Krew przenosi tlen i niezbędne składniki odżywcze do mózgu. Pan Suphachai Praserdumrongchai/iStock za pośrednictwem Getty Images
Neuronaukowcy od dawna zakładali że neurony są chciwymi, głodnymi jednostkami, które wymagają więcej energii, gdy stają się bardziej aktywne, a układ krążenia podporządkowuje się, dostarczając tyle krwi, ile potrzebują do napędzania ich aktywności. Rzeczywiście, gdy aktywność neuronów wzrasta w odpowiedzi na zadanie, przepływ krwi do tej części mózgu wzrasta nawet bardziej niż tempo zużycia energii, co prowadzi do nadwyżki. Ten wzrost jest podstawą wspólnego technologia obrazowania funkcjonalnego który generuje kolorowe mapy aktywności mózgu.
Naukowcy interpretowali tę pozorną rozbieżność w przepływie krwi i zapotrzebowaniu na energię jako dowód na to, że mózgowi nie brakuje krwi. Idea nieograniczonej podaży opierała się na spostrzeżeniu, że tylko około 40% tlenu dostarczana do każdej części mózgu jest wykorzystywana – i odsetek ten faktycznie spada, gdy części mózgu stają się bardziej aktywne. Wydawało się, że ma to ewolucyjny sens: mózg wyewoluowałby ten szybszy niż potrzebny wzrost przepływu krwi jako cechę bezpieczeństwa, która gwarantuje dostarczanie wystarczającej ilości tlenu przez cały czas.
Ale czy dystrybucja krwi w mózgu faktycznie wspiera system oparty na zapotrzebowaniu? Jako neurobiolog, wcześniej zbadałem szereg innych założeń dotyczących najbardziej podstawowych faktów dotyczących mózgu i stwierdziłem, że nie sprawdziły się. Aby wymienić tylko kilka: Ludzkie mózgi nie mają 100 miliardów neuronów, chociaż to robią mają najwięcej neuronów korowych dowolnego gatunku; the stopień pofałdowania kory mózgowej nie wskazuje, ile neuronów jest obecnych; i to nie większe zwierzęta żyją dłużej, ale te z większą liczbą neuronów w korze mózgowej.
Uważam, że ustalenie, co decyduje o dopływie krwi do mózgu, jest niezbędne do zrozumienia, jak mózg działa w zdrowiu i chorobie. To tak, jak miasta muszą dowiedzieć się, czy obecna sieć elektryczna wystarczy, aby wesprzeć przyszły wzrost populacji. Mózgi, podobnie jak miasta, działają tylko wtedy, gdy mają dostarczoną wystarczającą ilość energii.
Zasoby takie jak autostrady lub rzeki
Ale jak mogę sprawdzić, czy przepływ krwi do mózgu jest naprawdę oparty na zapotrzebowaniu? Moje zamrażarki były wypełnione zakonserwowanymi, martwymi mózgami. Jak badać zużycie energii w mózgu, który już jej nie zużywa?
Na szczęście mózg pozostawia dowody zużycia energii poprzez układ naczyń rozprowadzających krew. Pomyślałem, że mogę obejrzeć gęstość naczyń włosowatych – cienkie naczynia o szerokości jednej komórki, które przenoszą gazy, glukozę i metabolity między mózgiem a krwią. Te sieci naczyń włosowatych zachowałyby się w mózgach w moich zamrażarkach.
Mózg oparty na zapotrzebowaniu powinien być porównywalny z systemem drogowym. Jeśli tętnice i żyły są głównymi drogami przewożącymi towary do miast w określonych częściach mózgu, naczynia włosowate są podobne do okolicznych ulic, które faktycznie dostarczają towary ich ostatecznym użytkownikom: pojedynczym neuronom i współpracującym z nimi komórkom. Ulice i autostrady są budowane na żądanie, a mapa drogowa pokazuje, jak wygląda system oparty na zapotrzebowaniu: Drogi są często skoncentrowane w częściach kraju, w których jest więcej ludzi – energochłonnych jednostek społecznych.
W przeciwieństwie do tego, mózg z ograniczoną podażą powinien wyglądać jak koryta rzek w kraju, który nie dba o to, gdzie znajdują się ludzie. Woda popłynie tam, gdzie może, a miasta muszą się po prostu dostosować i zadowolić tym, co mogą uzyskać. Są szanse, że miasta powstaną w pobliżu głównych arterii – ale bez poważnej, celowej przebudowy ich rozwój i działalność są ograniczone ilością dostępnej wody.
Czy odkryłbym, że naczynia włosowate są skoncentrowane w częściach mózgu z większą liczbą neuronów i rzekomo wymagają więcej energii, jak ulice i autostrady budowane w sposób oparty na zapotrzebowaniu? A może stwierdziłbym, że są bardziej jak strumienie i strumienie, które przenikają ziemię, gdzie tylko mogą, nieświadomy tego, gdzie jest najwięcej ludzi, w sposób napędzany podażą?
To, co znalazłem, było wyraźnym dowodem na to drugie. Dla obie myszy i szczury, gęstość naczyń włosowatych stanowi skromne 2% do 4% objętości mózgu, niezależnie od liczby obecnych neuronów lub synaps. Krew płynie w mózgu jak woda w rzece: tam, gdzie może, a nie tam, gdzie jest potrzebna.
Jeśli krew płynie niezależnie od potrzeby, oznacza to, że mózg faktycznie zużywa krew w miarę jej dostarczania. Odkryliśmy, że niewielkie różnice w gęstości naczyń włosowatych w różnych częściach mózgów martwych szczurów idealnie pasowały do tempa przepływu krwi i zużycia energii w tych samych częściach mózgów innych żywych szczurów, które naukowcy zmierzyli 15 lat wcześniej.
Rozwiązanie przepływu krwi i zapotrzebowania na energię
Czy gęstość właściwa naczyń włosowatych w każdej części mózgu może być tak ograniczona, że decyduje o tym, ile energii zużywa ta część? I czy odnosiłoby się to do mózgu jako całości?
Współpracowałem z kolegą Douga Rotmana odpowiedzieć na te pytania. Wspólnie odkryliśmy, że mózgi ludzi i szczurów nie tylko robią, co mogą, z otrzymaną krwią i zwykle pracują z około 85% wydajnością, ale ogólna aktywność mózgu jest rzeczywiście podyktowane gęstością kapilarną, wszystko inne jest równe.
Powodem, dla którego tylko 40% tlenu dostarczanego do mózgu faktycznie jest wykorzystywane, jest to, że jest to maksymalna ilość, którą można wymienić podczas przepływu krwi – tak jak pracownicy próbujący podnieść przedmioty na zbyt szybko działającej linii montażowej. Lokalne tętnice mogą dostarczać więcej krwi do neuronów, jeśli zaczną zużywać nieco więcej tlenu, ale odbywa się to kosztem kierowania krwi z dala od innych części mózgu. Ponieważ wymiana gazowa była już na początku prawie pełna, frakcja ekstrakcji tlenu wydaje się nawet spadać przy niewielkim wzroście dostawy.
Z daleka zużycie energii w mózgu może wyglądać na zależne od zapotrzebowania – ale tak naprawdę jest ograniczone podażą.
Dopływ krwi wpływa na aktywność mózgu
Więc dlaczego to wszystko ma znaczenie?
Nasze odkrycia oferują możliwe wyjaśnienie, dlaczego mózg nie może naprawdę wykonywać wielu zadań jednocześnie – tylko szybko przełączać się między skupieniami. Ponieważ przepływ krwi do całego mózgu jest ściśle regulowany i pozostaje zasadniczo stały przez cały dzień, gdy zmieniasz czynności, nasze badania sugerują, że każda część mózgu, która doświadcza wzrostu aktywności – ponieważ zaczynasz robić matematykę lub grać piosenkę, na przykład przykład – może uzyskać tylko nieznacznie większy przepływ krwi kosztem odwrócenia przepływu krwi z innych części mózgu. Więc niezdolność do robienia dwóch rzeczy jednocześnie może mieć swoje źródło w przepływie krwi do mózgu, który jest ograniczony podażą, a nie popytem.
Lepsze zrozumienie działania mózgu może zapewnić wgląd w ludzkie zachowanie i choroby. Peter Dazeley / Bank obrazów przez Getty Images
Nasze odkrycia dają również wgląd w starzenie się. Jeśli neurony muszą zadowolić się energią, którą mogą uzyskać z przeważnie stałego dopływu krwi, to części mózgu z największą gęstością neuronów będą pierwszymi, które zostaną dotknięte niedoborem – tak jak największe miasta odczuwają ból suszy przed mniejszymi.
W korze części z najwyższe zagęszczenie neuronów są hipokamp i kora śródwęchowa. Obszary te są zaangażowane w pamięć krótkotrwałą i tzw pierwsi cierpią z powodu starzenia się. Potrzebne są dalsze badania, aby sprawdzić, czy części mózgu najbardziej narażone na starzenie się i choroby to te, które mają największą liczbę upakowanych razem neuronów i konkurują o ograniczony dopływ krwi.
Jeśli to prawda, że naczynia włosowate, jak neurony, przetrwać całe życie u ludzi, podobnie jak u myszy laboratoryjnych, mogą odgrywać większą rolę w zdrowiu mózgu, niż oczekiwano. Aby mieć pewność, że neurony mózgu pozostaną zdrowe na starość, dobrym rozwiązaniem może być dbanie o naczynia włosowate, które zapewniają im ukrwienie. Dobrą wiadomością jest to, że istnieją na to dwa sprawdzone sposoby: a Zdrowa dieta i wykonywanie, na które nigdy nie jest za późno.
O autorze
Suzana Herculano-Houzel, profesor nadzwyczajny psychologii, Vanderbilt University
Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.
Powiązane książki:
Ciało utrzymuje wynik: mózg, umysł i ciało w leczeniu traumy
przez Bessela van der Kolka
Ta książka bada powiązania między traumą a zdrowiem fizycznym i psychicznym, oferując spostrzeżenia i strategie leczenia i powrotu do zdrowia.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
Oddech: nowa nauka o utraconej sztuce
przez Jamesa Nestora
Ta książka bada naukę i praktykę oddychania, oferując spostrzeżenia i techniki poprawy zdrowia fizycznego i psychicznego.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
Paradoks roślin: ukryte zagrożenia w „zdrowej” żywności, które powodują choroby i przyrost masy ciała
przez Stevena R. Gundry'ego
Ta książka bada powiązania między dietą, zdrowiem i chorobami, oferując spostrzeżenia i strategie poprawy ogólnego stanu zdrowia i dobrego samopoczucia.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
Kod odpornościowy: nowy paradygmat prawdziwego zdrowia i radykalnego przeciwdziałania starzeniu się
autorstwa Joela Greene'a
Ta książka oferuje nowe spojrzenie na zdrowie i odporność, opierając się na zasadach epigenetyki i oferując spostrzeżenia i strategie optymalizacji zdrowia i starzenia się.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
Kompletny przewodnik po poście: uzdrawiaj swoje ciało poprzez post przerywany, co drugi dzień i przedłużony
autorstwa dr Jasona Funga i Jimmy'ego Moore'a
Ta książka bada naukę i praktykę postu, oferując spostrzeżenia i strategie poprawy ogólnego stanu zdrowia i dobrego samopoczucia.
