Otak Mempunyai Isu Rantaian Bekalan dan Neuron Berurusan dengan Apa yang Mereka Dapat
Darah membawa oksigen dan nutrien penting ke otak. Encik Suphachai Praserdumrongchai/iStock melalui Getty Images

Ahli sains saraf telah lama mengandaikan bahawa neuron adalah unit yang tamak, lapar yang memerlukan lebih banyak tenaga apabila mereka menjadi lebih aktif, dan sistem peredaran darah mematuhi dengan membekalkan seberapa banyak darah yang diperlukan untuk menyemarakkan aktiviti mereka. Sesungguhnya, apabila aktiviti neuron meningkat sebagai tindak balas kepada tugas, aliran darah ke bahagian otak itu meningkat lebih daripada kadar penggunaan tenaganya, yang membawa kepada lebihan. Peningkatan ini adalah asas biasa teknologi pengimejan berfungsi yang menjana peta berwarna aktiviti otak.

Para saintis pernah mentafsir ketidakpadanan yang jelas ini dalam aliran darah dan permintaan tenaga sebagai bukti bahawa tidak ada kekurangan bekalan darah ke otak. Idea bekalan tanpa had adalah berdasarkan pemerhatian bahawa hanya kira-kira 40% daripada oksigen dihantar ke setiap bahagian otak digunakan - dan peratusan ini sebenarnya menurun apabila bahagian otak menjadi lebih aktif. Ia seolah-olah masuk akal evolusi: Otak akan mengembangkan peningkatan aliran darah yang lebih pantas daripada yang diperlukan ini sebagai ciri keselamatan yang menjamin penghantaran oksigen yang mencukupi pada setiap masa.

Pengimejan resonans magnetik berfungsi adalah salah satu daripada beberapa cara untuk mengukur otak.

Tetapi adakah pengedaran darah di otak sebenarnya menyokong sistem berasaskan permintaan? Sebagai seorang pakar saraf saya sendiri, saya sebelum ini telah meneliti beberapa andaian lain tentang fakta paling asas tentang otak dan mendapati bahawa ia tidak berjaya. Untuk menamakan beberapa: Otak manusia tidak mempunyai 100 bilion neuron, walaupun mereka lakukan mempunyai neuron kortikal yang paling banyak mana-mana spesies; yang tahap lipatan korteks serebrum tidak menunjukkan berapa banyak neuron yang ada; dan bukan haiwan yang lebih besar yang hidup lebih lama, tetapi mereka yang mempunyai lebih banyak neuron dalam korteks mereka.

Saya percaya bahawa memikirkan perkara yang menentukan bekalan darah ke otak adalah penting untuk memahami cara otak berfungsi dalam kesihatan dan penyakit. Ia seperti bagaimana bandar perlu memikirkan sama ada grid elektrik semasa akan mencukupi untuk menyokong pertambahan penduduk pada masa hadapan. Otak, seperti bandar, hanya berfungsi jika ia mempunyai tenaga yang mencukupi.


grafik langganan dalaman


Sumber sebagai lebuh raya atau sungai

Tetapi bagaimana saya boleh menguji sama ada aliran darah ke otak benar-benar berasaskan permintaan? Peti sejuk beku saya dipenuhi dengan otak-otak mati yang diawet. Bagaimana anda mengkaji penggunaan tenaga dalam otak yang tidak menggunakan tenaga lagi?

Nasib baik, otak meninggalkan bukti penggunaan tenaganya melalui corak saluran yang mengedarkan darah ke seluruhnya. Saya fikir saya boleh melihat ketumpatan kapilari – salur nipis, satu sel lebar yang memindahkan gas, glukosa dan metabolit antara otak dan darah. Rangkaian kapilari ini akan disimpan di dalam otak dalam peti sejuk saya.

Otak berasaskan permintaan harus setanding dengan sistem jalan raya. Jika arteri dan vena adalah lebuh raya utama yang membawa barangan ke bandar bahagian otak tertentu, kapilari adalah serupa dengan jalan kejiranan yang sebenarnya menghantar barangan kepada pengguna akhir mereka: neuron individu dan sel yang berfungsi dengannya. Jalan dan lebuh raya dibina atas permintaan, dan peta jalan menunjukkan rupa sistem berasaskan permintaan: Jalan raya selalunya tertumpu di bahagian negara yang lebih ramai orang - unit masyarakat yang memenatkan tenaga.

Sebaliknya, otak yang terhad bekalan sepatutnya kelihatan seperti dasar sungai sebuah negara, yang tidak peduli di mana orang berada. Air akan mengalir di mana ia boleh, dan bandar hanya perlu menyesuaikan diri dengan apa yang mereka boleh dapatkan. Kemungkinan besar, bandar akan terbentuk di sekitar arteri utama - tetapi tidak terdapat pengubahsuaian yang besar dan bertujuan, pertumbuhan dan aktivitinya dihadkan oleh jumlah air yang tersedia.

Adakah saya akan mendapati bahawa kapilari tertumpu di bahagian otak dengan lebih banyak neuron dan kononnya memerlukan lebih banyak tenaga, seperti jalan dan lebuh raya yang dibina dalam cara berasaskan permintaan? Atau adakah saya akan mendapati bahawa ia lebih seperti anak sungai dan anak sungai yang meresap ke tanah di mana mereka boleh, tidak menyedari di mana kebanyakan orang berada, dengan cara yang didorong oleh bekalan?

Apa yang saya dapati adalah bukti yang jelas untuk yang terakhir. Untuk kedua-dua tikus dan tikus, ketumpatan kapilari membentuk sedikit 2% hingga 4% isipadu otak, tidak kira berapa banyak neuron atau sinaps hadir. Darah mengalir di otak seperti air ke sungai: di mana ia boleh, bukan di mana ia diperlukan.

Jika darah mengalir tanpa mengira keperluan, ini menunjukkan bahawa otak sebenarnya menggunakan darah kerana ia dibekalkan. Kami mendapati bahawa variasi kecil dalam ketumpatan kapilari merentas bahagian berlainan otak tikus mati dipadankan dengan sempurna dengan kadar aliran darah dan penggunaan tenaga di bahagian yang sama pada otak tikus hidup yang lain yang diukur oleh penyelidik 15 tahun sebelumnya.

Menyelesaikan aliran darah dan permintaan tenaga

Bolehkah ketumpatan khusus kapilari di setiap bahagian otak menjadi sangat terhad sehingga ia menentukan berapa banyak tenaga yang digunakan oleh bahagian itu? Dan adakah itu terpakai kepada otak secara keseluruhan?

Saya bekerjasama dengan rakan sekerja saya Doug Rothman untuk menjawab soalan-soalan ini. Bersama-sama, kami mendapati bahawa bukan sahaja kedua-dua otak manusia dan tikus melakukan apa yang mereka boleh dengan darah yang mereka perolehi dan biasanya berfungsi pada kapasiti kira-kira 85%, tetapi aktiviti otak keseluruhannya sememangnya ditentukan oleh ketumpatan kapilari, semua yang lain adalah sama.

Sebab mengapa hanya 40% daripada oksigen yang dibekalkan ke otak benar-benar digunakan adalah kerana ini adalah jumlah maksimum yang boleh ditukar apabila darah mengalir - seperti pekerja yang cuba mengambil barang di barisan pemasangan yang terlalu pantas. Arteri tempatan boleh menghantar lebih banyak darah ke neuron jika mereka mula menggunakan lebih sedikit oksigen, tetapi ini melibatkan kos untuk mengalihkan darah dari bahagian otak yang lain. Memandangkan pertukaran gas sudah hampir kapasiti penuh untuk bermula, pecahan pengekstrakan oksigen nampaknya semakin berkurangan dengan sedikit peningkatan dalam penghantaran.

Dari jauh, penggunaan tenaga dalam otak mungkin kelihatan berasaskan permintaan - tetapi ia benar-benar terhad bekalan.

Bekalan darah mempengaruhi aktiviti otak

Jadi mengapa ada perkara ini?

Penemuan kami menawarkan penjelasan yang mungkin mengapa otak tidak boleh benar-benar berbilang tugas – hanya bergantian dengan cepat antara fokus. Oleh kerana aliran darah ke seluruh otak dikawal ketat dan pada asasnya kekal berterusan sepanjang hari semasa anda bergilir-gilir antara aktiviti, penyelidikan kami mencadangkan bahawa mana-mana bahagian otak yang mengalami peningkatan dalam aktiviti - kerana anda mula melakukan matematik atau memainkan lagu, untuk contoh – hanya boleh mendapat aliran darah yang lebih sedikit dengan mengorbankan pengalihan aliran darah dari bahagian otak yang lain. Oleh itu, ketidakupayaan untuk melakukan dua perkara pada masa yang sama mungkin berpunca daripada aliran darah ke otak yang terhad bekalan, bukan berasaskan permintaan.

banyak imbasan otak
Pemahaman yang lebih baik tentang cara otak berfungsi boleh menawarkan pandangan tentang tingkah laku dan penyakit manusia.
Peter Dazeley / Bank Imej melalui Getty Images

Penemuan kami juga menawarkan wawasan tentang penuaan. Jika neuron mesti menyesuaikan diri dengan tenaga yang mereka boleh perolehi daripada bekalan darah yang kebanyakannya berterusan, maka bahagian otak dengan ketumpatan neuron tertinggi akan menjadi yang pertama terjejas apabila terdapat kekurangan - sama seperti bandar-bandar terbesar merasakan kesakitan kemarau sebelum yang lebih kecil.

Dalam korteks, bahagian dengan ketumpatan neuron tertinggi ialah hippocampus dan korteks entorhinal. Bidang-bidang ini terlibat dalam ingatan jangka pendek dan pertama menderita dalam penuaan. Lebih banyak penyelidikan diperlukan untuk menguji sama ada bahagian otak yang paling terdedah kepada penuaan dan penyakit adalah bahagian yang mempunyai bilangan neuron terbanyak yang dibungkus bersama dan bersaing untuk bekalan darah yang terhad.

Jika benar bahawa kapilari, seperti neuron, terakhir seumur hidup pada manusia seperti yang dilakukan pada tikus makmal, maka mereka mungkin memainkan peranan yang lebih besar dalam kesihatan otak daripada yang dijangkakan. Untuk memastikan neuron otak anda kekal sihat pada usia tua, menjaga kapilari yang memastikannya dibekalkan dengan darah mungkin merupakan pertaruhan yang baik. Berita baiknya ialah terdapat dua cara yang terbukti untuk melakukan ini: a diet sihat and menjalankan, yang tidak pernah terlambat untuk bermula.

Perbualan

Mengenai Penulis

Suzana Herculano-Houzel, Profesor Madya Psikologi, Universiti Vanderbilt

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.

Buku berkaitan:

Badan Mengekalkan Skor: Otak Minda dan Badan dalam Penyembuhan Trauma

oleh Bessel van der Kolk

Buku ini meneroka hubungan antara trauma dan kesihatan fizikal dan mental, menawarkan pandangan dan strategi untuk penyembuhan dan pemulihan.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan

Nafas: Sains Baharu Seni yang Hilang

oleh James Nestor

Buku ini meneroka sains dan amalan pernafasan, menawarkan pandangan dan teknik untuk meningkatkan kesihatan fizikal dan mental.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan

The Plant Paradox: Bahaya Tersembunyi dalam Makanan "Sihat" Yang Menyebabkan Penyakit dan Berat Badan

oleh Steven R. Gundry

Buku ini meneroka kaitan antara diet, kesihatan dan penyakit, menawarkan pandangan dan strategi untuk meningkatkan kesihatan dan kesejahteraan keseluruhan.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan

Kod Kekebalan: Paradigma Baharu untuk Kesihatan Sebenar dan Anti-Penuaan Radikal

oleh Joel Greene

Buku ini menawarkan perspektif baharu tentang kesihatan dan imuniti, menggunakan prinsip epigenetik dan menawarkan pandangan serta strategi untuk mengoptimumkan kesihatan dan penuaan.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan

Panduan Lengkap Puasa: Sembuhkan Tubuh Anda Melalui Puasa Selang Selang, Hari Bergantian dan Berpanjangan

oleh Dr. Jason Fung dan Jimmy Moore

Buku ini meneroka sains dan amalan berpuasa yang menawarkan pandangan dan strategi untuk meningkatkan kesihatan dan kesejahteraan keseluruhan.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan