Hjärnor har problem med leveranskedjan och neuroner nöjer sig med vad de får
Blod transporterar syre och viktiga näringsämnen till hjärnan. Mr Suphachai Praserdumrongchai/iStock via Getty Images

Neuroforskare har länge antagit att neuroner är giriga, hungriga enheter som kräver mer energi när de blir mer aktiva, och cirkulationssystemet följer det genom att tillhandahålla så mycket blod som de behöver för att underblåsa sin aktivitet. Faktum är att när neuronaktiviteten ökar som svar på en uppgift, ökar blodflödet till den delen av hjärnan ännu mer än dess energianvändning, vilket leder till ett överskott. Denna ökning är grunden för gemensamma funktionell bildteknik som genererar färgade kartor över hjärnans aktivitet.

Forskare brukade tolka denna uppenbara obalans i blodflödet och energibehovet som bevis på att det inte råder någon brist på blodtillförsel till hjärnan. Idén om ett obegränsat utbud baserades på observationen att endast cirka 40 % av syret levereras till varje del av hjärnan används – och denna andel sjunker faktiskt när delar av hjärnan blir mer aktiva. Det verkade vara evolutionärt vettigt: Hjärnan skulle ha utvecklat denna snabbare än behövliga ökning av blodflödet som en säkerhetsfunktion som garanterar tillräcklig syretillförsel hela tiden.

Funktionell magnetisk resonanstomografi är ett av flera sätt att mäta hjärnan.

Men stöder blodfördelningen i hjärnan verkligen ett behovsbaserat system? Själv som neurovetare, Jag hade tidigare undersökt ett antal andra antaganden om de mest grundläggande fakta om hjärnor och fann att de inte slog ut. För att nämna några: Mänskliga hjärnor har inte 100 miljarder neuronerfast de gör det har flest kortikala neuroner av vilken art som helst; de grad av veckning av hjärnbarken indikerar inte hur många neuroner som finns; och det är inte större djur som lever längre, men de med fler neuroner i sin cortex.

Jag tror att det är viktigt att ta reda på vad som bestämmer blodtillförseln till hjärnan för att förstå hur hjärnor fungerar i hälsa och sjukdom. Det är som hur städer måste ta reda på om det nuvarande elnätet kommer att räcka för att stödja en framtida befolkningsökning. Hjärnor, precis som städer, fungerar bara om de har tillräckligt med energi.


innerself prenumerera grafik


Resurser som motorvägar eller floder

Men hur skulle jag kunna testa om blodflödet till hjärnan verkligen är efterfrågebaserat? Mina frysar var fyllda med bevarade, döda hjärnor. Hur studerar man energianvändning i en hjärna som inte använder energi längre?

Lyckligtvis lämnar hjärnan efter sig bevis på sin energianvändning genom mönstret av kärlen som distribuerar blod genom den. Jag tänkte att jag kunde titta på kapillärernas täthet – de tunna, encellsvida kärlen som överför gaser, glukos och metaboliter mellan hjärna och blod. Dessa kapillärnätverk skulle bevaras i hjärnan i mina frysar.

En efterfrågebaserad hjärna ska vara jämförbar med ett vägsystem. Om artärer och vener är de stora motorvägarna som transporterar varor till staden i specifika delar av hjärnan, är kapillärer besläktade med kvartersgator som faktiskt levererar varor till sina slutanvändare: enskilda neuroner och cellerna som arbetar med dem. Gator och motorvägar byggs på efterfrågan och en vägkarta visar hur ett efterfrågebaserat system ser ut: Vägar är ofta koncentrerade till delar av landet där det finns fler människor – samhällets energislukande enheter.

Däremot borde en hjärna med begränsad tillgång se ut som flodbäddarna i ett land, som inte kunde bry sig mindre om var människor befinner sig. Vattnet kommer att flöda där det kan, och städer måste bara anpassa sig och nöja sig med vad de kan få. Chansen är stor att städer kommer att bildas i närheten av huvudartärerna – men i avsaknad av större, målmedveten ombyggnad begränsas deras tillväxt och aktiviteter av hur mycket vatten som finns tillgängligt.

Skulle jag upptäcka att kapillärer är koncentrerade i delar av hjärnan med fler neuroner och förmodligen kräver mer energi, som gator och motorvägar byggda på ett efterfrågebaserat sätt? Eller skulle jag tycka att de är mer som bäckar och bäckar som genomsyrar landet där de kan, omedvetna om var de flesta människor är, på ett utbudsdrivet sätt?

Det jag hittade var tydliga bevis för det senare. För båda mössen och råttor, kapillärtätheten utgör ynka 2% till 4% av hjärnans volym, oavsett hur många neuroner eller synapser som finns. Blod rinner i hjärnan som vatten nerför floder: där det kan, inte där det behövs.

Om blod flödar oavsett behov, innebär detta att hjärnan faktiskt använder blod när det tillförs. Vi fann att de små variationerna i kapillärtäthet över olika delar av döda råtthjärnor matchade perfekt med blodflödet och energianvändningen i samma delar av andra levande råtthjärnor som forskare mätte 15 år tidigare.

Löser blodflöde och energibehov

Kan den specifika tätheten av kapillärer i varje del av hjärnan vara så begränsande att den dikterar hur mycket energi den delen använder? Och skulle det gälla hjärnan som helhet?

Jag samarbetade med min kollega Doug Rothman att svara på dessa frågor. Tillsammans upptäckte vi att inte bara människors och råttas hjärnor gör vad de kan med det blod de får och vanligtvis arbetar med cirka 85 % kapacitet, utan den totala hjärnaktiviteten är verkligen dikteras av kapillärdensiteten, allt annat lika.

Anledningen till att bara 40 % av det syre som tillförs hjärnan faktiskt används är för att detta är den maximala mängden som kan bytas ut när blod strömmar förbi – som att arbetare försöker plocka upp föremål på ett löpande band som går för fort. Lokala artärer kan leverera mer blod till neuroner om de börjar använda lite mer syre, men detta kommer till priset av att leda bort blodet från andra delar av hjärnan. Eftersom gasutbytet redan var nära full kapacitet till att börja med tycks andelen syrgasutvinning till och med minska med en liten ökning av leveransen.

På långt håll kan energianvändningen i hjärnan se efterfrågebaserad ut – men den är verkligen utbudsbegränsad.

Blodtillförseln påverkar hjärnans aktivitet

Så varför spelar något av detta någon roll?

Våra fynd erbjuder en möjlig förklaring till varför hjärnan inte riktigt kan multitaska – bara snabbt växla mellan fokus. Eftersom blodflödet till hela hjärnan är hårt reglerat och förblir i princip konstant under dagen när du växlar mellan aktiviteter, tyder vår forskning på att någon del av hjärnan som upplever en ökad aktivitet – för att du börjar matte eller spela en låt, för exempel – kan bara få något mer blodflöde på bekostnad av att avleda blodflödet från andra delar av hjärnan. Alltså oförmåga att göra två saker samtidigt kan ha sitt ursprung i att blodflödet till hjärnan är utbudsbegränsat, inte efterfrågebaserat.

många hjärnskanningar
En bättre förståelse för hur hjärnan fungerar skulle kunna ge insikter om mänskligt beteende och sjukdomar.
Peter Dazeley / The Image Bank via Getty Images

Våra resultat ger också insikt i åldrande. Om neuroner måste nöja sig med den energi de kan få från en mestadels konstant blodtillförsel, så kommer de delar av hjärnan med de högsta tätheterna av neuroner att vara de första som drabbas när det råder brist – precis som de största städerna känner att smärta av en torka före mindre.

I cortex, delarna med högsta neurondensiteter är hippocampus och entorhinal cortex. Dessa områden är involverade i korttidsminnet och först att drabbas av åldrande. Mer forskning behövs för att testa om de delar av hjärnan som är mest sårbara för åldrande och sjukdomar är de med det största antalet neuroner packade och konkurrerar om en begränsad blodtillförsel.

Om det är sant att kapillärer, som neuroner, håller en livstid hos människor som de gör hos labbmöss, då kan de spela en större roll för hjärnans hälsa än förväntat. För att se till att dina hjärnneuroner förblir friska i hög ålder kan det vara ett bra val att ta hand om kapillärerna som håller dem försörjda med blod. Den goda nyheten är att det finns två beprövade sätt att göra detta: a hälsosam kost och utöva, som aldrig är för sent att börja.

Avlyssningen

Om författaren

Suzana Herculano-HouzelDocent i psykologi, Vanderbilt University

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Relaterade böcker:

Kroppen håller poängen: Hjärnans själ och kropp i läkningen av trauma

av Bessel van der Kolk

Den här boken utforskar sambanden mellan trauma och fysisk och mental hälsa, och erbjuder insikter och strategier för läkning och återhämtning.

Klicka för mer info eller för att beställa

Breath: The New Science of a Lost Art

av James Nestor

Den här boken utforskar vetenskapen och praktiken av andning, och erbjuder insikter och tekniker för att förbättra fysisk och mental hälsa.

Klicka för mer info eller för att beställa

Växtparadoxen: de dolda farorna i "hälsosam" mat som orsakar sjukdomar och viktökning

av Steven R. Gundry

Den här boken utforskar kopplingarna mellan kost, hälsa och sjukdomar, och erbjuder insikter och strategier för att förbättra övergripande hälsa och välbefinnande.

Klicka för mer info eller för att beställa

Immunitetskoden: Det nya paradigmet för verklig hälsa och radikal anti-aging

av Joel Greene

Den här boken erbjuder ett nytt perspektiv på hälsa och immunitet, som bygger på principer för epigenetik och erbjuder insikter och strategier för att optimera hälsa och åldrande.

Klicka för mer info eller för att beställa

Den kompletta guiden till fasta: läka din kropp genom intermittent, varannan dag och förlängd fasta

av Dr Jason Fung och Jimmy Moore

Den här boken utforskar vetenskapen och praktiken av fasta och erbjuder insikter och strategier för att förbättra övergripande hälsa och välbefinnande.

Klicka för mer info eller för att beställa