Az agyaknak gondjai vannak az ellátási lánccal, a neuronok pedig beérik azzal, amit kapnak
A vér oxigént és létfontosságú tápanyagokat szállít az agyba. Mr. Suphachai Praserdumrongchai/iStock a Getty Images segítségével

Az idegtudósok régóta feltételezik hogy a neuronok mohó, éhes egységek, amelyek több energiát igényelnek, amikor aktívabbá válnak, és a keringési rendszer megfelel azáltal, hogy annyi vért biztosít, amennyire tevékenységük táplálására van szükség. Valójában, ahogy a neuronális aktivitás növekszik egy feladatra válaszul, az agy ezen részének véráramlása még jobban megnő, mint az energiafelhasználás mértéke, ami többlethez vezet. Ez a növekedés a közös alapja funkcionális képalkotó technológia amely színes térképeket készít az agyi tevékenységről.

A tudósok úgy értelmezték ezt a látszólagos eltérést a véráramlásban és az energiaigényben, mint annak bizonyítékát, hogy nincs hiány az agy vérellátásában. A korlátlan kínálat ötlete azon a megfigyelésen alapult, hogy az oxigénnek csak körülbelül 40%-a az agy minden részébe juttatott mennyiséget használják fel – és ez a százalék valójában csökken, ahogy az agy egyes részei aktívabbá válnak. Evolúciós szempontból logikusnak tűnt: az agy a szükségesnél gyorsabban növelte volna a véráramlást, mint egy biztonsági funkciót, amely mindenkor garantálja az elegendő oxigénszállítást.

A funkcionális mágneses rezonancia képalkotás az agy mérésének számos módja egyike.

De vajon támogatja-e a véreloszlás az agyban egy keresletalapú rendszert? Mint idegtudós, Korábban számos egyéb feltételezést megvizsgáltam az agy legalapvetőbb tényeivel kapcsolatban, és megállapítottam, hogy ezek nem váltak ki. Hogy néhányat említsünk: Emberi agy nincs 100 milliárd idegsejtje, pedig megteszik rendelkezik a legtöbb kérgi neuronnal bármely faj; a az agykéreg hajtogatásának mértéke nem jelzi, hogy hány neuron van jelen; és nem a nagyobb állatok élnek tovább, hanem akiknek több idegsejtje van a kéregben.

Úgy gondolom, hogy annak kiderítése, hogy mi határozza meg az agy vérellátását, elengedhetetlen ahhoz, hogy megértsük, hogyan működik az agy egészségben és betegségekben. Ez olyan, mintha a városoknak ki kellene deríteniük, hogy a jelenlegi elektromos hálózat elegendő lesz-e a jövőbeni népességnövekedéshez. Az agyak, akárcsak a városok, csak akkor működnek, ha elegendő energiával rendelkeznek.


belső feliratkozási grafika


Erőforrások, mint autópályák vagy folyók

De hogyan tudnám tesztelni, hogy az agy véráramlása valóban igény-alapú-e? A mélyhűtőim konzervált, halott agyvel voltak tele. Hogyan lehet tanulmányozni az energiafelhasználást egy olyan agyban, amely már nem használ energiát?

Szerencsére az agy bizonyítékokat hagy maga után energiafelhasználására a vért szétosztó erek mintázatán keresztül. Arra gondoltam, hogy megnézhetem a kapillárisok sűrűsége – vékony, egysejt szélességű erek, amelyek gázokat, glükózt és metabolitokat szállítanak az agy és a vér között. Ezek a kapilláris hálózatok megmaradnának az agyakban a fagyasztómban.

A keresletalapú agynak hasonlónak kell lennie egy útrendszerhez. Ha az artériák és a vénák a főbb utak, amelyek árukat szállítanak az agy bizonyos részeinek városába, akkor a hajszálerek a szomszédos utcákhoz hasonlítanak, amelyek ténylegesen árukat szállítanak a végső felhasználókhoz: az egyes idegsejteket és a velük együttműködő sejteket. Az utcákat és autópályákat igény szerint építik, és egy útiterv mutatja meg, hogyan néz ki egy keresletalapú rendszer: Az utak gyakran az ország azon részeire koncentrálódnak, ahol több ember – a társadalom energiafaló egységei – élnek.

Ezzel szemben a kínálatban korlátozott agynak úgy kell kinéznie, mint egy ország folyó medrében, amely nem törődhet azzal, hogy hol tartózkodnak az emberek. A víz ott fog folyni, ahol tud, a városoknak pedig csak alkalmazkodniuk kell, és be kell érniük azzal, amit tudnak. Valószínű, hogy városok képződnek a fő ütőerek közelében – de jelentős, célirányos átalakítások hiányában növekedésüket és tevékenységüket korlátozza a rendelkezésre álló vízmennyiség.

Megállapítanám, hogy a kapillárisok az agy több idegsejttel rendelkező részein koncentrálódnak, és állítólag több energiát igényelnek, mint például a kereslet alapú módon megépített utcák és autópályák? Vagy úgy találnám, hogy inkább patakok és patakok, amelyek áthatják a földet, ahol csak lehet, nem veszik észre, ahol a legtöbb ember van, kínálatvezérelt módon?

Amit találtam, az egyértelmű bizonyíték az utóbbira. Mert mindkét egér és patkányok, a kapillárissűrűség az agy térfogatának csekély 2-4%-át teszi ki, függetlenül attól, hogy hány neuron vagy szinapszis van jelen. A vér úgy folyik az agyban, mint a víz a folyókon: ahol lehet, nem ott, ahol szükség van rá.

Ha a vér a szükséglettől függetlenül áramlik, ez azt jelenti, hogy az agy valójában a vért úgy használja fel, ahogyan azt szállítja. Megállapítottuk, hogy a kapillárissűrűség apró eltérései az elhullott patkányok agyának különböző részein tökéletesen megegyeztek a véráramlás és az energiafelhasználás mértékével más élő patkányagy ugyanazon részein, amelyet a kutatók 15 évvel ezelőtt mértek.

A véráramlás és az energiaigény megoldása

Lehetséges, hogy az agy egyes részeiben a kapillárisok fajlagos sűrűsége annyira korlátozza, hogy megszabja, hogy az adott rész mennyi energiát használ fel? És ez az agy egészére vonatkozna?

Együttműködtem a kollégámmal Doug Rothman válaszolni ezekre a kérdésekre. Együtt felfedeztük, hogy az emberi és a patkány agya nemcsak azt teszi, amit tud a kapott vérrel, és általában körülbelül 85%-os kapacitással dolgozik, hanem az agy általános aktivitása is a kapillárissűrűség diktálja, minden más egyenlő.

Az ok, amiért az agyba juttatott oxigénnek csak a 40%-a használódik fel, az az, hogy ez a maximális mennyiség, amely a vér áramlása során kicserélhető – például a dolgozók, akik a túl gyorsan haladó futószalagon próbálnak felvenni tárgyakat. A helyi artériák több vért tudnak eljuttatni a neuronokhoz, ha valamivel több oxigént kezdenek el használni, de ennek az az ára, hogy a vért elvezetik az agy más részeitől. Mivel a gázcsere már kezdetben közel volt a teljes kapacitáshoz, úgy tűnik, hogy az oxigénkivonás aránya még csökken is a szállítás enyhe növekedésével.

Messziről az agy energiafelhasználása keresletalapúnak tűnhet – de valójában korlátozott a kínálat.

A vérellátás befolyásolja az agyi aktivitást

Szóval miért számít mindez?

Eredményeink egy lehetséges magyarázatot kínálnak arra, hogy az agy miért nem tud igazán többfeladatot végezni – csak gyorsan váltogatja a fókuszokat. Mivel a véráramlás az egész agyban szigorúan szabályozott, és lényegében állandó marad a nap folyamán, amikor a tevékenységeket váltogatja, kutatásunk azt sugallja, hogy az agy bármely része, amely aktivitásnövekedést tapasztal – mert elkezd számolni vagy dalt játszani, példa – csak valamivel több véráramot tud elérni annak rovására, hogy eltereli a véráramlást az agy más részeiről. Így a képtelenség két dolgot egyszerre csinálni eredete abból eredhet, hogy az agyba irányuló véráramlás korlátozott, nem pedig kereslet alapú.

számos agyi vizsgálat
Az agy működésének jobb megértése betekintést nyújthat az emberi viselkedésbe és a betegségekbe.
Peter Dazeley / The Image Bank via Getty Images

Eredményeink betekintést nyújtanak az öregedésbe is. Ha a neuronoknak be kell érniük azzal az energiával, amit többnyire állandó vérellátásból tudnak beszerezni, akkor az agy legnagyobb sűrűségű idegsejt-sűrűségű részei lesznek először érintettek, amikor hiány van – ahogy a legnagyobb városok is érzik. a szárazság fájdalma a kisebbek előtt.

A kéregben a részek a legnagyobb neuronsűrűség a hippocampus és az entorhinalis kéreg. Ezek a területek a rövid távú memória és a először szenved az öregedéstől. További kutatásokra van szükség annak tesztelésére, hogy az agy öregedéssel és betegségekkel szemben leginkább sebezhető részei-e azok, amelyekben a legtöbb neuron van összecsomagolva, és versengenek a korlátozott vérellátásért.

Ha igaz, hogy a kapillárisok, mint a neuronok, egész életen át emberekben, mint a laboratóriumi egerekben, akkor a vártnál nagyobb szerepet játszhatnak az agy egészségében. Annak érdekében, hogy agyi neuronjai idős korban is egészségesek maradjanak, érdemes gondoskodni a vérellátást biztosító kapillárisokról. A jó hír az, hogy ennek két bevált módja van: a egészséges étrend és a gyakorol, amelyeket soha nem késő elkezdeni.

A beszélgetés

A szerzőről

Suzana Herculano-Houzel, Pszichológia docens, Vanderbilt Egyetem

Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.

Kapcsolódó könyvek:

A test tartja a pontszámot: Az agy és a test a traumák gyógyításában

írta Bessel van der Kolk

Ez a könyv a trauma, valamint a fizikai és mentális egészség összefüggéseit tárja fel, betekintést és stratégiákat kínálva a gyógyuláshoz és felépüléshez.

Kattintson a további információkért vagy a megrendeléshez

Lélegzet: Egy elveszett művészet új tudománya

írta: James Nestor

Ez a könyv a légzés tudományát és gyakorlatát tárja fel, betekintést és technikákat kínálva a testi és lelki egészség javítására.

Kattintson a további információkért vagy a megrendeléshez

A növényi paradoxon: Az „egészséges” élelmiszerek rejtett veszélyei, amelyek betegségeket és súlygyarapodást okoznak

szerző: Steven R. Gundry

Ez a könyv az étrend, az egészség és a betegségek közötti összefüggéseket tárja fel, betekintést és stratégiákat kínálva az általános egészség és jólét javítására.

Kattintson a további információkért vagy a megrendeléshez

Az Immunity Code: A valódi egészség és a radikális öregedésgátlás új paradigmája

írta Joel Greene

Ez a könyv új perspektívát kínál az egészségről és az immunitásról, az epigenetika alapelveire támaszkodva, valamint betekintést és stratégiákat kínál az egészség és az öregedés optimalizálásához.

Kattintson a további információkért vagy a megrendeléshez

A böjt teljes útmutatója: Gyógyítsa meg testét időszakos, váltakozó napos és hosszabb böjtöléssel

Dr. Jason Fung és Jimmy Moore

Ez a könyv a böjt tudományát és gyakorlatát tárja fel, betekintést és stratégiákat kínálva az általános egészség és jólét javítására.

Kattintson a további információkért vagy a megrendeléshez