لدى الأدمغة أيضًا مشكلات في سلسلة التوريد – يتدفق الدم حيثما أمكن ، ويجب على الخلايا العصبية أن تفعل ما تحصل عليه

لطالما افترض علماء الأعصاب أن الخلايا العصبية وحدات جشعة وجائعة تتطلب المزيد من الطاقة عندما تصبح أكثر نشاطًا ، وأن الجهاز الدوري يمتثل من خلال توفير كمية الدم التي تحتاجها لتغذية نشاطها. في الواقع ، مع زيادة نشاط الخلايا العصبية استجابةً لمهمة ما ، يزداد تدفق الدم إلى هذا الجزء من الدماغ أكثر من معدل استخدامه للطاقة ، مما يؤدي إلى حدوث فائض. هذه الزيادة هي أساس تقنية التصوير الوظيفي الشائعة التي تولد خرائط ملونة لنشاط الدماغ.

اعتاد العلماء تفسير هذا عدم التوافق الواضح في تدفق الدم والطلب على الطاقة كدليل على عدم وجود نقص في إمدادات الدم إلى الدماغ. استندت فكرة الإمداد غير المحدود إلى الملاحظة التي تفيد بأنه يتم استخدام حوالي 40٪ فقط من الأكسجين الذي يتم توصيله إلى كل جزء من الدماغ – وتنخفض هذه النسبة في الواقع عندما تصبح أجزاء من الدماغ أكثر نشاطًا. يبدو أن الأمر يبدو منطقيًا من الناحية التطورية: كان بإمكان الدماغ تطوير هذه الزيادة في تدفق الدم بشكل أسرع من اللازم كميزة أمان تضمن توصيل كمية كافية من الأكسجين في جميع الأوقات.

لكن هل توزيع الدم في الدماغ يدعم نظامًا قائمًا على الطلب؟ بصفتي عالمة أعصاب ، فقد سبق لي أن درست عددًا من الافتراضات الأخرى حول الحقائق الأساسية عن الأدمغة ووجدت أنها لم تنجح. على سبيل المثال لا الحصر: لا تحتوي أدمغة البشر على 100 مليار خلية عصبية ، على الرغم من أنها تمتلك معظم الخلايا العصبية القشرية من أي نوع. لا تشير درجة طي القشرة الدماغية إلى عدد الخلايا العصبية الموجودة ؛ وليست الحيوانات الكبيرة هي التي تعيش لفترة أطول ، ولكن تلك التي تحتوي على عدد أكبر من الخلايا العصبية في قشرتها.

أعتقد أن معرفة ما الذي يحدد تدفق الدم إلى الدماغ أمر ضروري لفهم كيفية عمل العقول في الصحة والمرض. يشبه الأمر كيف تحتاج المدن إلى معرفة ما إذا كانت الشبكة الكهربائية الحالية ستكون كافية لدعم الزيادة السكانية في المستقبل. العقول ، مثل المدن ، تعمل فقط إذا كان لديها ما يكفي من الطاقة.

الموارد مثل الطرق السريعة أو الأنهار

ولكن كيف يمكنني اختبار ما إذا كان تدفق الدم إلى الدماغ قائمًا على الطلب حقًا؟ كانت ثلاجاتي مليئة بأدمغة ميتة محفوظة. كيف تدرس استخدام الطاقة في دماغ لا يستخدم الطاقة بعد الآن؟

لحسن الحظ ، يترك الدماغ وراءه أدلة على استخدامه للطاقة من خلال نمط الأوعية التي توزع الدم في جميع أنحاءه. لقد اكتشفت أنه يمكنني إلقاء نظرة على كثافة الشعيرات الدموية – الأوعية الرفيعة ذات الخلية الواحدة التي تنقل الغازات والجلوكوز والمستقلبات بين الدماغ والدم. سيتم الحفاظ على هذه الشبكات الشعرية في الأدمغة في المجمدات الخاصة بي.

يجب أن يكون الدماغ القائم على الطلب مشابهًا لنظام الطرق. إذا كانت الشرايين والأوردة هي الطرق السريعة الرئيسية التي تنقل البضائع إلى مدينة أجزاء معينة من الدماغ ، فإن الشعيرات الدموية تشبه شوارع الحي التي تقوم بالفعل بتوصيل البضائع إلى مستخدميها النهائيين: الخلايا العصبية الفردية والخلايا التي تعمل معهم. تُبنى الشوارع والطرق السريعة حسب الطلب ، وتُظهر خارطة الطريق كيف يبدو النظام القائم على الطلب: غالبًا ما تتركز الطرق في أجزاء من البلاد حيث يوجد المزيد من الناس – وحدات المجتمع التي تستهلك الكثير من الطاقة.

في المقابل ، يجب أن يبدو الدماغ المحدود الإمداد مثل مجاري الأنهار في بلد ما ، لا يهتم كثيرًا بمكان تواجد الناس. سوف تتدفق المياه حيثما أمكن ، وعلى المدن فقط أن تتكيف مع ما يمكنها الحصول عليه. من المحتمل أن تتشكل المدن بالقرب من الشرايين الرئيسية – ولكن في ظل غياب إعادة البناء الرئيسية والهادفة ، فإن نموها وأنشطتها محدودة بكمية المياه المتاحة.

هل أجد أن الشعيرات الدموية تتركز في أجزاء من الدماغ بها عدد أكبر من الخلايا العصبية ويفترض أنها تتطلب المزيد من الطاقة ، مثل الشوارع والطرق السريعة المبنية بطريقة قائمة على الطلب؟ أو هل أجد أنها تشبه الجداول والجداول التي تتخلل الأرض حيث يمكنهم ، غافلين عن مكان وجود معظم الناس ، بطريقة مدفوعة بالعرض؟

ما وجدته كان دليلًا واضحًا على هذا الأخير. بالنسبة لكل من الفئران والجرذان ، تشكل كثافة الشعيرات الدموية نسبة ضئيلة من 2٪ إلى 4٪ من حجم الدماغ ، بغض النظر عن عدد الخلايا العصبية أو نقاط الاشتباك العصبي الموجودة. يتدفق الدم في الدماغ مثل الماء أسفل الأنهار: حيث يستطيع ، وليس حيث هو مطلوب.

إذا كان الدم يتدفق بغض النظر عن الحاجة ، فهذا يعني أن الدماغ يستخدم بالفعل الدم كما يتم توفيره. وجدنا أن الاختلافات الطفيفة في كثافة الشعيرات الدموية عبر أجزاء مختلفة من أدمغة الفئران الميتة تتوافق تمامًا مع معدلات تدفق الدم واستخدام الطاقة في نفس الأجزاء من أدمغة الفئران الحية الأخرى التي قاسها الباحثون قبل 15 عامًا.

حل تدفق الدم والطلب على الطاقة

هل يمكن أن تكون الكثافة النوعية للشعيرات الدموية في كل جزء من أجزاء الدماغ محدودة لدرجة أنها تحدد مقدار الطاقة التي يستخدمها هذا الجزء؟ وهل ينطبق ذلك على الدماغ ككل؟

لقد اشتركت مع زميلي دوج روثمان للإجابة على هذه الأسئلة. اكتشفنا معًا أن أدمغة كل من البشر والفئران لا تفعل فقط ما في وسعها بما يحصلون عليه من الدم وتعمل عادةً بسعة حوالي 85٪ ، ولكن نشاط الدماغ الكلي تمليه بالفعل كثافة الشعيرات الدموية ، وكل شيء آخر متساوٍ.

السبب وراء استخدام 40٪ فقط من الأكسجين المزود للدماغ في الواقع هو أن هذا هو الحد الأقصى للكمية التي يمكن تبادلها مع تدفق الدم – مثل العمال الذين يحاولون التقاط الأشياء من خط التجميع بسرعة كبيرة. يمكن للشرايين المحلية إيصال المزيد من الدم إلى الخلايا العصبية إذا بدأت في استخدام كمية أكبر قليلاً من الأكسجين ، ولكن هذا يأتي على حساب تحويل الدم بعيدًا عن أجزاء أخرى من الدماغ. نظرًا لأن تبادل الغازات كان بالفعل قريبًا من السعة الكاملة للبدء بها ، يبدو أن جزء استخراج الأكسجين ينخفض ​​مع زيادة طفيفة في التسليم.

من بعيد ، قد يبدو استخدام الطاقة في الدماغ قائمًا على الطلب – لكنه في الحقيقة محدود العرض.

يؤثر تدفق الدم على نشاط الدماغ

فلماذا أي من هذا مهم؟

تقدم النتائج التي توصلنا إليها تفسيرًا محتملاً لسبب عدم قدرة الدماغ على القيام بمهام متعددة حقًا – فقط بالتناوب بسرعة بين نقاط التركيز. نظرًا لأن تدفق الدم إلى الدماغ بأكمله منظم بإحكام ويظل ثابتًا بشكل أساسي طوال اليوم بينما تتناوب بين الأنشطة ، يقترح بحثنا أن أي جزء من الدماغ يعاني من زيادة في النشاط – لأنك تبدأ في إجراء الرياضيات أو عزف أغنية ، من أجل على سبيل المثال – يمكن فقط الحصول على تدفق دم أكثر بقليل على حساب تحويل تدفق الدم من أجزاء أخرى من الدماغ. وبالتالي ، فإن عدم القدرة على القيام بأمرين في نفس الوقت قد يكون له أصله في تدفق الدم إلى الدماغ كونه محدود العرض ، وليس حسب الطلب.

تقدم النتائج التي توصلنا إليها أيضًا نظرة ثاقبة للشيخوخة. إذا كان يجب على الخلايا العصبية أن تستفيد من الطاقة التي يمكن أن تحصل عليها من إمدادات الدم الثابتة في الغالب ، فإن أجزاء الدماغ ذات الكثافة العالية من الخلايا العصبية ستكون أول من يتأثر عندما يكون هناك نقص – تمامًا كما تشعر المدن الكبرى ألم الجفاف قبل الأصغر.

في القشرة ، الأجزاء ذات الكثافة العالية للخلايا العصبية هي الحُصين والقشرة الشوكية الداخلية. هذه المناطق لها دور في الذاكرة قصيرة المدى وهي أول من يعاني من الشيخوخة. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاختبار ما إذا كانت أجزاء الدماغ الأكثر عرضة للشيخوخة والمرض هي الأجزاء التي تحتوي على أكبر عدد من الخلايا العصبية المتجمعة معًا وتتنافس على إمدادات دم محدودة.

إذا كان صحيحًا أن الشعيرات الدموية ، مثل الخلايا العصبية ، تدوم مدى الحياة لدى البشر كما تفعل في فئران التجارب ، فقد تلعب دورًا أكبر في صحة الدماغ مما هو متوقع. للتأكد من أن الخلايا العصبية في دماغك تظل صحية في سن الشيخوخة ، قد يكون الاعتناء بالشعيرات الدموية التي تبقيها ممتلئة بالدم رهانًا جيدًا. الخبر السار هو أن هناك طريقتين مثبتتين للقيام بذلك: اتباع نظام غذائي صحي وممارسة الرياضة ، والتي لم يفت الأوان بعد للبدء.