Idegi Sejtdifferenciáció II. azaz. GLIA sejtbiológia, fiziológia, patofiziológia

Átírás

1 Idegi Sejtdifferenciáció II. azaz GLIA sejtbiológia, fiziológia, patofiziológia 2016/ félév Dr Környei Zsuzsanna MTA KOKI Neuroimmunológia Kutatócsoport Előadások itt (folyamatosan frissítve):

2

3 About half the cells in the human brain are glia, but we're only beginning to understand what they do. Ben Barres

4 2014 Gliafarmakológia első cég Philip Haydon

5 glia glia (görög): ragadós A GLIA felfedezése Neuroglia elnevezés először! 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, nervecement ), melyet neurogliának nevezett el , German doctor, anthropologist, pathologist, prehistorian, biologist and politician 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.

6 A GLIA felfedezése 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. Protoplazmás asztroglia sejtek a szürkeállományban. Festette és rajzolta: Golgi; , Italian physician, pathologist, scientist, and Nobel laureate (Nobel prize: from 1895) 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 agyparenchimába (1875; 1894).

7 A GLIA felfedezése 1888-tól, Ramon y Cajal fejlesztette ki az arany-klorid szublimálásos technikát, ami festette a rostos és plazmás asztrocitákat (e festés targetje IF, GFAP!) , 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

8 A GLIA felfedezése 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

9 A GLIA felfedezése 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 , Swedish physician and anatomist Humán főtuszok idegrendszerének festése ezüst-kromát technikával (Retzius, 1894). 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. Verkhratsky A, Parpura V, Rodríguez JJ. 2011

10 A GLIA felfedezése 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, ), Vol. 6 (1894), Plate ii, Figure 5. (The image was kindly provided by Professor Helmut Kettenmann, MDC, Berlin) Verkhratsky, Butt 2007

11 hgfap-gfp 2001 Emsley, Macklis 2006 Astroglial heterogeneity closely reflects the neuronaldefined anatomy of the adult murine CNS.

12 Neuronális heterogenitás: Cajal rajzai alapján + Electrofiziológia: 1940 s (voltage clamp) és 1970 s (patch clamp)

13 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 rat cortical column ~ neuron ( coloumn)

14 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 Henry Markham Morphological Classes of Neocortical Neurons

15 A Synaptic Innervation Patters to Determine Precise 3D Location of all synapses #synapses LBC PC 15 Axonal Patterns Dendritic Patterns SBC PC 19 NBC PC 16 BTC PC 11 MC PC 9 Axonal branch order Dendritic branch order Henry Markham Wang et al., Cerebral Cortex, 2004

16 Diversity of Electrical Behaviors of Neocortical Neurons Henry Markham

17 Multiple Electrical Types in Each Morphological Class Bipolar Bitufted Som a Targeting INTS Axon Targeting INTS Excitatory Neurons Henry Markham LBC _ba D LBC _bi S LBC _bn A LBC _c A D LBC _c FS LBC _c ST LBC _c NA LBC _dfs LBC _dst NBC _bna NBC _c A D NBC-bAD NBC _c FS NBC _c N A NBC _dfs NBC _dst NBC-cST NBC-dAD NBC-bST SBC _bna SBC _c A D SBC _c FS SBC _c NA SBC _dfs C hc _c A D C hc _c FS C hc -dn A SSC _c A D SSC _c ST L2PC-cAD L3PC-cAD L4PC-cAD L4SP-cAD l4ss-cad L5CSPC-cAD L5CHPC-cAD L6CT PC-cAD L6CC PC-cAD L6CSPC-cAD

18 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

19 Visualizing Synaptic Maps onto Neocortical Neurons Henry Markham type of source cell maps & timing Albert Gideon

20 Supercomputing

21 Minimal Building Blocks to Build, Simulate and Visualize the Neocortical Column Cortical coloumn simulation Henry Markham Markram, Nature Reviews Neuroscience, 2006

22 To be integrated: glial cells!!! glial networks!!! * ** Other glia types: Oligodendrocytes, Schwann cells, NG2 glia.. + microglia

23

24 Human Brain Project ~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.

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

26

27 A GLIA felfedezése In 1893, Mihály Lenhossék vezette be az asztrocita kifejezést , was an Hungarian anatomist and histologist uncle to Albert Szent-Györgyi ( ) 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.

28 A GLIA felfedezése Asztrociták és radiális glia sejtek egy Lenhossék által preparált anyagban, 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.

29 A GLIA felfedezése Protoplazmás asztrocita szürkeállomány Rostos asztrocita fehérállomány 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 ( ). Anatomy of the Human Body , a rostos és protoplazmás asztrocitákat Albert von Kölliker és Andriezen írta le.

30 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.) A GLIA felfedezése Drawings by 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)

31 A GLIA felfedezése The role of glia 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. 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. Verkhratsky, Butt 2007

32 The role of glia A GLIA felfedezése , German surgeon 1894, Carl Ludwig Schleich vetette fel először az aktív asztrocitaneuron 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. Schleich ismerte fel, hogy a gliasejtek dinamikus, aktív szerepet játszanak az idegrendszer működésében!!! Schleich rajzai a glia-neuron kapcsolatokról ebből a könyvéböl. Verkhratsky, Butt 2007

33 A GLIA felfedezése 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 , Spanish physician, histologist, anatomist microglia 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

34 A GLIA felfedezése 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 , English neurophysiologist, histologist, bacteriologist, and a pathologist, Nobel laureate... and soon the idea of the neuron s electrical activity (etc.) was universally accepted...

35 A GLIA felfedezése The role of glia 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) 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. Verkhratsky, Butt 2007

36 A GLIA felfedezése The role of glia 1984, Helmut Kettenmann, Harold Kimelberg Glu and GABA receptors in cultured astrocytes and oligodendrocytes 1990, Ann Cornell-Bell, Steve Finkbeiner astrocytes are capable of longdistance communication by means of propagating calcium waves e.t.c. Verkhratsky, Butt 2007

37 Neuroglia Evolúciós aspektusok 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-agygátat Immunsejtek belépnek a ganglionokba az ősi mikrogliát reprezentálva A glia megjelenése (valószínűleg már a diffúz idegrendszer szintjén) Tree of life, Haeckel Verkhratsky A, Parpura V, Rodríguez JJ. 2011

38 Neuroglia Evolúciós aspektusok fejgerinchúrosok tüskésbőrűek ízeltlábúak Jelenleg mindkettő lehetséges: glia közös eredetű (Acoelomorpha..) 50% glia többször is kialakul 50% kétoldali szimmetriájúak puhatestűek laposférgek kerekesférgek laposféreg-szerűek

39 Neuroglia Evolúciós aspektusok BBB blood brain barrier (BBB): csak asztrocitákból áll rákokban, rovarokban, fejlábúakban és cápákban, rájákban, tokhalakban Blue: glial BBB Red: endothelial BBB későbbiekben a BBB funkciót endotélsejtek felé tolódik, de asztrociták kontrollja alatt marad Alternatív modellek a gerinces BBB törzsfejlődésére Bundgaard és Abbott szerint az ősi gerinceseknek is gliális BBB-ja volt!

40 Teljes sejtszám felnőtt hermafrodita C. elegans-ban: neuron 50 glia (5 %) 24 sheath glia, 26 socket glia C. elegans glia Amphid: fő kemoszenzoros szerv a nematodákban (kutikula beidegzett betűrődései). Minden amphid-ot 12 érző neuron és 2 glia (kék/piros) alkot. C: Red: sheath glia, green: neuronal cilia Blue: socket glia

41 Gliasejtek ablációja: (lézeres mikrosebészet...) - nincs neuronpusztulás - de az érzőneuronok dendrit és axonnövekedés zavart lesz

42 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.

43 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 miért vagyunk okosabbak?? Milyen gének expresszálódnak inkább a humán agyban a főemlősökéhez képest? több glia-related gén, mint neuronális! Gliasejtek mérete/morfológiája emberben elágazóbb, jóval nagyobb (asztrociták)

44 neuron: glia arány ~1:1 (1:10) ember 2-3:1 (1:1) rágcsálók 6:1 C. elegans (fonálféreg) 25:1 pióca neuron: glia arány 2,5:1 patkány cortex 1:1, humán cortex klb szerzők humán asztrocita 2-3X nagyobb, 10X több nyúlványa van Verkhratsky, Parpura, Rodríguez 2011 plazmás asztrocita territóriumában rágcsáló: 20, ,000 szinapszis ember: 2 millió szinapszis

45 cortical human astrocyte [Image: Nancy Ann Oberheim and Takahiro Takano, University of Rochester Medical School]

46 B = billion. N 1,02:1 G Teljes humán agy neuron:glia arány = 1:1!!!! N 1:3.7 G N 1:11,2 G N 4,3:1 G DAPI NeuN (Fox3)

47 Humanized mice

48

49 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."

50 Ajánlott Irodalom Glial Neurobiology: A Textbook Alexei Verkhratsky and Arthur Butt 2007 John Wiley & Sons, Ltd ISBN (HB); (PB) Glia Huszti Zsuzsa - Kálmán Mihály Akadémiai Kiadó, 2008 TED: Technology, Entertainment, Design, from 1984 now broader scope Pl.: The top five neuroscience project: 1. The Blue Brain Project 2. The Human Brain Project 3. SyNAPSE 4. Numenta / Hierarchical Temporal Memory Theory 5. The Human Connectome Project