血液は酸素と重要な栄養素を脳に運びます。 スパチャイ・プラサードゥムロンチャイ氏/ゲッティイメージズ経由のiStock
神経科学者は長い間仮定してきた ニューロンは貪欲で飢えたユニットであり、活動が活発になるとより多くのエネルギーを必要とし、循環系は活動に必要なだけの血液を提供することで従う. 実際、タスクに応じてニューロン活動が増加すると、脳のその部分への血流がエネルギー使用率よりもさらに増加し、余剰につながります。 この増加は共通の基礎です 機能イメージング技術 脳活動のカラーマップを生成します。
科学者たちは、血流とエネルギー需要のこの明らかなミスマッチを、脳への血液供給が不足していない証拠として解釈していました. 無制限の供給のアイデアは、次の観察に基づいていました。 酸素の約 40% のみ 脳の各部分に届けられて使用されます - そして、この割合は脳の部分がより活発になるにつれて実際に低下します. それは進化論的に理にかなっているように思われました.脳は、常に十分な酸素供給を保証する安全機能として、この必要以上に速い血流の増加を進化させたでしょう.
しかし、脳内の血液分布は実際に需要ベースのシステムをサポートしているのでしょうか? 私自身神経科学者として、私は以前に、脳に関する最も基本的な事実について他の多くの仮定を調べましたが、それらがうまくいかないことを発見しました. いくつか挙げると: 人間の脳 100億個のニューロンを持っていない、しかし、彼らは 最も皮質ニューロンを持っている あらゆる種の; の 大脳皮質の折り畳みの程度 存在するニューロンの数を示すものではありません。 大型動物ほど長生きするわけではありませんが、 皮質により多くのニューロンがある人.
脳への血液供給を決定するものを理解することは、健康と病気で脳がどのように機能するかを理解するために不可欠であると私は信じています. これは、現在の送電網が将来の人口増加を支えるのに十分かどうかを都市がどのように把握する必要があるかのようなものです。 脳は、都市と同様に、十分なエネルギーが供給されている場合にのみ機能します。
高速道路や河川などの資源
しかし、脳への血流が本当に需要に基づいているかどうかをテストするにはどうすればよいでしょうか? 私の冷凍庫には、保存された死んだ脳がストックされていました。 もはやエネルギーを使用していない脳のエネルギー使用をどのように研究しますか?
幸いなことに、脳は、脳全体に血液を分配する血管のパターンを通じて、エネルギー使用の証拠を残しています。 私は私が見ることができると思った 毛細血管の密度 – 脳と血液の間でガス、グルコース、および代謝物を移動させる、細胞幅が XNUMX つの細い血管。 これらの毛細血管ネットワークは、私の冷凍庫の脳に保存されます.
需要ベースの頭脳は、道路システムに匹敵するはずです。 動脈と静脈が脳の特定の部分の町に商品を運ぶ主要な高速道路である場合、毛細血管は実際に商品を最終ユーザー (個々のニューロンとそれらと連携する細胞) に届ける近所の通りに似ています。 道路と高速道路はオンデマンドで建設され、道路地図は需要ベースのシステムがどのようなものかを示しています。道路は多くの場合、より多くの人がいる国の一部、つまりエネルギーを大量に消費する社会の単位に集中しています。
対照的に、供給が制限された脳は、人々がどこにいるかを気にしない国の川床のように見えるはずです. 水は可能な限り流れ、都市は調整し、得られるもので間に合わせる必要があります。 都市は大動脈の近くに形成される可能性がありますが、大規模で意図的な改造が行われなければ、都市の成長と活動は利用可能な水の量によって制限されます。
需要に基づいて建設された通りや高速道路のように、毛細血管はニューロンが多く、おそらくより多くのエネルギーを必要とする脳の部分に集中していることがわかりますか? それとも、供給主導型の方法で、ほとんどの人がどこにいるかに気づかずに、可能な限り土地に浸透する小川や小川のようなものであることがわかりますか?
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私が見つけたのは、後者の明確な証拠でした。 ために 両方のマウス とラット毛細血管密度は、ニューロンやシナプスの数に関係なく、脳容積のわずか 2% から 4% しか占めていません。 血液は、川を下る水のように脳内を流れます。必要な場所ではなく、可能な場所に流れます。
必要に関係なく血液が流れている場合、これは脳が供給された血液を実際に使用していることを意味します。 死んだラットの脳のさまざまな部分の毛細血管密度のわずかな変化は、研究者が15年前に測定した他の生きているラットの脳の同じ部分の血流とエネルギー使用の速度と完全に一致することがわかりました.
血流とエネルギー需要の解決
脳の各部分の毛細血管の特定の密度が非常に制限されているため、その部分が使用するエネルギー量が決まるのでしょうか? そして、それは脳全体に当てはまるでしょうか？
同僚と組んだ ダグ・ロスマン これらの質問に答えるために。 一緒に、私たちは人間とラットの両方の脳が、採取した血液でできることを行い、通常は約 85% の能力で機能するだけでなく、全体的な脳活動が実際に 毛細血管密度によって決まる、他のすべては等しい。
脳に供給された酸素の 40% しか実際に使用されない理由は、これが血液の流れとして交換できる最大量だからです。組立ラインでアイテムを拾おうとする労働者が速すぎるように。 局部動脈は、ニューロンが使用する酸素をわずかに増やすことで、より多くの血液をニューロンに届けることができますが、これには、脳の他の部分から血液を迂回させるという代償が伴います。 ガス交換は最初からすでにフル容量に近かったので、酸素抽出の割合は、送達がわずかに増加しても低下するようです.
遠くから見ると、脳内のエネルギー使用は需要に基づいているように見えるかもしれませんが、実際には供給が制限されています。
血液供給は脳の活動に影響を与える
では、なぜこれが重要なのでしょうか?
私たちの調査結果は、なぜ脳が本当の意味でマルチタスクを行うことができず、焦点をすばやく交互に切り替えるだけなのかについて、可能な説明を提供します。 脳全体への血流は厳密に調節されており、活動を切り替えても XNUMX 日を通して基本的に一定に保たれるため、私たちの研究では、脳のどの部分でも活動が増加することが示唆されています。例 – 脳の他の部分からの血流をそらすことを犠牲にして、わずかに多くの血流を得ることができます. したがって、 同時にXNUMXつのことを行うことができない 脳への血流が需要ベースではなく、供給制限されていることにその起源がある可能性があります。
脳がどのように機能するかをよりよく理解することで、人間の行動や病気に関する洞察が得られる可能性があります。 ピーター・デイズリー/ゲッティイメージズ経由の画像バンク
私たちの調査結果は、老化についての洞察も提供します。 ニューロンがほぼ一定の血液供給から得ることができるエネルギーで間に合わせなければならない場合、ニューロンの密度が最も高い脳の部分が、不足したときに最初に影響を受けます。小さな干ばつよりも先に干ばつの痛み。
皮質では、 最高のニューロン密度 海馬と嗅内皮質です。 これらの領域は短期記憶に関与しており、 最初に老化に苦しむ. 老化や病気に最も脆弱な脳の部分が、最も多くのニューロンが密集して限られた血液供給をめぐって競合する部分であるかどうかをテストするには、さらなる研究が必要です.
もし毛細血管がニューロンのように 最後に一生 実験用マウスと同じように人間でも、脳の健康に予想以上に大きな役割を果たしている可能性があります。 老後も脳のニューロンを健康に保つには、毛細血管に血液を供給し続ける毛細血管をケアするのが良いでしょう。 幸いなことに、これを行うには XNUMX つの実証済みの方法があります。 健康に良い食事 および 行使、開始するのに遅すぎることはありません。
著者について
スザナ・ヘルクラノ＝ハウゼル、心理学の准教授、 バンダービルト大学
この記事はから再公開されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で 読む 原著.
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