Gehirne haben Lieferkettenprobleme und Neuronen begnügen sich mit dem, was sie bekommen
Blut transportiert Sauerstoff und lebenswichtige Nährstoffe zum Gehirn. Herr Suphachai Praserdumrongchai/iStock über Getty Images

Neurowissenschaftler haben lange angenommen dass Neuronen gierige, hungrige Einheiten sind, die mehr Energie benötigen, wenn sie aktiver werden, und das Kreislaufsystem kommt dem nach, indem es so viel Blut liefert, wie sie benötigen, um ihre Aktivität anzutreiben. Wenn die neuronale Aktivität als Reaktion auf eine Aufgabe zunimmt, steigt der Blutfluss zu diesem Teil des Gehirns sogar noch stärker als seine Energieverbrauchsrate, was zu einem Überschuss führt. Diese Erhöhung ist die Basis für gemeinsame Funktionelle Bildgebungstechnologie das farbige Karten der Gehirnaktivität erzeugt.

Früher interpretierten Wissenschaftler dieses offensichtliche Missverhältnis zwischen Blutfluss und Energiebedarf als Beweis dafür, dass es keinen Mangel an Blutversorgung des Gehirns gibt. Die Idee einer unbegrenzten Versorgung basierte auf der Beobachtung, dass nur etwa 40 % des Sauerstoffs Jedem Teil des Gehirns zugeführte Energie wird verwendet – und dieser Prozentsatz sinkt tatsächlich, wenn Teile des Gehirns aktiver werden. Es schien evolutionär sinnvoll: Das Gehirn hätte diese schneller als nötig gesteigerte Durchblutung als Sicherheitsmerkmal entwickelt, das jederzeit eine ausreichende Sauerstoffzufuhr garantiert.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie ist eine von mehreren Möglichkeiten, das Gehirn zu vermessen.

Aber unterstützt die Blutverteilung im Gehirn tatsächlich ein bedarfsorientiertes System? Als Neurowissenschaftler selbst, hatte ich zuvor eine Reihe anderer Annahmen über die grundlegendsten Fakten über das Gehirn untersucht und festgestellt, dass sie nicht aufgingen. Um nur einige zu nennen: Menschliche Gehirne haben keine 100 Milliarden Neuronen, obwohl sie es tun haben die meisten kortikalen Neuronen jeder Art; Die Faltungsgrad der Großhirnrinde gibt nicht an, wie viele Neuronen vorhanden sind; und es sind nicht größere Tiere, die länger leben, aber diejenigen mit mehr Neuronen in ihrem Kortex.

Ich glaube, dass es wesentlich ist, herauszufinden, was die Blutversorgung des Gehirns bestimmt, um zu verstehen, wie das Gehirn bei Gesundheit und Krankheit funktioniert. So müssen Städte herausfinden, ob das aktuelle Stromnetz ausreichen wird, um ein zukünftiges Bevölkerungswachstum zu unterstützen. Gehirne funktionieren wie Städte nur, wenn sie genug Energie haben.


Innerself-Abonnieren-Grafik


Ressourcen wie Autobahnen oder Flüsse

Aber wie könnte ich testen, ob die Durchblutung des Gehirns wirklich bedarfsgerecht ist? Meine Gefrierschränke waren mit konservierten, toten Gehirnen gefüllt. Wie untersucht man den Energieverbrauch in einem Gehirn, das keine Energie mehr verbraucht?

Glücklicherweise hinterlässt das Gehirn Hinweise auf seinen Energieverbrauch durch das Muster der Gefäße, die das Blut überall verteilen. Ich dachte, ich könnte mir das anschauen Dichte der Kapillaren – die dünnen, eine Zelle breiten Gefäße, die Gase, Glukose und Stoffwechselprodukte zwischen Gehirn und Blut transportieren. Diese Kapillarnetzwerke würden in den Gehirnen meiner Gefrierschränke erhalten bleiben.

Ein bedarfsorientiertes Gehirn sollte mit einem Straßensystem vergleichbar sein. Wenn Arterien und Venen die Hauptautobahnen sind, die Waren in die Stadt bestimmter Teile des Gehirns transportieren, ähneln Kapillaren den Straßen in der Nachbarschaft, die tatsächlich Waren zu ihren Endverbrauchern liefern: einzelne Neuronen und die Zellen, die mit ihnen arbeiten. Straßen und Autobahnen werden nach Bedarf gebaut, und eine Straßenkarte zeigt, wie ein bedarfsorientiertes System aussieht: Straßen konzentrieren sich oft auf Teile des Landes, in denen mehr Menschen leben – die energiefressenden Einheiten der Gesellschaft.

Im Gegensatz dazu sollte ein Gehirn mit begrenztem Angebot wie die Flussbetten eines Landes aussehen, dem es völlig egal ist, wo sich die Menschen befinden. Wasser wird fließen, wo es kann, und die Städte müssen sich nur anpassen und mit dem auskommen, was sie bekommen können. Die Chancen stehen gut, dass sich Städte in der Nähe der Hauptverkehrsadern bilden – aber ohne größere, gezielte Umbauten sind ihr Wachstum und ihre Aktivitäten durch die verfügbare Wassermenge begrenzt.

Würde ich feststellen, dass Kapillaren in Teilen des Gehirns mit mehr Neuronen konzentriert sind und angeblich mehr Energie benötigen, wie Straßen und Autobahnen, die nach Bedarf gebaut werden? Oder würde ich feststellen, dass sie eher wie Bäche und Bäche sind, die das Land durchdringen, wo sie können, ohne zu wissen, wo sich die meisten Menschen auf angebotsorientierte Weise befinden?

Was ich fand, war ein klarer Beweis für Letzteres. Für beide Mäuse und Ratten, macht die Kapillardichte magere 2 bis 4 % des Gehirnvolumens aus, unabhängig davon, wie viele Neuronen oder Synapsen vorhanden sind. Blut fließt im Gehirn wie Wasser in Flüssen: wo es kann, nicht wo es gebraucht wird.

Wenn Blut ungeachtet des Bedarfs fließt, bedeutet dies, dass das Gehirn Blut tatsächlich so verwendet, wie es zugeführt wird. Wir fanden heraus, dass die winzigen Unterschiede in der Kapillardichte in verschiedenen Teilen des Gehirns von toten Ratten perfekt mit den Raten des Blutflusses und des Energieverbrauchs in denselben Teilen des Gehirns anderer lebender Ratten übereinstimmten, die Forscher vor 15 Jahren gemessen hatten.

Auflösung des Blutflusses und des Energiebedarfs

Könnte die spezifische Dichte der Kapillaren in jedem Teil des Gehirns so einschränkend sein, dass sie bestimmt, wie viel Energie dieser Teil verbraucht? Und würde das für das Gehirn als Ganzes gelten?

Ich habe mich mit meinem Kollegen zusammengetan Doug Rothmann um diese Fragen zu beantworten. Gemeinsam entdeckten wir, dass nicht nur das menschliche Gehirn und das Rattengehirn mit dem Blut, das sie bekommen, tun, was sie können, und typischerweise zu etwa 85 % ausgelastet sind, sondern die gesamte Gehirnaktivität tatsächlich bestimmt durch die Kapillardichte, alles andere ist gleich.

Der Grund, warum nur 40 % des Sauerstoffs, der dem Gehirn zugeführt wird, tatsächlich verwendet wird, liegt darin, dass dies die maximale Menge ist, die ausgetauscht werden kann, wenn Blut vorbeifließt – wie Arbeiter, die versuchen, Gegenstände an einem zu schnellen Fließband aufzunehmen. Lokale Arterien können Neuronen mehr Blut zuführen, wenn sie anfangen, etwas mehr Sauerstoff zu verbrauchen, aber dies geht auf Kosten der Umleitung von Blut von anderen Teilen des Gehirns. Da der Gasaustausch zu Beginn bereits nahezu voll ausgelastet war, scheint der Anteil der Sauerstoffentnahme bei leicht steigender Abgabe sogar noch zu sinken.

Aus der Ferne mag der Energieverbrauch im Gehirn nach Bedarf aussehen – tatsächlich ist er jedoch angebotsbegrenzt.

Die Blutversorgung beeinflusst die Gehirnaktivität

Warum spielt das alles eine Rolle?

Unsere Ergebnisse bieten eine mögliche Erklärung dafür, warum das Gehirn nicht wirklich multitasken kann – nur schnell zwischen den Schwerpunkten wechseln kann. Da der Blutfluss zum gesamten Gehirn streng reguliert ist und den ganzen Tag über im Wesentlichen konstant bleibt, wenn Sie zwischen Aktivitäten wechseln, legen unsere Untersuchungen nahe, dass jeder Teil des Gehirns, der eine Zunahme der Aktivität erfährt – weil Sie anfangen, zu rechnen oder ein Lied zu spielen, z Beispiel – kann nur geringfügig mehr Blut fließen lassen, auf Kosten der Umleitung des Blutflusses von anderen Teilen des Gehirns. Und so kam es dass der Unfähigkeit, zwei Dinge gleichzeitig zu tun könnte seinen Ursprung darin haben, dass der Blutfluss zum Gehirn angebotsbegrenzt und nicht bedarfsabhängig ist.

zahlreiche Hirnscans
Ein besseres Verständnis der Funktionsweise des Gehirns könnte Einblicke in menschliches Verhalten und Krankheiten bieten.
Peter Dazeley / Die Bilddatenbank über Getty Images

Unsere Ergebnisse bieten auch Einblick in das Altern. Wenn Neuronen mit der Energie auskommen müssen, die sie aus einer weitgehend konstanten Blutversorgung gewinnen können, dann werden die Teile des Gehirns mit der höchsten Neuronendichte als erste von einem Mangel betroffen sein – so wie es die größten Städte spüren Schmerz einer Dürre vor kleineren.

In der Rinde, die Teile mit der höchste Neuronendichte sind der Hippocampus und der entorhinale Kortex. Diese Bereiche sind am Kurzzeitgedächtnis beteiligt und die zuerst im Alter leiden. Weitere Forschung ist erforderlich, um zu testen, ob die Teile des Gehirns, die am anfälligsten für Alterung und Krankheit sind, diejenigen sind, in denen die größte Anzahl von Neuronen zusammengepackt ist und um eine begrenzte Blutversorgung konkurriert.

Wenn es stimmt, dass Kapillaren wie Neuronen hält an ein Leben lang beim Menschen wie bei Labormäusen, dann spielen sie möglicherweise eine größere Rolle für die Gesundheit des Gehirns als erwartet. Um sicherzustellen, dass Ihre Gehirnneuronen im Alter gesund bleiben, kann es eine gute Wahl sein, sich um die Kapillaren zu kümmern, die sie mit Blut versorgen. Die gute Nachricht ist, dass es dafür zwei bewährte Methoden gibt: a trainieren Gehirn und motorische Fähigkeiten und können sich , für die es nie zu spät ist, anzufangen.

Das Gespräch

Über den Autor

Suzana Herculano-Houzel, Außerordentlicher Professor für Psychologie, Vanderbilt University

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Bücher zum Thema:

Der Körper behält den Überblick: Gehirn, Geist und Körper bei der Heilung von Traumata

von Bessel van der Kolk

Dieses Buch untersucht die Verbindungen zwischen Trauma und körperlicher und geistiger Gesundheit und bietet Einblicke und Strategien für Heilung und Genesung.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen

Atem: Die neue Wissenschaft einer verlorenen Kunst

von James Nestor

Dieses Buch untersucht die Wissenschaft und Praxis des Atmens und bietet Einblicke und Techniken zur Verbesserung der körperlichen und geistigen Gesundheit.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen

Das Pflanzenparadoxon: Die versteckten Gefahren in "gesunden" Lebensmitteln, die Krankheiten und Gewichtszunahme verursachen

von Steven R. Gundry

Dieses Buch untersucht die Zusammenhänge zwischen Ernährung, Gesundheit und Krankheit und bietet Einblicke und Strategien zur Verbesserung der allgemeinen Gesundheit und des Wohlbefindens.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen

Der Immunitätscode: Das neue Paradigma für echte Gesundheit und radikales Anti-Aging

von Joel Greene

Dieses Buch bietet eine neue Perspektive auf Gesundheit und Immunität, stützt sich auf Prinzipien der Epigenetik und bietet Einblicke und Strategien zur Optimierung von Gesundheit und Alterung.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen

Der vollständige Leitfaden zum Fasten: Heilen Sie Ihren Körper durch intermittierendes, alternierendes und verlängertes Fasten

von Dr. Jason Fung und Jimmy Moore

Dieses Buch untersucht die Wissenschaft und Praxis des Fastens und bietet Einblicke und Strategien zur Verbesserung der allgemeinen Gesundheit und des Wohlbefindens.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen