Blod transporterer ilt og vitale næringsstoffer til hjernen. Mr. Suphachai Praserdumrongchai/iStock via Getty Images

Neurovidenskabsmænd har længe antaget at neuroner er grådige, sultne enheder, der kræver mere energi, når de bliver mere aktive, og kredsløbssystemet overholder det ved at give så meget blod, som de har brug for for at give næring til deres aktivitet. Faktisk, når neuronal aktivitet øges som reaktion på en opgave, øges blodgennemstrømningen til den del af hjernen endnu mere end dens energiforbrug, hvilket fører til et overskud. Denne stigning er grundlaget for fælles funktionel billedteknologi der genererer farvede kort over hjerneaktivitet.

Forskere plejede at fortolke denne tilsyneladende uoverensstemmelse i blodgennemstrømning og energibehov som bevis på, at der ikke er mangel på blodforsyning til hjernen. Ideen om et ubegrænset udbud var baseret på den observation, at kun omkring 40 % af ilten leveret til hver del af hjernen bruges - og denne procentdel falder faktisk, efterhånden som dele af hjernen bliver mere aktive. Det så ud til at give evolutionær mening: Hjernen ville have udviklet denne hurtigere end nødvendigt stigning i blodgennemstrømningen som en sikkerhedsfunktion, der garanterer tilstrækkelig ilttilførsel til enhver tid.

Men understøtter blodfordelingen i hjernen faktisk et efterspørgselsbaseret system? Selv som neuroforsker, jeg havde tidligere undersøgt en række andre antagelser om de mest basale fakta om hjerner og fundet ud af, at de ikke slog ud. For at nævne nogle få: Menneskelige hjerner har ikke 100 milliarder neuronerselvom de gør det har flest kortikale neuroner af enhver art; det grad af foldning af hjernebarken angiver ikke, hvor mange neuroner der er til stede; og det er ikke større dyr, der lever længere, men dem med flere neuroner i deres cortex.

Jeg tror, ​​at det er vigtigt at finde ud af, hvad der bestemmer blodforsyningen til hjernen, for at forstå, hvordan hjerner fungerer i sundhed og sygdom. Det er ligesom, hvordan byer skal finde ud af, om det nuværende elnet vil være nok til at understøtte en fremtidig befolkningstilvækst. Hjerner fungerer ligesom byer kun, hvis de har nok energi.

Ressourcer som motorveje eller floder

Men hvordan kan jeg teste, om blodgennemstrømningen til hjernen virkelig er efterspørgselsbaseret? Mine frysere var fyldt med bevarede, døde hjerner. Hvordan studerer man energiforbruget i en hjerne, der ikke bruger energi længere?

Heldigvis efterlader hjernen beviser på sit energiforbrug gennem mønstret af de kar, der fordeler blodet i hele den. Jeg tænkte, at jeg kunne se på tæthed af kapillærer – de tynde encellede kar, der overfører gasser, glukose og metabolitter mellem hjerne og blod. Disse kapillære netværk ville blive bevaret i hjernen i mine frysere.

En efterspørgselsbaseret hjerne burde kunne sammenlignes med et vejsystem. Hvis arterier og vener er de vigtigste motorveje, der fører varer til byen i bestemte dele af hjernen, er kapillærer beslægtet med kvarterets gader, der faktisk leverer varer til deres endelige brugere: individuelle neuroner og cellerne, der arbejder med dem. Gader og motorveje bygges efter behov, og et kørekort viser, hvordan et efterspørgselsbaseret system ser ud: Veje er ofte koncentreret i dele af landet, hvor der er flere mennesker – samfundets energislugende enheder.

I modsætning hertil burde en hjerne med begrænset udbud ligne flodsengene i et land, som ikke kunne være ligeglad med, hvor folk befinder sig. Vand vil flyde, hvor det kan, og byerne må bare tilpasse sig og nøjes med, hvad de kan få. Der vil sandsynligvis dannes byer i nærheden af ​​hovedpulsårerne - men i mangel af større, målrettet ombygning er deres vækst og aktiviteter begrænset af, hvor meget vand der er til rådighed.

Ville jeg opdage, at kapillærer er koncentreret i dele af hjernen med flere neuroner og angiveligt kræver mere energi, som gader og motorveje bygget på en efterspørgselsbaseret måde? Eller ville jeg opleve, at de mere ligner åer og vandløb, der gennemsyrer landet, hvor de kan, uvidende om, hvor flest mennesker er, på en forsyningsdrevet måde?

Det, jeg fandt, var klare beviser for det sidste. Til begge mus og rotter, udgør kapillærtæthed små 2% til 4% af hjernevolumen, uanset hvor mange neuroner eller synapser der er til stede. Blod flyder i hjernen som vand ned ad floder: hvor det kan, ikke hvor det er nødvendigt.

Hvis blodet flyder uanset behov, betyder det, at hjernen rent faktisk bruger blod, efterhånden som det tilføres. Vi fandt ud af, at de små variationer i kapillærtæthed på tværs af forskellige dele af døde rottehjerner matchede perfekt med hastighederne for blodgennemstrømning og energiforbrug i de samme dele af andre levende rottehjerner, som forskere målte 15 år tidligere.

Løsning af blodgennemstrømning og energibehov

Kunne den specifikke tæthed af kapillærer i hver del af hjernen være så begrænsende, at den dikterer, hvor meget energi den del bruger? Og ville det gælde for hjernen som helhed?

Jeg samarbejdede med min kollega Doug Rothman at besvare disse spørgsmål. Sammen opdagede vi, at ikke blot gør både menneske- og rottehjerner, hvad de kan med det blod, de får, og at de typisk arbejder med en kapacitet på omkring 85 %, men den samlede hjerneaktivitet er faktisk dikteret af kapillær tæthed, alt andet lige.

Grunden til, at kun 40 % af den ilt, der tilføres hjernen, faktisk bliver brugt, er, at dette er den maksimale mængde, der kan udveksles, når blodet strømmer forbi – ligesom arbejdere, der forsøger at samle genstande op på et samlebånd, der går for hurtigt. Lokale arterier kan levere mere blod til neuroner, hvis de begynder at bruge lidt mere ilt, men det kommer på bekostning af at lede blod væk fra andre dele af hjernen. Da gasudvekslingen allerede var tæt på fuld kapacitet til at begynde med, synes fraktionen af ​​iltudvinding endda at falde med en lille stigning i leveringen.

På afstand kan energiforbruget i hjernen se efterspørgselsbaseret ud – men det er virkelig udbudsbegrænset.

Blodforsyningen påvirker hjerneaktiviteten

Så hvorfor betyder noget af dette noget?

Vores resultater giver en mulig forklaring på, hvorfor hjernen ikke rigtig kan multitaske – kun hurtigt veksle mellem fokus. Fordi blodgennemstrømningen til hele hjernen er stramt reguleret og i det væsentlige forbliver konstant i løbet af dagen, mens du veksler mellem aktiviteter, tyder vores forskning på, at enhver del af hjernen, der oplever en stigning i aktivitet – fordi du begynder at lave matematik eller spille en sang, f. eksempel – kan kun få lidt mere blodgennemstrømning på bekostning af at aflede blodgennemstrømningen fra andre dele af hjernen. Således manglende evne til at gøre to ting på samme tid kan have sin oprindelse i, at blodgennemstrømningen til hjernen er udbudsbegrænset, ikke efterspørgselsbaseret.

En bedre forståelse af, hvordan hjernen fungerer, kunne give indsigt i menneskelig adfærd og sygdom. Peter Dazeley / Billedbanken via Getty Images

Vores resultater giver også indsigt i aldring. Hvis neuroner må nøjes med den energi, de kan få fra en stort set konstant blodforsyning, så vil de dele af hjernen med den højeste tæthed af neuroner være de første, der bliver påvirket, når der er mangel – ligesom de største byer føler, smerte af en tørke før mindre.

I cortex er delene med højeste neurontæthed er hippocampus og entorhinal cortex. Disse områder er involveret i korttidshukommelsen og første til at lide under aldring. Mere forskning er nødvendig for at teste, om de dele af hjernen, der er mest sårbare over for aldring og sygdom, er dem med det største antal neuroner pakket sammen og konkurrerer om en begrænset blodforsyning.

Hvis det er sandt, at kapillærer, som neuroner, varer livet ud hos mennesker, som de gør hos laboratoriemus, så kan de spille en større rolle i hjernens sundhed end forventet. For at sikre, at dine hjerneneuroner forbliver sunde i alderdommen, kan det være et godt bud at tage sig af kapillærerne, der holder dem forsynet med blod. Den gode nyhed er, at der er to dokumenterede måder at gøre dette på: a sund kost , udøve, som aldrig er for sent at begynde.

Om forfatteren

Suzana Herculano-Houzel, Lektor i psykologi, Vanderbilt University

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Relaterede Bøger:

Kroppen holder scoren: Hjernens sind og krop i helingen af ​​traumer

af Bessel van der Kolk

Denne bog udforsker forbindelserne mellem traumer og fysisk og mental sundhed, og tilbyder indsigt og strategier for helbredelse og bedring.

Klik for mere info eller for at bestille

Breath: The New Science of a Lost Art

af James Nestor

Denne bog udforsker videnskaben og praksisen med åndedræt og tilbyder indsigt og teknikker til at forbedre fysisk og mental sundhed.

Klik for mere info eller for at bestille

Planteparadokset: De skjulte farer ved "sunde" fødevarer, der forårsager sygdom og vægtøgning

af Steven R. Gundry

Denne bog udforsker forbindelserne mellem kost, sundhed og sygdom, og tilbyder indsigt og strategier til at forbedre den generelle sundhed og velvære.

Klik for mere info eller for at bestille

Immunitetskoden: Det nye paradigme for ægte sundhed og radikal anti-aldring

af Joel Greene

Denne bog tilbyder et nyt perspektiv på sundhed og immunitet, der trækker på principper for epigenetik og tilbyder indsigt og strategier til at optimere sundhed og aldring.

Klik for mere info eller for at bestille

Den komplette guide til faste: Helbred din krop gennem intermitterende, alternativ-dages og forlænget faste

af Dr. Jason Fung og Jimmy Moore

Denne bog udforsker videnskaben og praksis med faste og tilbyder indsigt og strategier til forbedring af den generelle sundhed og velvære.

Klik for mere info eller for at bestille