У мозга есть проблемы с цепочкой поставок, а нейроны обходятся тем, что получают
Кровь несет к мозгу кислород и жизненно важные питательные вещества. Г-н Суфачай Прасердумронгчай/iStock через Getty Images

Нейробиологи давно предполагали что нейроны — жадные, голодные единицы, которым требуется больше энергии, когда они становятся более активными, и система кровообращения подчиняется этому, предоставляя столько крови, сколько им требуется для подпитки их активности. Действительно, по мере того как активность нейронов увеличивается в ответ на задачу, приток крови к этой части мозга увеличивается даже больше, чем скорость использования энергии, что приводит к избытку. Это увеличение является основой общего технология функциональной визуализации который генерирует цветные карты активности мозга.

Раньше ученые интерпретировали это очевидное несоответствие кровотока и потребности в энергии как свидетельство того, что недостатка в кровоснабжении мозга нет. Идея неограниченных запасов была основана на наблюдении, что только около 40% кислорода доставляется в каждую часть мозга, и этот процент на самом деле падает по мере того, как части мозга становятся более активными. Казалось, что это имело эволюционный смысл: мозг развил это более быстрое, чем необходимо, увеличение кровотока как функцию безопасности, гарантирующую постоянную достаточную доставку кислорода.

Функциональная магнитно-резонансная томография является одним из нескольких способов измерения мозга.

Но действительно ли распределение крови в мозгу поддерживает систему, основанную на потребностях? Сам как нейробиологРанее я исследовал ряд других предположений о самых основных фактах о мозге и обнаружил, что они не оправдались. Вот некоторые из них: человеческий мозг. не иметь 100 миллиардов нейронов, хотя и делают имеют наибольшее количество корковых нейронов любых видов; в степень складчатости коры головного мозга не указывает, сколько нейронов присутствует; и не более крупные животные живут дольше, а те, у кого больше нейронов в коре.

Я считаю, что выяснение того, что определяет кровоснабжение мозга, необходимо для понимания того, как мозг работает в норме и при болезни. Это похоже на то, как города должны выяснить, хватит ли существующей электрической сети для поддержки будущего роста населения. Мозги, как и города, работают только при наличии достаточного количества энергии.


графика подписки внутри себя


Ресурсы в виде шоссе или рек

Но как я могу проверить, действительно ли приток крови к мозгу зависит от потребности? Мои морозильники были забиты законсервированными мертвыми мозгами. Как вы изучаете использование энергии мозгом, который больше не использует энергию?

К счастью, мозг оставляет следы использования энергии в виде сосудов, распределяющих по нему кровь. Я подумал, что могу посмотреть на плотность капилляров – тонкие сосуды шириной в одну клетку, по которым газы, глюкоза и метаболиты передаются между мозгом и кровью. Эти капиллярные сети сохранятся в мозгу в моих морозильных камерах.

Мозг, основанный на спросе, можно сравнить с дорожной системой. Если артерии и вены являются главными магистралями, по которым товары доставляются в город определенных частей мозга, то капилляры подобны соседним улицам, которые фактически доставляют товары их конечным потребителям: отдельным нейронам и клеткам, которые с ними работают. Улицы и автомагистрали строятся по запросу, и дорожная карта показывает, как выглядит система, основанная на спросе: дороги часто сосредоточены в тех частях страны, где проживает больше людей — энергоемких ячеек общества.

Напротив, мозг с ограниченными запасами должен выглядеть как русла рек в стране, которой наплевать на то, где находятся люди. Вода течет туда, куда может, и городам просто нужно приспосабливаться и довольствоваться тем, что они могут получить. Скорее всего, города будут формироваться в непосредственной близости от основных артерий, но при отсутствии серьезной целенаправленной реконструкции их рост и деятельность будут ограничены количеством доступной воды.

Обнаружу ли я, что капилляры сосредоточены в частях мозга с большим количеством нейронов и предположительно требуют больше энергии, как улицы и шоссе, построенные по требованию? Или я обнаружил бы, что они больше похожи на ручьи и ручьи, которые пронизывают землю, где могут, не обращая внимания на то, где находится большинство людей, в зависимости от предложения?

То, что я нашел, было явным доказательством последнего. Для обе мыши и крыс, плотность капилляров составляет от 2% до 4% объема мозга, независимо от того, сколько нейронов или синапсов присутствует. Кровь течет в мозгу, как вода по реке: туда, где можно, а не там, где надо.

Если кровь течет независимо от потребности, это означает, что мозг фактически использует кровь по мере ее поступления. Мы обнаружили, что крошечные различия в плотности капилляров в разных частях мозга мертвых крыс идеально соответствовали скорости кровотока и использования энергии в тех же частях мозга других живых крыс, которые исследователи измеряли 15 лет назад.

Урегулирование кровотока и потребности в энергии

Может ли удельная плотность капилляров в каждой части мозга быть настолько ограничивающей, что она диктует, сколько энергии эта часть использует? И относится ли это к мозгу в целом?

Я сотрудничал с моим коллегой Дуг Ротман чтобы ответить на эти вопросы. Вместе мы обнаружили, что мозг человека и крысы не только делает то, что может, с той кровью, которую они получают, и обычно работает примерно на 85 % своих возможностей, но и общая активность мозга действительно ограничена. определяется плотностью капилляров, при прочих равных.

Причина, по которой только 40% кислорода, подаваемого в мозг, фактически используется, заключается в том, что это максимальное количество, которое может быть обменено с кровотоком — подобно рабочим, пытающимся подобрать предметы на сборочном конвейере, работающем слишком быстро. Местные артерии могут доставить больше крови к нейронам, если они начнут потреблять немного больше кислорода, но это происходит за счет отвода крови от других частей мозга. Поскольку с самого начала газообмен был почти полным, доля экстракции кислорода, по-видимому, даже снижается при небольшом увеличении доставки.

Издалека использование энергии в мозге может показаться основанным на спросе, но на самом деле оно ограничено предложением.

Кровоснабжение влияет на мозговую деятельность

Так почему все это имеет значение?

Наши результаты предлагают возможное объяснение того, почему мозг не может по-настоящему многозадачно работать, а только быстро переключаться между фокусами. Поскольку приток крови ко всему мозгу жестко регулируется и остается в основном постоянным в течение дня, когда вы чередуете действия, наше исследование предполагает, что любая часть мозга, в которой наблюдается увеличение активности — потому что вы начинаете заниматься математикой или играть песню, Например, можно получить лишь немного больше кровотока за счет отвода кровотока от других частей мозга. Таким образом неспособность делать два дела одновременно может быть связано с тем, что приток крови к мозгу ограничен предложением, а не спросом.

многочисленные сканирования мозга
Лучшее понимание того, как работает мозг, может дать представление о человеческом поведении и болезнях.
Питер Дазли / The Image Bank через Getty Images

Наши результаты также дают представление о старении. Если нейронам приходится довольствоваться той энергией, которую они могут получить из в основном постоянного кровоснабжения, то части мозга с наибольшей плотностью нейронов будут затронуты в первую очередь, когда возникнет нехватка — точно так же, как крупнейшие города ощущают нехватку энергии. боль засухи перед более мелкими.

В коре отделы с самая высокая плотность нейронов относятся гиппокамп и энторинальная кора. Эти области связаны с кратковременной памятью и первый страдает от старения. Необходимы дополнительные исследования, чтобы проверить, являются ли части мозга, наиболее уязвимые для старения и болезней, с наибольшим количеством нейронов, упакованных вместе и конкурирующих за ограниченное кровоснабжение.

Если правда, что капилляры, как и нейроны, на всю жизнь у людей, как и у лабораторных мышей, то они могут играть большую роль в здоровье мозга, чем ожидалось. Чтобы убедиться, что нейроны вашего мозга остаются здоровыми в пожилом возрасте, позаботьтесь о капиллярах, обеспечивающих их кровоснабжение. Хорошая новость заключается в том, что есть два проверенных способа сделать это: здоровое питание и осуществлять, которые никогда не поздно начать.

Беседа

Об авторе

Сюзана Эркулано-Хаузель, Доцент психологии, Университет Вандербильта

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Похожие книги:

Тело ведет счет: мозг, разум и тело в исцелении травмы

Бессель ван дер Колк

Эта книга исследует связи между травмой и физическим и психическим здоровьем, предлагая идеи и стратегии для исцеления и восстановления.

Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа

Дыхание: новая наука об утерянном искусстве

Джеймс Нестор

Эта книга исследует науку и практику дыхания, предлагая идеи и методы для улучшения физического и психического здоровья.

Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа

Парадокс растений: скрытые опасности «здоровой» пищи, вызывающие болезни и увеличение веса

Стивен Р. Гандри

Эта книга исследует связи между диетой, здоровьем и болезнями, предлагая идеи и стратегии для улучшения общего состояния здоровья и хорошего самочувствия.

Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа

Код иммунитета: новая парадигма настоящего здоровья и радикального омоложения

Джоэл Грин

Эта книга предлагает новый взгляд на здоровье и иммунитет, опираясь на принципы эпигенетики и предлагая идеи и стратегии для оптимизации здоровья и старения.

Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа

Полное руководство по голоданию: исцелите свое тело с помощью прерывистого, чередующегося и длительного голодания

д-р Джейсон Фанг и Джимми Мур

Эта книга исследует науку и практику голодания, предлагая идеи и стратегии для улучшения общего состояния здоровья и хорошего самочувствия.

Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа