Blod frakter oksygen og viktige næringsstoffer til hjernen. Mr. Suphachai Praserdumrongchai/iStock via Getty Images

Nevrovitenskapsmenn har lenge antatt at nevroner er grådige, sultne enheter som krever mer energi når de blir mer aktive, og sirkulasjonssystemet overholder det ved å gi så mye blod som de trenger for å drive aktiviteten deres. Faktisk, når nevronal aktivitet øker som svar på en oppgave, øker blodstrømmen til den delen av hjernen enda mer enn energibruken, noe som fører til et overskudd. Denne økningen er grunnlaget for felles funksjonell bildeteknologi som genererer fargede kart over hjerneaktivitet.

Forskere pleide å tolke dette tilsynelatende misforholdet i blodstrøm og energibehov som bevis på at det ikke er mangel på blodtilførsel til hjernen. Ideen om et ubegrenset tilbud var basert på observasjonen at bare rundt 40 % av oksygenet som leveres til hver del av hjernen brukes – og denne prosentandelen synker faktisk etter hvert som deler av hjernen blir mer aktive. Det så ut til å gi evolusjonær mening: Hjernen ville ha utviklet denne raskere enn nødvendig økning i blodstrømmen som en sikkerhetsfunksjon som garanterer tilstrekkelig oksygentilførsel til enhver tid.

Men støtter blodfordelingen i hjernen faktisk et behovsbasert system? Som nevroforsker selv, jeg hadde tidligere undersøkt en rekke andre antakelser om de mest grunnleggende fakta om hjerner og funnet ut at de ikke fungerte. For å nevne noen: Menneskelige hjerner har ikke 100 milliarder nevroner, selv om de gjør det har flest kortikale nevroner av hvilken som helst art; de grad av folding av hjernebarken indikerer ikke hvor mange nevroner som er tilstede; og det er ikke større dyr som lever lenger, men de med flere nevroner i cortex.

Jeg tror at det å finne ut hva som bestemmer blodtilførselen til hjernen er avgjørende for å forstå hvordan hjernen fungerer i helse og sykdom. Det er som hvordan byer må finne ut om dagens elektriske nett vil være nok til å støtte en fremtidig befolkningsøkning. Hjerner, som byer, fungerer bare hvis de har nok energi tilført.

Ressurser som motorveier eller elver

Men hvordan kan jeg teste om blodstrømmen til hjernen virkelig er behovsbasert? Mine frysere var fylt med bevarte, døde hjerner. Hvordan studerer du energibruk i en hjerne som ikke bruker energi lenger?

Heldigvis etterlater hjernen bevis på energibruken gjennom mønsteret til karene som distribuerer blod gjennom den. Jeg tenkte at jeg kunne se på tetthet av kapillærer – de tynne encellede karene som overfører gasser, glukose og metabolitter mellom hjerne og blod. Disse kapillærnettverkene ville bli bevart i hjernen i fryserene mine.

En etterspørselsbasert hjerne skal kunne sammenlignes med et veisystem. Hvis arterier og vener er hovedveiene som frakter varer til byen i bestemte deler av hjernen, er kapillærer beslektet med nabolagets gater som faktisk leverer varer til sluttbrukerne: individuelle nevroner og cellene som jobber med dem. Gater og motorveier bygges etter behov, og et veikart viser hvordan et etterspørselsbasert system ser ut: Veier er ofte konsentrert i deler av landet hvor det er flere mennesker – samfunnets energislukende enheter.

I motsetning til dette bør en hjerne med begrenset tilgang se ut som elveleiene i et land, som ikke kunne bry seg mindre om hvor folk befinner seg. Vann vil renne der det kan, og byene må bare tilpasse seg og klare seg med det de kan få. Sjansene er store for at byer vil dannes i nærheten av hovedårene – men fraværende større, målrettet ombygging er deres vekst og aktiviteter begrenset av hvor mye vann som er tilgjengelig.

Ville jeg oppdaget at kapillærer er konsentrert i deler av hjernen med flere nevroner og angivelig krever mer energi, som gater og motorveier bygget på en etterspørselsbasert måte? Eller vil jeg finne ut at de er mer som bekker og bekker som gjennomsyrer landet der de kan, uvitende om hvor flest mennesker er, på en forsyningsdrevet måte?

Det jeg fant var klare bevis for det siste. Til begge musene og rotter, utgjør kapillærtettheten magre 2 % til 4 % av hjernevolumet, uavhengig av hvor mange nevroner eller synapser som er tilstede. Blod renner i hjernen som vann nedover elver: der det kan, ikke der det trengs.

Hvis blod renner uavhengig av behov, innebærer dette at hjernen faktisk bruker blod etter hvert som det tilføres. Vi fant at de små variasjonene i kapillærtetthet på tvers av forskjellige deler av døde rottehjerner samsvarte perfekt med hastigheten på blodstrøm og energibruk i de samme delene av andre levende rottehjerner som forskerne målte 15 år tidligere.

Løse blodstrøm og energibehov

Kan den spesifikke tettheten av kapillærer i hver del av hjernen være så begrensende at den dikterer hvor mye energi den delen bruker? Og ville det gjelde for hjernen som helhet?

Jeg samarbeidet med min kollega Doug Rothman å svare på disse spørsmålene. Sammen oppdaget vi at ikke bare gjør både menneske- og rottehjerner det de kan med det blodet de får, og at de vanligvis jobber med omtrent 85 % kapasitet, men den totale hjerneaktiviteten er faktisk diktert av kapillærtetthet, alt annet likt.

Grunnen til at bare 40 % av oksygenet som tilføres hjernen faktisk blir brukt, er fordi dette er den maksimale mengden som kan byttes ut når blodet strømmer forbi – som arbeidere som prøver å plukke opp gjenstander på et samlebånd som går for fort. Lokale arterier kan levere mer blod til nevroner hvis de begynner å bruke litt mer oksygen, men dette kommer på bekostning av å lede blod bort fra andre deler av hjernen. Siden gassutvekslingen allerede var nær full kapasitet til å begynne med, ser det ut til at brøkdelen av oksygenutvinningen til og med faller med en liten økning i levering.

På lang avstand kan energibruken i hjernen se etterspørselsbasert ut – men det er egentlig tilbudsbegrenset.

Blodtilførselen påvirker hjerneaktiviteten

Så hvorfor betyr noe av dette?

Funnene våre gir en mulig forklaring på hvorfor hjernen ikke virkelig kan multitaske – bare raskt veksle mellom fokus. Fordi blodstrømmen til hele hjernen er tett regulert og forblir i det vesentlige konstant gjennom dagen mens du veksler mellom aktiviteter, tyder vår forskning på at enhver del av hjernen som opplever økt aktivitet – fordi du begynner å regne eller spille en sang, for eksempel – kan bare få litt mer blodstrøm på bekostning av å avlede blodstrømmen fra andre deler av hjernen. Dermed manglende evne til å gjøre to ting samtidig kan ha sin opprinnelse i at blodstrømmen til hjernen er tilbudsbegrenset, ikke etterspørselsbasert.

En bedre forståelse av hvordan hjernen fungerer kan gi innsikt i menneskelig atferd og sykdom. Peter Dazeley / The Image Bank via Getty Images

Våre funn gir også innsikt i aldring. Hvis nevroner må klare seg med den energien de kan få fra en stort sett konstant blodtilførsel, vil de delene av hjernen med høyest tetthet av nevroner være de første som blir påvirket når det er mangel – akkurat som de største byene føler at smerte av en tørke før mindre.

I cortex, delene med høyeste nevrontetthet er hippocampus og entorhinal cortex. Disse områdene er involvert i korttidshukommelsen og første til å lide under aldring. Mer forskning er nødvendig for å teste om de delene av hjernen som er mest sårbare for aldring og sykdom er de med flest nevroner pakket sammen og konkurrerer om begrenset blodtilførsel.

Hvis det er sant at kapillærer, som nevroner, vare livet ut hos mennesker som de gjør hos laboratoriemus, så kan de spille en større rolle i hjernens helse enn forventet. For å sikre at hjerneneuronene dine forblir friske i alderdommen, kan det være en god innsats å ta vare på kapillærene som holder dem forsynt med blod. Den gode nyheten er at det er to velprøvde måter å gjøre dette på: a sunn diett og trene, som aldri er for sent å begynne.

om forfatteren

Suzana Herculano-Houzel, Førsteamanuensis i psykologi, Vanderbilt University

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

Relaterte bøker:

Kroppen holder poengsummen: Hjernens sinn og kropp i helbredelsen av traumer

av Bessel van der Kolk

Denne boken utforsker sammenhengene mellom traumer og fysisk og mental helse, og tilbyr innsikt og strategier for helbredelse og bedring.

Klikk for mer info eller for å bestille

Pust: The New Science of a Lost Art

av James Nestor

Denne boken utforsker vitenskapen og praksisen med å puste, og tilbyr innsikt og teknikker for å forbedre fysisk og mental helse.

Klikk for mer info eller for å bestille

Planteparadokset: De skjulte farene i "sunn" mat som forårsaker sykdommer og vektøkning

av Steven R. Gundry

Denne boken utforsker koblingene mellom kosthold, helse og sykdom, og tilbyr innsikt og strategier for å forbedre generell helse og velvære.

Klikk for mer info eller for å bestille

Immunitetskoden: Det nye paradigmet for ekte helse og radikal antialdring

av Joel Greene

Denne boken tilbyr et nytt perspektiv på helse og immunitet, og trekker på prinsipper for epigenetikk og tilbyr innsikt og strategier for å optimalisere helse og aldring.

Klikk for mer info eller for å bestille

Den komplette guiden til faste: Helbred kroppen din gjennom periodisk, vekslende dag og forlenget faste

av Dr. Jason Fung og Jimmy Moore

Denne boken utforsker vitenskapen og praksisen med faste og tilbyr innsikt og strategier for å forbedre generell helse og velvære.

Klikk for mer info eller for å bestille