大脑有供应链问题,神经元会用他们得到的东西

大脑有供应链问题,神经元会用他们得到的东西
血液将氧气和重要的营养物质输送到大脑。 Suphachai Praserdumrongchai 先生/iStock 来自 Getty Images

神经科学家长期以来一直认为 神经元是贪婪的、饥饿的单位,当它们变得更加活跃时需要更多的能量,而循环系统通过提供它们所需的尽可能多的血液来满足它们的活动。 事实上,随着神经元活动因任务而增加,流向大脑该部分的血液增加甚至超过其能量使用率,从而导致过剩。 这种增长是共同的基础 功能成像技术 生成大脑活动的彩色地图。

科学家过去常常将这种血流和能量需求的明显不匹配解释为大脑不存在供血不足的证据。 无限供应的想法是基于以下观察 只有大约 40% 的氧气 输送到大脑每个部分的能量都被使用了——这个百分比实际上随着大脑部分变得更加活跃而下降。 这似乎具有进化意义:大脑会进化出这种比需要更快的血流量增加,作为一种安全功能,可以保证始终有足够的氧气输送。

功能磁共振成像是测量大脑的几种方法之一。

但是大脑中的血液分布真的支持基于需求的系统吗? 作为一名神经科学家本人, 我之前已经检查了一些关于大脑最基本事实的其他假设,发现它们没有成功。 举几个例子:人脑 没有100亿个神经元,虽然他们这样做 拥有最多的皮层神经元 任何物种; 这 大脑皮层的折叠度 不表示存在多少个神经元; 长寿的不是大型动物,而是 大脑皮层中有更多神经元的人.

我相信弄清楚是什么决定了大脑的血液供应对于理解大脑在健康和疾病中的工作方式至关重要。 这就像城市需要弄清楚当前的电网是否足以支持未来的人口增长一样。 大脑就像城市一样,只有在有足够的能量供应时才会工作。

公路或河流等资源

但是我如何才能测试流向大脑的血液是否真的是基于需求的呢? 我的冰箱里堆满了保存完好的死脑。 您如何研究不再使用能量的大脑中的能量使用?

幸运的是,大脑通过在其各处分配血液的血管模式留下了能量消耗的证据。 我想我可以看看 毛细血管密度 – 在大脑和血液之间传输气体、葡萄糖和代谢物的薄的单细胞宽血管。 这些毛细血管网络将保存在我冰箱里的大脑中。

基于需求的大脑应该可以与道路系统相媲美。 如果动脉和静脉是将货物运送到大脑特定区域的主要高速公路,那么毛细血管就类似于将货物实际运送给最终用户的街区街道:单个神经元和与之一起工作的细胞。 街道和高速公路是按需建造的,路线图显示了基于需求的系统的样子:道路通常集中在人口较多的地区——社会的能源消耗单位。

相比之下,供应有限的大脑应该看起来像一个国家的河床,它根本不在乎人们所处的位置。 水会流到它能流的地方,城市只需要调整并利用他们能得到的。 很有可能,城市将在主要动脉附近形成——但如果没有重大的、有目的的改造,它们的发展和活动就会受到可用水量的限制。

我会发现毛细血管集中在大脑中有更多神经元的部分,并且据说需要更多的能量,就像以需求为基础的方式建造的街道和高速公路吗? 还是我会发现它们更像是小溪和溪流,以供应驱动的方式尽可能地渗透到土地上,而忽略了大多数人所在的地方?


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我发现的是后者的明确证据。 为了 两只老鼠 和老鼠,无论存在多少神经元或突触,毛细血管密度仅占脑容量的 2% 至 4%。 血液像河流中的水一样在大脑中流动:在可以的地方,而不是在需要的地方。

如果血液不顾需要地流动,这意味着大脑实际上是在使用供应的血液。 我们发现,死老鼠大脑不同部位毛细血管密度的微小变化与研究人员 15 年前测量的其他活老鼠大脑相同部位的血流量和能量使用率完美匹配。

解决血流量和能量需求

大脑每个部分的毛细血管的特定密度是否会如此有限,以至于它决定了该部分使用多少能量? 这适用于整个大脑吗?

我和我的同事合作 道格罗斯曼 回答这些问题。 我们一起发现,不仅人脑和老鼠的大脑都可以用他们获得的血液做他们能做的事情,而且通常以大约 85% 的容量工作,而且整体大脑活动确实是 由毛细管密度决定, 其他条件相同。

提供给大脑的氧气实际上只有 40% 被使用的原因是因为这是血液流动时可以交换的最大量——就像工人在装配线上试图拿起物品的速度太快一样。 如果局部动脉开始使用稍微多一点的氧气,它们就可以向神经元输送更多的血液,但这是以将血液从大脑的其他部位转移开为代价的。 由于气体交换一开始就已经接近满负荷,氧气提取的比例似乎甚至会随着输送量的轻微增加而下降。

从远处看,大脑中的能量使用可能看起来是基于需求的——但它实际上是供应有限的。

血液供应影响大脑活动

那么为什么这很重要呢?

我们的发现提供了一个可能的解释,解释为什么大脑不能真正地同时处理多项任务——只能在焦点之间快速切换。 由于流向整个大脑的血液受到严格调节,并且在一天中随着活动的交替而基本保持不变,我们的研究表明,大脑的任何部分活动都会增加——因为你开始做数学或播放歌曲,因为例如——以转移大脑其他部位的血流为代价,只能获得稍微多一点的血流。 就这样 无法同时做两件事 可能起源于流向大脑的血液是供应有限的,而不是基于需求的。

多次脑部扫描
更好地了解大脑的工作原理可以提供对人类行为和疾病的洞察力。
彼得·达兹利(Peter Dazeley)/通过Getty Images提供的图片库

我们的研究结果还提供了对衰老的洞察力。 如果神经元必须凑合使用它们可以从几乎恒定的血液供应中获得的能量,那么当出现短缺时,大脑中神经元密度最高的部分将最先受到影响——就像大城市感受到在较小的之前干旱的痛苦。

在皮质中,具有 最高神经元密度 是海马体和内嗅皮质。 这些区域涉及短期记忆和 最先受衰老之苦. 需要更多的研究来测试大脑中最容易衰老和疾病的部分是否是神经元数量最多的部分聚集在一起并争夺有限的血液供应。

如果毛细血管真的像神经元一样 持续一生 在人类身上就像在实验室老鼠身上所做的那样,那么它们在大脑健康方面的作用可能比预期的要大。 为了确保你的大脑神经元在老年时保持健康,照顾好为它们提供血液供应的毛细血管可能是一个不错的选择。 好消息是有两种行之有效的方法可以做到这一点: 健康的饮食行使, 什么时候开始都不晚。

谈话

关于作者

苏珊娜·赫库拉诺-乌泽尔,心理学副教授, 范德比尔特大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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