Idegi Sejtdifferenciáció II. - MTA KOKIkornyei/Glia_eloadasok_2016_osz/01_A glia_tortenete... ·...

Idegi Sejtdifferenciáció II.

azaz

GLIA sejtbiológia, fiziológia, patofiziológia

2016/17. 1. félév

Dr Környei Zsuzsanna

MTA KOKI

Neuroimmunológia Kutatócsoport

Előadások itt (folyamatosan frissítve): http://www.koki.hu/~kornyei/

„About half the cells in

the human brain are

glia, but we're only

beginning to understand

what they do.”

Ben Barres

Philip Haydon

2014 2014 Gliafarmakológia… első cég

1858, Rudolf Ludwig Karl Virchow (37 évesen) a Berlini

Egyetem Patológiai Intézetében előadássorozatot tartott

13. előadásában (‘Spinal cord and the brain’) említette

meg az „agyi kötőszövetet” („nervenkitt, nerve-

cement”), melyet neurogliának nevezett el

A ‘GLIA’ felfedezése glia glia (görög): ragadós

Virchow gondolatai az előadásaiból készült „Cellular

Pathologie” c. könyvben jelennek meg, 1858-ban. Rudolf

Virchow és Karl Weigert szerint – a neuroglia szerepe csak a

helykitöltés a neuronok között (‘neuroglia holds nervous

elements together and gives the whole its form’)

A gliát Virchow így definiálta „ .. connective substance,

which forms in the brain, in the spinal cord and in the higher

sensory nerves as a sort of nervenkitt (neuroglia), in which

the nervous system elements are embedded”. For Virchow,

glia was a connective tissue devoid of cellular elements.

Neuroglia elnevezés először !

1821–1902, German doctor, anthropologist,

pathologist, prehistorian,

biologist and politician

A ‘GLIA’ felfedezése

1843–1926,

Italian physician, pathologist,

scientist, and Nobel laureate

1873, Camillo Golgi kifejlesztette az ezüst-kromát festést – ez

volt a kezdete a hisztológia forradalmának, hiszen eddig csak

festetlen preparátumokat vizsgáltak. Sokféle gliasejtet írt le.

(Nobel prize: from 1895)

Protoplazmás

asztroglia sejtek a

szürke-

állományban.

Festette és rajzolta:

Golgi; 1883.

Golgi már 1871-ben felismerte, hogy a

gliasejtek az idegsejtektől eltérő sejtes

populációt alkotnak. Megfigyelte, hogy a

gliasejtek nyúlványokat nyújtanak a

vérdeényekhez és azokon végtalpakat

létesítenek. Ő javasolta először, hogy a

gliasejtek metabolikus anyagokat

továbbítanak az erekből az agy-

parenchimába (1875; 1894).

1888-tól, Ramon y Cajal fejlesztette ki az arany-klorid

szublimálásos technikát, ami festette a rostos és plazmás

asztrocitákat (e festés targetje IF, GFAP !)


1852-1934,

Spanish pathologist,

histologist, neuroscientist,

Nobel laureate (1906)

Ramón y Cajal eredeti rajzai

gliasejtekről:

“Neuroglia of the superficial layers of the

cerebrum; child of two months. Method of

Golgi. A, B, [C], D, neuroglial cells of the

plexiform layer; E, F, [G, H, K], R,

neuroglial cells of the second and third

layers; V, blood vessel; I, J, neuroglial

cells with vascular [pedicles].”

Verkhratsky, Butt 2007

Cajal's drawing of Golgi impregnated glia

showing human cortical neuroglial cells.

B, C : Astrocytes in the stratum lucidum of

the human CA1 area of the hippocampus

with particular emphasis on the anatomy

of perivascular astrocytes in the CA1

stratum radiatum.


Verkhratsky A, Parpura V, Rodríguez JJ. 2011


1842-1919, Swedish

physician and anatomist

1877, Gustav Retzius sok glia-típust leírt. Róla nevezték el a

pióca-idegrendszer óriási (mm) Retzius sejtjeit és a Cajal-Retzius

sejteket a cortex-ben.

Humán főtuszok

idegrendszerének

festése ezüst-kromát

technikával

(Retzius, 1894).

Verkhratsky A, Parpura V, Rodríguez JJ. 2011

Gustaf Retzius is one of the

fathers of the pseudoscientific

race theory, "scientific racism",

and one of those who tried to

glorify the "Nordic race" as the

highest race of mankind.

Morfológiai diverzitás

és a gliasejtek túlsúlya

az agyban – ezt látta

Gustaf Retzius.

Két neuront nyíl jelöl.

A gliasejteket ezüst

impregnációs

technikával festette.

The image shows a drawing

from Retzius’ book

Biologische Untersuchungen

(Stockholm: Samson and

Wallin, 1890-1914), Vol. 6

(1894), Plate ii, Figure 5.

(The image was kindly

provided by Professor Helmut

Kettenmann, MDC, Berlin)



Emsley, Macklis 2006

Astroglial

heterogeneity closely

reflects the neuronal-

defined anatomy of

the adult murine CNS.

hGFAP-GFP

2001

Neuronális heterogenitás: Cajal rajzai alapján

Electrofiziológia: 1940’s (voltage clamp) és 1970’s (patch clamp) +

Henry Markham

Lausanne, Svájc, EPFL

supercomputing project that can

model components of the

mammalian brain (first: cortical

columns) to precise cellular detail -

and simulate their activity in 3D

2005 - 2010

rat cortical column

~ 10 000 neuron

(100 000 coloumn)

Morphological Classes of Neocortical Neurons

Henry Markham

PC=pyramidal cell; SSC=spiny stellate cell; LBC=large basket cell; SBC=small basket cell; NBC=nest basket cell;

BTC=bitufted cell; BPC=bipolar cell; e-BPC=excitatory bipolar cell (putative); DBC=double bouquet cell; e-

DBC=excitatory bitufted cell (putative); NGC=neurogliaform cell; MC=Martinotti cell; CRC=Cajal-Retzius cell;

ChC=chandelier cell…

Synaptic Innervation Patters to Determine Precise 3D

Location of all synapses #synapses

LBCPC

SBCPC

NBCPC

BTCPC

15

19

16

11

A

MCPC

9

Axonal branch order Dendritic branch order

Axonal Patterns Dendritic Patterns

Wang et al., Cerebral Cortex, 2004 Henry Markham

Diversity of Electrical Behaviors of Neocortical Neurons

Henry Markham

Soma Targeting INTS LBC_bA D

LBC_bIS

LBC_bNA

LBC_cA D

LBC_cFS

LBC_cST

LBC_c NA

LBC_dFS

LBC_dST

NBC _bNA

NBC _cA D

NBC-bADNBC _cFS

NBC _c NA

NBC _dFS

NBC _dST

NBC-cST

NBC-dAD

NBC-bSTSBC _bNA

SBC _cA D

SBC _cFS

SBC _c NA

SBC _dFS

Axon Targeting INTS ChC _cA D

ChC _cFS

ChC -dNA

Excitatory Neurons SSC _cA D

SSC _cST

L2PC-cAD

L3PC-cAD

L4PC-cAD

L4SP-cAD

l4SS-cAD

L5CSPC-cAD

L5CHPC-cAD

L6CTPC-cAD

L6CCPC-cAD

L6CSPC-cAD

Bipolar

Bitufted

Multiple Electrical Types in Each Morphological Class

Henry Markham

Building NEURON Models of Neocrtical Neurons Using

Ion Channel Compositions Predicted from gene Expression Studies

harvest cytoplasm expel cytoplasm reverse transcription multiplex PCR

Genes expressed

ion channels

formed

resulting

electrical

behavior

Henry Markham

Visualizing Synaptic Maps onto Neocortical Neurons

Albert Gideon

type of source cell

maps & timing Henry Markham

Supercomputing…

Minimal Building Blocks to

Build, Simulate and Visualize the Neocortical Column

Markram, Nature Reviews Neuroscience, 2006 Henry Markham

Cortical

coloumn

simulation

Other glia types:

Oligodendrocytes, Schwann cells, NG2 glia….. + microglia …

*

**

To be integrated:

glial cells !!!

glial networks !!!

Human Brain Project

2013-2023

~1,4 milliárd Euro

Led by Dr. Henry Markram, The Blue

Brain Project recently joined with

other 12 partners to propose the

Human Brain Project – a very large 10

year project that will pursue precisely

these aims. The new grouping has just

been awarded a Eur 1.4 billion

European grant to formulate a detailed

proposal.

http://bluebrain.epfl.ch/page-58949-en.html






http://www.neurofuture.eu/

Ugyanakkor a Human Brain Projectről más vélemény is van..: read it !

https://forbetterscience.wordpress.com/2016/07/15/the-laborious-delivery-of-markrams-brainchild/

https://www.humanbrainproject.eu/

1863-1937, was an Hungarian anatomist and histologist

uncle to Albert Szent-Györgyi (1893-1986)


Lenhossék Mihály vezette be az asztrocita szót, utalva a neuroglia sejtek

alakjára. Ő írta az első terjedelmes összefoglalást a gliasejtekről egy könyvben,

mely az idegrendszer finom-szerkezetéről szólt, a gerincvelőt állítva fókuszba.

Állította, hogy a gliasejtek, melyeket oly sokan leírtak, egy vegyes populáció, és

valójában több sejttípusból áll. Terminológiai változtatásokat javasolt (Lenhossek,

1893):

„ I would suggest that all supportive cells be named as spongiocytes, and the most common

form in vertebrates be named spider cells or astrocytes, and use the term neuroglia only

cum grano salis (with a grain of salt), at least until we have a clearer view... Astrocytes are

the small elements, which form the supportive system of the spinal cord. They are star

shaped and indeed no other comparison describes their form so clearly. While the term

spider cell introduced by Jastrowitz has become popular and gives a proper impression of

the cells, one should regard Gierke’s note, namely that nobody has seen a spider with so

many feet as these cells have processes.”

In 1893, Mihály Lenhossék vezette be az asztrocita

kifejezést

Asztrociták és radiális glia sejtek egy Lenhossék által preparált

anyagban, 1893.

A: Supportive cells (i.e. astrocytes) from the spinal cord of a 9 month

old child; Golgi impregnation. B: Spinal cord of a 14 cm human

embryo; Golgi impregnation of the supportive cells.


Neuroglia cells of brain shown by Golgi’s method. A. Cell with

branched processes. B. Spider cell with unbranched processes.

(After Andriezen.) in Henry Gray (1825–1861). Anatomy of the

Human Body. 1918.


Protoplazmás

asztrocita

Rostos

asztrocita

szürkeállomány fehérállomány

1895, a rostos és protoplazmás asztrocitákat Albert von Kölliker és

Andriezen írta le .

Drawing by Cajal showing fibrous in the white matter of the cerebral cortex

labeled with the gold chloride method. "Neuroglic cells of the white matter of the

adult human brain. Gold [chloride] method. A, aspect of certain cells in which can

be observed a fibrillar apparatus; B, C, aspect shown by other cells where the

protoplasm stained in mass does not allow the visualization of fibrils; a, b, d,

perivascular end-feet." This figure was published as Figure 14 by Cajal in 1913

(Cajal, 1913). (Copyright Herederos de Santiago Ramón y Cajal.)

Drawing by Cajal showing protoplasmic astrocytes (containing relatively few

fibrils) in the gray matter of the cerebral cortex labeled with the gold chloride

method. "Part of a section of the gray substance of the brain of an adult

human. Staining by gold chloride. A, large type of neuroglic cell; B, smaller

type of neuroglic cell [than that showed in A]; C, [end]-foot inserted in a

capillary; D, pyramidal cell [of the cerebral cortex]; a, capillary; b, small

perivascular pedicles; d, non-neuroglic satellite cells." This figure was

published as Figure 1 by Cajal in 1913 (Cajal, 1913). Note the astrocyte B

contacting both the blood vessel a and the neuron D. Cells without processes

such as those labeled d in this figure are what Cajal called the "third element."

(Copyright Herederos de Santiago Ramón y Cajal.)


Rostos (fibrous, white matter) Plazmás (protoplasmic, grey matter)

Drawings by Cajal

A 19. század végén a gliasejteknek többféle funkcionális szerepet

tulajdonítottak.

Golgi, például abban hitt, hogy a gliasejtek elsősorban az idegsejtek táplálását

végzik az erekkel való kapcsolatuk révén.

Ezt az elméletet Ramón y Cajal nem támogatta. Virchow eredeti elgondolását,

miszerint a glia pusztán helykitöltő kötőszövet, sokan osztották - pl. Cajal még

az 1920-as évekbe is így gondolta. Cajal bátyja, Pedro, az asztrocitákat szigetelő

(insulator) sejteknek tekintette, melyek a nem kívánt idegi impulzusokat

meggátolják.



The role of glia

In the 1960’s Kuffler took astrocytes from the leech and mud puppy and added

potassium, something that is known to flow out of neurons after they are stimulated. He

thought this would confirm Pedro's theory that glial cells were insulators. What he

found instead was that the electrical potential of glial cells responded to potassium.

Kuffler and colleagues found that astrocytes exhibited an electrical potential, much like

neurons. They also discovered in the frog and the leech that astrocytes were influenced

by neuronal ion exchange, a process long held to be the chemical counterpart to

thought. http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=the-root-of-thought-what

Schleich rajzai a glia-neuron

kapcsolatokról ebből a könyvéböl.



1894, Carl Ludwig Schleich vetette fel először az aktív asztrocita-

neuron interakciót, mint az agyműködés fontos elemét

‘Schmerzlose Operationen’ c. könyvében (1894). Schleich Virchow

tanítványa volt. (Ő vezette be a helyi érzéstelenítést !)

• Schleich hitte, hogy a gliasejtek és a neuronok egyenrangúak és

mindkettő aktív sejtes eleme az agynak.

• Schleich szerint az idegi aktivitás neuronról neuronra

intercelluláris réseken át terjed, melyek glianyúlványokkal vannak

kitöltve, melyek szabályozzák a hálózatban a serkentést/gátlást.

• Felvetette, a gliasejtek állandóan változó térfogata kontrollálja a

neuronális kommunikációt.

The role of glia

Schleich ismerte fel,

hogy a gliasejtek

dinamikus, aktív szerepet

játszanak az idegrendszer

működésében !!!

1859-1922,

German surgeon


Río-Hortega rajzai. Different morphological types of microglial cells in the rabbit

Ammon's horn, cortical perivascular neuroglia and oligodendrocytes. Verkhratsky A, Parpura V, Rodríguez JJ. 2011

microglia

1921, Pio del Rio-Hortega, Cajal tanítványa volt. Bevezette az

ezüst karbonátos festést, ami szelektíve jelölte az

oligodendrocitákat, melyeket 1928-ban osztályozott. Ő vezette be

a mikroglia fogalmát is, eredetileg “szemétgyűjtő” („garbage

collecting”) sejteknek nevezve őket. Kimutatta,hogy a mikroglia

születés után jut az idegrendszerbe és reagál a sérülésekre. 1882-1945,

Spanish

physician,

histologist,

anatomist


By the 1920-ies the overall understanding of morphological organisation of the

brain and the spinal cord has been generally completed, and the following

developments were mostly dedicated to uncovering the functional mechanisms by

which neural cells communicate and by which they may perform higher brain

functions.

By then the neuronal doctrine became absolutely dominating.

1897, 1906, Charles Scott Sherrington introduced the term

synapse and worked to show that the synapse is the principle

place of integration in the nervous system

1857–1952, English neurophysiologist, histologist,

bacteriologist, and a pathologist, Nobel laureate

... and soon the idea of the neuron’s electrical activity (etc.)

was universally accepted...

1954, Ben Geren B. Schwann cells

myelinate

1966, Steven Kuffler, John Nicolls, Richard Orkand demonstrated coupling

between glial cells

1969, Milton Brightman, Tom Reese identified structures connecting glial

networks (which we know now as gap junctions)



The role of glia

Nonetheless, for the following two decades glial cells were still regarded as passive

elements of the NS, bearing mostly supportive and nutritional roles. The advent of

modern physiological techniques, most notably those of the patch-clamp and

fluorescent calcium dyes, has dramatically changed this image of glia as ‘silent’

brain cells.

1984, Helmut Kettenmann, Harold Kimelberg – Glu and GABA receptors in

cultured astrocytes and oligodendrocytes

1990, Ann Cornell-Bell, Steve Finkbeiner – astrocytes are capable of long-

distance communication by means of propagating calcium waves



The role of glia

e.t.c.

Neuroglia – Evolúciós aspektusok

Verkhratsky A, Parpura V, Rodríguez JJ. 2011 Tree of life, Haeckel 1879.

• Gliasejtek robbanásszerű

térhódítása hominidákban

• Proto-myelináló sejtek megjelenése

és a myelin-hüvely kialakulása

(ganglionok majd központosított

idegrendszer szerveződése)

• Asztrociták is megjelennek a

ganglionokban

• Asztrociták képezik a kezdeti vér-agy-

gátat

• Immunsejtek belépnek a ganglionokba

az ősi mikrogliát reprezentálva

• A glia megjelenése (valószínűleg már a

diffúz idegrendszer szintjén)

fejgerinchúrosok

ízeltlábúak

puhatestűek

laposférgek

kerekesférgek

tüskésbőrűek

laposféreg-szerűek

kétoldali szimmetriájúak

Jelenleg mindkettő lehetséges:

glia közös

eredetű

(Acoelomorpha..)

glia többször is

kialakul

Neuroglia –

Evolúciós

aspektusok

50% 50%

BBB

• blood–brain barrier (BBB): csak

asztrocitákból áll rákokban, rovarokban,

fejlábúakban és cápákban, rájákban,

tokhalakban

• későbbiekben a BBB funkciót endotélsejtek

felé tolódik, de asztrociták kontrollja alatt

marad

• Bundgaard és Abbott szerint az ősi

gerinceseknek is gliális BBB-ja volt !

Blue: glial BBB

Red: endothelial BBB

Alternatív modellek a gerinces BBB

törzsfejlődésére

Neuroglia – Evolúciós aspektusok

Teljes sejtszám felnőtt

hermafrodita C. elegans-ban:

959

302 neuron

50 glia (5 %)

24 sheath glia,

26 socket glia

C. elegans glia

C: Red: sheath glia, green: neuronal cilia

Blue: socket glia

Amphid: fő kemoszenzoros szerv a

nematodákban (kutikula beidegzett

betűrődései). Minden amphid-ot 12

érző neuron és 2 glia (kék/piros)

alkot.

Gliasejtek ablációja:

(lézeres mikrosebészet...)

- nincs neuronpusztulás

- de az érzőneuronok dendrit és

axonnövekedés zavart lesz

AFD = termoszenzoros neuron, az amphid

12 neuronjának egyike. Ezt is AMsh glia

öleli körbe.

A KCC-3 K+/Cl- transzporter az AMsh

gliasejt AFD neuron mikrovillusait

körbevevő részein lokalizálódik és

szabályozza a K+/Cl- szintet az ec. térben.

A Cl- ionok direkt módon gátolják a neuron

receptor guanylyl-ciklázt (GCY-8), ami

cGMPt szintetizál.

A magas cGMP szint gátolja az aktin

regulátor WSP-1/WASP-ot, ami blokkolja a

neuronális növekedési kúp elongációját.

Components of this pathway are broadly

expressed throughout the nervous system,

suggesting that ionic regulation of the NRE

microenvironment may be a conserved

mechanism by which glia control

neuron shape and function.

Agy mérete

elefánt, bálna agya nagyobb mint emberé

Agy/testtömeg arány

kis emlősöknél, pl. mókuscickánynál nagyobb az agy/test tömeg aránya, mint embernél

Agykéreg mérete

delfinek, bálnák abszolút és relatív agykéreg mérete is nagyobb lehet, mint az emberé

Milyen gének expresszálódnak inkább a humán agyban a főemlősökéhez képest ?

miért vagyunk „okosabbak” ??

több glia-related gén, mint neuronális !

Gliasejtek mérete/morfológiája

emberben elágazóbb, jóval nagyobb (asztrociták)

neuron: glia arány

~1:1 (1:10) ember

2-3:1 (1:1) rágcsálók

6:1 C. elegans (fonálféreg)

25:1 pióca

Verkhratsky, Parpura, Rodríguez 2011

neuron: glia arány

2,5:1 patkány cortex

1:1,65-3.76 humán cortex

humán asztrocita

2-3X nagyobb, 10X több nyúlványa van

plazmás asztrocita territóriumában

rágcsáló: ∼20,000–120,000 szinapszis

ember: ∼ 2 millió szinapszis

klb szerzők

cortical

human

astrocyte

[Image: Nancy

Ann Oberheim

and Takahiro

Takano,

University of

Rochester

Medical School]

DAPI

NeuN (Fox3)

B = billion.

! N 1:3.7 G

N 4,3:1 G

N 1,02:1 G

N 1:11,2 G

Teljes humán

agy neuron:glia

arány = 1:1 !!!

„Humanized mice”

Neuroglia – The function...

The first biophysically realistic computational model

based on experimental results in HC – including GLIA !

in the hippocampus for every neuron

there are two to five glia cells

"Glia cells are like the brain's

supervisors. By regulating the synapses,

they control the transfer of information

between neurons, affecting how the

brain processes information and

learns."

Glial Neurobiology: A Textbook

Alexei Verkhratsky and Arthur Butt

© 2007 John Wiley & Sons, Ltd ISBN 978-0-470-01564-3 (HB); 978-0-

470-51740-6 (PB)

Ajánlott Irodalom

Glia

Huszti Zsuzsa - Kálmán Mihály

Akadémiai Kiadó, 2008

Pl.: http://www.ted.com/talks/henry_markram_supercomputing_the_brain_s_secrets.html

TED: “Technology, Entertainment, Design”,

from 1984 – now broader scope

The top five neuroscience project:

http://www.33rdsquare.com/2012/01/top-five-neuroscience-projects.html

5. The Human Connectome Project

4. Numenta / Hierarchical Temporal Memory Theory

3. SyNAPSE

2. The Human Brain Project

1. The Blue Brain Project

Idegi Sejtdifferenciáció II. - MTA KOKIkornyei/Glia_eloadasok_2016_osz/01_A glia_tortenete... ·...

Documents

Transcript of Idegi Sejtdifferenciáció II. - MTA KOKIkornyei/Glia_eloadasok_2016_osz/01_A glia_tortenete... ·...