Bloed vervoert zuurstof en vitale voedingsstoffen naar de hersenen. De heer Suphachai Praserdumrongchai/iStock via Getty Images
Neurowetenschappers hebben lang aangenomen dat neuronen hebzuchtige, hongerige eenheden zijn die meer energie vragen wanneer ze actiever worden, en de bloedsomloop voldoet door zoveel bloed te leveren als ze nodig hebben om hun activiteit van brandstof te voorzien. Naarmate de neuronale activiteit toeneemt als reactie op een taak, neemt de bloedtoevoer naar dat deel van de hersenen zelfs meer toe dan het energieverbruik, wat leidt tot een overschot. Deze verhoging is de basis van gemeenschappelijk functionele beeldtechnologie dat gekleurde kaarten van hersenactiviteit genereert.
Wetenschappers interpreteerden deze schijnbare discrepantie in de bloedstroom en de vraag naar energie altijd als bewijs dat er geen tekort is aan bloedtoevoer naar de hersenen. Het idee van een onbeperkt aanbod was gebaseerd op de observatie dat slechts ongeveer 40% van de zuurstof die aan elk deel van de hersenen wordt toegediend, wordt gebruikt – en dit percentage daalt zelfs naarmate delen van de hersenen actiever worden. Het leek evolutionair logisch: de hersenen zouden deze sneller dan noodzakelijke toename van de bloedstroom hebben ontwikkeld als een veiligheidskenmerk dat te allen tijde voldoende zuurstoftoevoer garandeert.
Maar ondersteunt de bloedverdeling in de hersenen eigenlijk een vraaggestuurd systeem? Zelf neurowetenschapper, Ik had eerder een aantal andere aannames over de meest elementaire feiten over hersenen onderzocht en ontdekte dat ze niet klopten. Om er een paar te noemen: menselijke hersenen hebben geen 100 miljard neuronen, hoewel ze dat wel doen hebben de meeste corticale neuronen van welke soort dan ook; de mate van vouwing van de hersenschors geeft niet aan hoeveel neuronen aanwezig zijn; en het zijn niet de grotere dieren die langer leven, maar die met meer neuronen in hun cortex.
Ik geloof dat het essentieel is om uit te zoeken wat de bloedtoevoer naar de hersenen bepaalt, om te begrijpen hoe hersenen werken bij gezondheid en ziekte. Het is alsof steden moeten uitzoeken of het huidige elektriciteitsnet voldoende zal zijn om een toekomstige bevolkingsgroei te ondersteunen. Hersenen werken, net als steden, alleen als ze voldoende energie hebben.
Middelen zoals snelwegen of rivieren
Maar hoe zou ik kunnen testen of de bloedtoevoer naar de hersenen echt vraaggestuurd is? Mijn diepvriezers waren gevuld met geconserveerde, dode hersens. Hoe bestudeer je energieverbruik in een brein dat geen energie meer gebruikt?
Gelukkig laten de hersenen het bewijs van hun energieverbruik achter door het patroon van de vaten die het bloed er doorheen verdelen. Ik dacht dat ik naar de kon kijken dichtheid van haarvaten – de dunne, eencellige vaten die gassen, glucose en metabolieten overbrengen tussen hersenen en bloed. Deze capillaire netwerken zouden worden bewaard in de hersenen in mijn diepvriezers.
Een vraaggestuurd brein zou vergelijkbaar moeten zijn met een wegennet. Als slagaders en aders de belangrijkste snelwegen zijn die goederen naar de stad van specifieke delen van de hersenen vervoeren, zijn haarvaten verwant aan de buurtstraten die daadwerkelijk goederen leveren aan hun eindgebruikers: individuele neuronen en de cellen die ermee werken. Straten en snelwegen worden op verzoek aangelegd en een wegenkaart laat zien hoe een vraaggestuurd systeem eruitziet: Wegen zijn vaak geconcentreerd in delen van het land waar meer mensen zijn – de energieverslindende eenheden van de samenleving.
Een brein met een beperkt aanbod zou er daarentegen uit moeten zien als de rivierbeddingen van een land, dat er niets om geeft waar mensen zich bevinden. Water zal stromen waar het kan, en steden moeten zich gewoon aanpassen en genoegen nemen met wat ze kunnen krijgen. De kans is groot dat steden zich zullen vormen in de buurt van de belangrijkste verkeersaders, maar zonder ingrijpende, doelgerichte verbouwingen worden hun groei en activiteiten beperkt door de hoeveelheid water die beschikbaar is.
Zou ik merken dat haarvaten geconcentreerd zijn in delen van de hersenen met meer neuronen en zogenaamd meer energie nodig hebben, zoals straten en snelwegen die vraaggestuurd zijn aangelegd? Of zou ik merken dat ze meer lijken op kreken en stromen die het land doordringen waar ze kunnen, zich niet bewust van waar de meeste mensen zijn, op een aanbodgestuurde manier?
Wat ik vond was duidelijk bewijs voor het laatste. Voor beide muizen en ratten, maakt capillaire dichtheid een magere 2% tot 4% van het hersenvolume uit, ongeacht hoeveel neuronen of synapsen er aanwezig zijn. Bloed stroomt in de hersenen als water door rivieren: waar het kan, niet waar het nodig is.
Als bloed stroomt ongeacht de behoefte, betekent dit dat de hersenen daadwerkelijk bloed gebruiken zoals het wordt aangevoerd. We ontdekten dat de kleine variaties in capillaire dichtheid in verschillende delen van de hersenen van dode ratten perfect overeenkwamen met de bloedstroom en het energieverbruik in dezelfde delen van andere levende rattenhersenen die onderzoekers 15 jaar eerder hadden gemeten.
Oplossen van de bloedstroom en energiebehoefte
Zou de specifieke dichtheid van haarvaten in elk deel van de hersenen zo beperkend kunnen zijn dat het bepaalt hoeveel energie dat deel gebruikt? En zou dat gelden voor de hersenen als geheel?
Ik ben samen met mijn collega aan de slag gegaan Doug Rothman om deze vragen te beantwoorden. Samen ontdekten we dat niet alleen de hersenen van zowel mensen als ratten doen wat ze kunnen met het bloed dat ze krijgen en meestal werken met een capaciteit van ongeveer 85%, maar dat de algehele hersenactiviteit inderdaad bepaald door capillaire dichtheid, terwijl al het andere gelijk is.
De reden waarom slechts 40% van de zuurstof die aan de hersenen wordt toegevoerd, daadwerkelijk wordt gebruikt, is omdat dit de maximale hoeveelheid is die kan worden uitgewisseld terwijl het bloed voorbij stroomt - zoals arbeiders die te snel items proberen op te halen aan een lopende band. Lokale slagaders kunnen meer bloed aan neuronen leveren als ze iets meer zuurstof gaan gebruiken, maar dit gaat ten koste van het wegleiden van bloed van andere delen van de hersenen. Omdat de gasuitwisseling in het begin al bijna op volle capaciteit was, lijkt de fractie van de zuurstofextractie zelfs te dalen bij een lichte toename van de levering.
Van een afstand ziet het energieverbruik in de hersenen er misschien vraaggestuurd uit, maar het is echt aanbodbeperkt.
De bloedtoevoer beïnvloedt de hersenactiviteit
Dus waarom doet dit ertoe?
Onze bevindingen bieden een mogelijke verklaring waarom de hersenen niet echt kunnen multitasken - ze wisselen alleen snel af tussen aandachtspunten. Omdat de bloedstroom naar de hele hersenen strak gereguleerd is en in wezen constant blijft gedurende de dag terwijl je activiteiten afwisselt, suggereert ons onderzoek dat elk deel van de hersenen dat een toename in activiteit ervaart - omdat je begint met rekenen of een liedje speelt, bijvoorbeeld bijvoorbeeld - kan alleen iets meer bloedstroom krijgen ten koste van het omleiden van de bloedstroom van andere delen van de hersenen. Dus de onvermogen om twee dingen tegelijk te doen kan zijn oorsprong vinden in het feit dat de bloedtoevoer naar de hersenen beperkt is in het aanbod en niet op de vraag is gebaseerd.
Een beter begrip van hoe de hersenen werken, kan inzicht bieden in menselijk gedrag en ziekte. Peter Dazeley / The Image Bank via Getty Images
Onze bevindingen bieden ook inzicht in veroudering. Als neuronen het moeten doen met de energie die ze kunnen halen uit een grotendeels constante bloedtoevoer, dan zullen de delen van de hersenen met de hoogste dichtheid aan neuronen als eerste worden getroffen wanneer er een tekort is – net zoals de grootste steden de pijn van een droogte voor kleinere.
In de cortex, de delen met de hoogste neuronendichtheden zijn de hippocampus en de entorhinale cortex. Deze gebieden zijn betrokken bij het kortetermijngeheugen en de eerst te lijden onder het ouder worden. Er is meer onderzoek nodig om te testen of de delen van de hersenen die het meest kwetsbaar zijn voor veroudering en ziekte, de delen zijn met het grootste aantal samengepakte neuronen die strijden om een beperkte bloedtoevoer.
Als het waar is dat haarvaten, zoals neuronen, een leven lang meegaan bij mensen zoals bij laboratoriummuizen, dan kunnen ze een grotere rol spelen in de gezondheid van de hersenen dan verwacht. Om ervoor te zorgen dat je hersenneuronen op oudere leeftijd gezond blijven, kan het een goede gok zijn om voor de haarvaten te zorgen die ervoor zorgen dat ze van bloed worden voorzien. Het goede nieuws is dat er twee bewezen manieren zijn om dit te doen: gezond dieet en oefening, die nooit te laat zijn om te beginnen.
Over de auteur
Suzana Herculano Houzel, Universitair hoofddocent psychologie, Vanderbilt University
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
Related Books:
Het lichaam houdt de score bij: Brain Mind and Body in the Healing of Trauma
door Bessel van der Kolk
Dit boek onderzoekt de verbanden tussen trauma en fysieke en mentale gezondheid en biedt inzichten en strategieën voor genezing en herstel.
Klik voor meer info of om te bestellen
Adem: de nieuwe wetenschap van een verloren kunst
door James Nestor
Dit boek verkent de wetenschap en praktijk van ademhalen en biedt inzichten en technieken voor het verbeteren van de fysieke en mentale gezondheid.
Klik voor meer info of om te bestellen
De plantenparadox: de verborgen gevaren van 'gezond' voedsel dat ziekten en gewichtstoename veroorzaakt
door Steven R. Gundry
Dit boek onderzoekt de verbanden tussen voeding, gezondheid en ziekte en biedt inzichten en strategieën om de algehele gezondheid en het welzijn te verbeteren.
Klik voor meer info of om te bestellen
De immuniteitscode: het nieuwe paradigma voor echte gezondheid en radicale antiveroudering
door Joël Greene
Dit boek biedt een nieuw perspectief op gezondheid en immuniteit, gebaseerd op principes van epigenetica en biedt inzichten en strategieën voor het optimaliseren van gezondheid en veroudering.
Klik voor meer info of om te bestellen
De complete gids voor vasten: genees uw lichaam door middel van intermitterend, afwisselende dagen en langdurig vasten
door dr. Jason Fung en Jimmy Moore
Dit boek onderzoekt de wetenschap en praktijk van vasten en biedt inzichten en strategieën voor het verbeteren van de algehele gezondheid en welzijn.
