——但他认为，没有人进行过那种能够最终彻底解答神经胶质细胞与神经元比例问题的严谨研究。Barres 设想了一项研究，研究人员在切开大脑并在每个部分中仔细计数细胞之前，先用几乎所有已知的神经元和神经胶质细胞标记物对整个人脑进行染色——确保尽可能多地捕获不同类型的细胞。他说，所有必要的工具都已具备。这只是一个资助项目和抽出时间进行所有计数的问题。
谁在意？
假设科学家们确切地计算出大脑包含多少神经胶质细胞和神经元，并且每个人都认同这些数字——这将实现什么？为什么这很重要？
一些科学家认为，神经胶质细胞与神经元的比例是关于大脑最不重要的问题之一。他们认为，科学家应该关注脑细胞的行为方式。其他科学家指出，衰老以及许多神经系统疾病都涉及脑细胞的丧失。了解究竟哪些脑细胞死亡，哪些存活下来，可能会促进新疗法的开发。一些生物学家和神经科学家也非常感兴趣神经胶质细胞与神经元的比例是否在进化过程中发生了变化，例如，大脑较大的动物——或大脑相对于身体尺寸较大的动物——是否具有异常高或低的神经胶质细胞数量。在 2007 年的一项研究中，科学家们切开了五个小须鲸的大脑，借助计算机计数细胞，发现 128 亿个神经元被 982 亿个神经胶质细胞包围。然而，该研究不包括小脑，根据 Herculano-Houzel 的研究，小脑包含哺乳动物大脑的大部分神经元。
许多研究人员认为，神经胶质细胞值得更多关注，部分原因是它们数量众多。但数量多并不等同于重要性。科学家不再需要依赖所谓的 10:1 比例来证明神经胶质细胞研究的合理性。神经胶质细胞之所以引人入胜和重要，是因为它们结构多样、功能多样，并且即使它们自身无法释放电脉冲，它们也可以改变放电神经元的行为。它们引导早期大脑发育，并在人的一生中保持其他脑细胞的健康。神经胶质细胞不仅仅是结构填充物，而且——正如它们的名称的由来（希腊语意为胶水）所暗示的那样——它们有助于将事物粘合在一起。无论神经胶质细胞与神经元的真实比例是多少，科学家们都已经表明，在功能上，神经胶质细胞是大脑的另一半。
参考文献
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神经评论家. 事实还是虚构？ 大脑中神经胶质细胞的数量是神经元的十倍. 2009年9月27日。