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第四章：大腦中神經膠質細胞與神經元的比例是多少？
作者：Daisy Yuhas 和 Ferris Jabr
上次在“瞭解你的神經元”系列中，我們討論了神經膠質細胞——它是大腦和神經系統中與神經元並列的兩種主要細胞型別之一。我們寫道，神經膠質細胞“數量超過神經元多達 50 比 1”，這與埃裡克·坎德爾廣泛使用的教科書《神經科學原理》的說法相呼應，該書指出：“神經膠質細胞的數量遠遠超過神經元——在脊椎動物的中樞神經系統中，神經膠質細胞的數量是神經元的 10 到 50 倍。”其他教科書，包括馬克·貝爾的《神經科學——探索大腦》，以及許多大眾媒體的文章也提出了類似的說法。
《自然》雜誌的資深編輯 Noah Gray (@noahWG) 和神經科學家出身的自由撰稿人 Mo Costandi (@mocost) 在 Twitter 上回復了我們的帖子，他們引用了最新的證據，表明 10:1 的神經膠質細胞與神經元比例是一個神話，而人類和其他靈長類動物大腦中的比例更接近 1:1。我們決定進一步調查。
在查閱研究文獻後，我們沒有找到任何已發表的研究直接支援整個人腦中 10:1 的神經膠質細胞與神經元比例。如果有人知道這樣的研究，請在評論區引用。我們發現許多早在 20 世紀 50 年代的研究就已確定人類和其他靈長類動物大腦中的比例更接近 1:1，儘管這些研究大多隻關注脊椎動物大腦錯綜複雜的外層，即皮層，它可能與大腦其他部分的神經膠質細胞與神經元比例不同。關於 1:1 比例的最有力的證據來自神經生理學家 Suzana Herculano-Houzel 及其同事在 2009 年進行的一項研究，他們發明了一種新的、高效的細胞計數方法，並將其應用於四個人類完整大腦。
然而，一些研究人員不會完全接受這種新方法，除非 Herculano-Houzel 將其與更傳統的細胞計數技術進行直接比較。一些研究神經膠質細胞的科學家也不願意承認，這些曾經被忽視的細胞可能並不佔多數。即使 Herculano-Houzel 的方法在某種程度上將比例偏差得太接近 1:1，但總體證據當然不支援任何接近 10:1 的比例。儘管存在這種差異，但一些教科書可能仍會繼續將 10:1 的比例吹捧為無可爭議的事實。斯坦福大學的 Ben Barres 正在為即將出版的坎德爾教科書編寫關於神經膠質細胞的章節。儘管他堅持認為，在已發表的研究中，沒有人嚴格確定神經膠質細胞與神經元的比例，但他確信神經膠質細胞至少佔人腦細胞的 80%——這是他根據對發育中大腦 DNA 水平變化的計算得出的結論。
可用的證據
自 20 世紀 50 年代以來，科學家們一直試圖估算人腦中神經元和神經膠質細胞的相對數量。他們很快就遇到了困難。
最嚴謹的方法是將新鮮或儲存的大腦不同區域切成薄片，類似於腦火腿，然後在顯微鏡下計數每片中的細胞，並將細胞計數乘以大腦總體積。這個過程相當簡單，但在整個大腦上進行卻非常耗時——即使計算機和機器可以輔助計數——這也解釋了為什麼這麼多研究只關注大腦的某個區域。
然而，早期研究人員意識到，神經膠質細胞與神經元的比例因大腦區域而異，有時差異很大。例如，一些早期研究發現皮層中神經膠質細胞與神經元的比例約為 1:1，但 1988 年的一項研究發現丘腦（大腦中部附近一對多功能的核桃大小的隆起物）中神經膠質細胞與神經元的比例為 17:1。更復雜的是，神經膠質細胞與神經元的比例因物種而異。因此，計算一塊大鼠腦組織中神經膠質細胞和神經元的數量並不能準確估算出整個大鼠大腦的比例，也未必與人類大腦可比區域的比例相符。從 20 世紀 50 年代開始的大量細胞計數研究得出結論，靈長類動物皮層中神經膠質細胞與神經元的比例在 0.5:1 到 2:1 之間。據我們所知，這些研究都沒有估算出皮層或整個大腦的神經膠質細胞與神經元的比例為 10:1。
如果沒有已發表的證據直接支援 10:1 的神經膠質細胞與神經元比例，那麼它怎麼會出現在這麼多教科書中？這種觀念最初又是從哪裡來的？漢堡-埃彭多夫大學醫學中心的 Claus Hilgetag 說：“不可能找到原始來源”，他一直在徒勞地尋找他認為是長期流傳的神話的依據。他的同事 Hugues Berry 隱約記得，10:1 的比例最初是學術會議上的一次演講中被錯誤記憶的細節。如果是這樣，這肯定不是人們第一次將一個違反直覺的統計資料當作事實來接受。
在 《大腦結構與功能》專欄中，Hilgetag 和波士頓大學的 Helen Barbas 回顧了關於大腦神經膠質細胞與神經元比例的相關證據，重點介紹了巴西里約熱內盧聯邦大學生物醫學科學研究所的神經生理學家 Suzana Herculano-Houzel 的研究。她開發了一種獨特的、快速的方法來計數整個大腦中的所有細胞。
Herculano-Houzel 的技術將完整的大腦轉化為細胞核的“湯”——包含細胞 DNA 的小囊。她的方法背後的想法是，每個腦細胞只包含一個細胞核；因此，大腦中細胞核的總數與腦細胞的總數相符。首先，Herculano-Houzel 將整個大腦切成感興趣的區域——例如小腦和大腦皮層——然後在一種玻璃研缽和研杵中手工研磨所有組織。將組織溶解在鹽水洗滌劑中，形成一種溶液，其中神經元和神經膠質細胞的細胞核都可以自由漂浮。用熒光蛋白標記細胞核內的 DNA，使所有細胞核在紫外 (UV) 光下發出藍色熒光。Herculano-Houzel 測量這些發光細胞核的密度，並將該數字乘以溶液的體積，以確定細胞核的總數，這應該與該大腦區域的細胞總數相對應。接下來，她新增一種名為 anti-NeuN 的抗體，該抗體與大多數神經元細胞核上的蛋白質結合，但不與任何神經膠質細胞核結合。另一種熒光抗體附著在 anti-NeuN 上，使神經元細胞核在紫外光下發出綠色熒光。在劇烈搖動溶液以均勻分佈神經元和神經膠質細胞的細胞核後，Herculano-Houzel 取出溶液的幾個樣本，在顯微鏡下計數每個樣本中發出綠色熒光的細胞核，並計算溶液中神經元細胞核的總數，這應該等於該大腦區域的神經元總數。從細胞核總數中減去該數字，就可以知道該大腦區域包含多少神經膠質細胞。
Herculano-Houzel 及其同事使用這種技術分析了四名已故男性的腦組織，並在 2009 年發表了他們的結果：他們一致發現整個人腦的神經膠質細胞與神經元比例幾乎正好是 1:1。具體來說，他們發現人腦包含約 1706.8 億個細胞，其中 861 億個是神經元，846 億個是神經膠質細胞。他們的研究還表明，神經膠質細胞與神經元的比例在不同的大腦區域之間差異很大。大腦皮層中有 608.4 億個細胞是神經膠質細胞，而只有 163.4 億個細胞是神經元，使這個大區域的神經膠質細胞與神經元比例約為 3.76:1。小腦的情況則相反，小腦是大腦中進化歷史悠久的部分，位於腦幹之上。根據 Herculano-Houzel 的研究，小腦包含 690.3 億個神經元，只有 160.4 億個神經膠質細胞，這意味著該區域每 1 個神經膠質細胞約有 4.3 個神經元。
更深入地分析，她的研究統計出皮層灰質中有 61.8 億個神經元和 86.8 億個神經膠質細胞，而白質中有 12.9 億個神經元和 198.8 億個神經膠質細胞。灰質主要由神經元的無髓鞘部分組成——即未被神經膠質細胞包裹的神經元——而白質由包裹在絕緣少突膠質細胞中的軸突組成。這些結果可能解釋了為什麼許多早期只對皮層灰質進行取樣的計數研究發現神經膠質細胞與神經元的比例約為 1:1 或略高。總體而言，大腦皮層——包括灰質和白質——包含的神經膠質細胞遠多於神經元，但其最外層的灰質則更為平衡。小腦中驚人的神經元密度平衡了整個大腦中神經膠質細胞與神經元的比例。
當 Herculano-Houzel 在 2005 年首次發表她的創新技術時，主要的反對意見是她沒有將其與更典型的立體學方法進行直接比較，在立體學方法中，細胞是在腦組織切片中計數的。然而，當她對完整大腦的結果與之前立體學研究中不同大腦區域的計數結果相符時，Herculano-Houzel 說大多數批評者都退縮了。一些研究人員仍然擔心研磨和溶解大腦會破壞大量細胞核。然而，Herculano 解釋說，她使用的鹽水洗滌劑 (Triton X-100) 會破壞脂肪組織（如細胞膜），但會保留富含蛋白質的核膜。此外，她說，在研磨前將腦組織固定在甲醛中會加強蛋白質之間的鍵，使其特別難以斷裂。其他研究人員表示，他們對一種尚未在單個研究小組以外廣泛使用的方法持謹慎態度。然而，到目前為止，美國、歐洲和亞洲至少有七個不同的研究團隊使用了 Herculano-Houzel 的方法。
重寫教科書？
斯坦福大學的神經生物學家 Ben Barres 說，他從未相信廣為流傳的 10:1 神經膠質細胞與神經元比例——直到他自己研究了這個問題。現在，他確信神經膠質細胞至少佔人腦細胞的 80%。以下是他的主要理由。
人腦包含有限數量的細胞，每個細胞都含有相同數量的 DNA（約 6.5 皮克）。發育中的人腦在妊娠的前三個月內產生大部分神經元，但神經膠質細胞的數量直到出生後幾年才停止增長。Barres 推斷，透過比較 20 周大的人腦中的 DNA 總量與嬰兒大腦中的 DNA 總量，可以計算出神經膠質細胞與神經元的比例。Barres 發現 1973 年發表的一項研究，該研究分析了 139 個人腦中的 DNA 水平，這些人的年齡從 10 周到 7 歲不等。前腦（不包括小腦）在第 20 周時包含約 0.25 毫摩爾的 DNA，並在兩歲左右達到峰值，約為 2 毫摩爾的 DNA。根據這些數字——並考慮到血管細胞的 DNA——Barres 得出結論，神經膠質細胞數量的增長解釋了前腦 DNA 總量的增加，因此神經膠質細胞至少佔人腦細胞的 80%。
儘管 Barres 對他自己未發表的計算結果充滿信心——並打算在最新版的《神經科學原理》中寫到神經膠質細胞的數量遠遠超過神經元——但他認為，沒有人進行過那種能夠最終徹底解答神經膠質細胞與神經元比例問題的嚴謹研究。Barres 設想了一項研究，研究人員在切開大腦並在每個部分中仔細計數細胞之前，先用幾乎所有已知的神經元和神經膠質細胞標記物對整個人腦進行染色——確保儘可能多地捕獲不同型別的細胞。他說，所有必要的工具都已具備。這只是一個資助專案和抽出時間進行所有計數的問題。
誰在意？
假設科學家們確切地計算出大腦包含多少神經膠質細胞和神經元，並且每個人都認同這些數字——這將實現什麼？為什麼這很重要？
一些科學家認為，神經膠質細胞與神經元的比例是關於大腦最不重要的問題之一。他們認為，科學家應該關注腦細胞的行為方式。其他科學家指出，衰老以及許多神經系統疾病都涉及腦細胞的喪失。瞭解究竟哪些腦細胞死亡，哪些存活下來，可能會促進新療法的開發。一些生物學家和神經科學家也非常感興趣神經膠質細胞與神經元的比例是否在進化過程中發生了變化，例如，大腦較大的動物——或大腦相對於身體尺寸較大的動物——是否具有異常高或低的神經膠質細胞數量。在 2007 年的一項研究中，科學家們切開了五個小鬚鯨的大腦，藉助計算機計數細胞，發現 128 億個神經元被 982 億個神經膠質細胞包圍。然而，該研究不包括小腦，根據 Herculano-Houzel 的研究，小腦包含哺乳動物大腦的大部分神經元。
許多研究人員認為，神經膠質細胞值得更多關注，部分原因是它們數量眾多。但數量多並不等同於重要性。科學家不再需要依賴所謂的 10:1 比例來證明神經膠質細胞研究的合理性。神經膠質細胞之所以引人入勝和重要，是因為它們結構多樣、功能多樣，並且即使它們自身無法釋放電脈衝，它們也可以改變放電神經元的行為。它們引導早期大腦發育，並在人的一生中保持其他腦細胞的健康。神經膠質細胞不僅僅是結構填充物，而且——正如它們的名稱的由來（希臘語意為膠水）所暗示的那樣——它們有助於將事物粘合在一起。無論神經膠質細胞與神經元的真實比例是多少，科學家們都已經表明，在功能上，神經膠質細胞是大腦的另一半。
參考文獻
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神經評論家. 事實還是虛構？ 大腦中神經膠質細胞的數量是神經元的十倍. 2009年9月27日。