I cervelli hanno problemi con la catena di approvvigionamento e i neuroni si accontentano di ciò che ottengono
Il sangue trasporta ossigeno e nutrienti vitali al cervello. Mr. Suphachai Praserdumrongchai/iStock tramite Getty Images

I neuroscienziati hanno a lungo supposto che i neuroni sono unità avide e affamate che richiedono più energia quando diventano più attivi, e il sistema circolatorio obbedisce fornendo tutto il sangue di cui hanno bisogno per alimentare la loro attività. In effetti, quando l'attività neuronale aumenta in risposta a un compito, il flusso sanguigno a quella parte del cervello aumenta anche più del suo tasso di consumo di energia, portando a un surplus. Questo aumento è la base del comune tecnologia di imaging funzionale che genera mappe colorate dell'attività cerebrale.

Gli scienziati interpretavano questa apparente discrepanza nel flusso sanguigno e nella domanda di energia come prova che non c'è carenza di afflusso di sangue al cervello. L'idea di una fornitura illimitata si basava sull'osservazione che solo circa il 40% dell'ossigeno viene utilizzato in ogni parte del cervello e questa percentuale diminuisce in realtà man mano che le parti del cervello diventano più attive. Sembrava avere un senso evolutivo: il cervello avrebbe sviluppato questo aumento del flusso sanguigno più veloce del necessario come caratteristica di sicurezza che garantisce un apporto di ossigeno sufficiente in ogni momento.

La risonanza magnetica funzionale è uno dei diversi modi per misurare il cervello.

Ma la distribuzione del sangue nel cervello supporta effettivamente un sistema basato sulla domanda? Come neuroscienziato io stesso, avevo precedentemente esaminato una serie di altri presupposti sui fatti più basilari sui cervelli e ho scoperto che non funzionavano. Per citarne alcuni: cervelli umani non hanno 100 miliardi di neuroni, anche se lo fanno hanno il maggior numero di neuroni corticali di qualsiasi specie; IL grado di ripiegamento della corteccia cerebrale non indica quanti neuroni sono presenti; e non sono gli animali più grandi che vivono più a lungo, ma quelli con più neuroni nella loro corteccia.

Credo che capire cosa determina l'afflusso di sangue al cervello sia essenziale per capire come funziona il cervello in salute e in malattia. È come il modo in cui le città devono capire se l'attuale rete elettrica sarà sufficiente per supportare un futuro aumento della popolazione. I cervelli, come le città, funzionano solo se hanno abbastanza energia fornita.


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Risorse come autostrade o fiumi

Ma come potrei verificare se il flusso di sangue al cervello è veramente basato sulla domanda? I miei congelatori erano pieni di cervelli conservati e morti. Come si studia l'uso dell'energia in un cervello che non usa più energia?

Fortunatamente, il cervello lascia tracce del suo consumo di energia attraverso lo schema dei vasi che distribuiscono il sangue in esso. Ho pensato che avrei potuto guardare il densità dei capillari – i sottili vasi unicellulari che trasferiscono gas, glucosio e metaboliti tra il cervello e il sangue. Queste reti capillari sarebbero conservate nei cervelli nei miei congelatori.

Un cervello basato sulla domanda dovrebbe essere paragonabile a un sistema stradale. Se le arterie e le vene sono le principali autostrade che portano le merci alla città di specifiche parti del cervello, i capillari sono simili alle strade di quartiere che effettivamente consegnano le merci ai loro utenti finali: i singoli neuroni e le cellule che lavorano con loro. Le strade e le autostrade sono costruite su richiesta e una mappa stradale mostra l'aspetto di un sistema basato sulla domanda: le strade sono spesso concentrate in parti del paese dove ci sono più persone, le unità della società che consumano energia.

Al contrario, un cervello con un'offerta limitata dovrebbe assomigliare ai letti dei fiumi di un paese, a cui non potrebbe importare di meno dove si trovano le persone. L'acqua scorrerà dove può e le città devono solo adeguarsi e accontentarsi di ciò che possono ottenere. È probabile che le città si formino in prossimità delle arterie principali, ma in assenza di importanti e mirati rimodellamenti, la loro crescita e le loro attività sono limitate dalla quantità di acqua disponibile.

Scoprirei che i capillari sono concentrati in parti del cervello con più neuroni e presumibilmente richiedono più energia, come strade e autostrade costruite in base alla domanda? O scoprirei che sono più simili a ruscelli e ruscelli che permeano la terra dove possono, ignari di dove si trova la maggior parte delle persone, in un modo guidato dall'offerta?

Quello che ho trovato è stata una chiara prova per quest'ultimo. Per entrambi i topi e ratti, la densità capillare costituisce un magro dal 2% al 4% del volume del cervello, indipendentemente dal numero di neuroni o sinapsi presenti. Il sangue scorre nel cervello come l'acqua a fiumi: dove può, non dove serve.

Se il sangue scorre indipendentemente dal bisogno, ciò implica che il cervello utilizza effettivamente il sangue così come viene fornito. Abbiamo scoperto che le minuscole variazioni nella densità capillare nelle diverse parti del cervello di topi morti corrispondevano perfettamente ai tassi di flusso sanguigno e al consumo di energia nelle stesse parti di altri cervelli di topi vivi che i ricercatori avevano misurato 15 anni prima.

Risolvere il flusso sanguigno e la richiesta di energia

La densità specifica dei capillari in ogni parte del cervello potrebbe essere così limitante da dettare quanta energia usa quella parte? E questo si applicherebbe al cervello nel suo insieme?

Ho collaborato con il mio collega Douglas Rothman per rispondere a queste domande. Insieme, abbiamo scoperto che non solo i cervelli umani e di ratto fanno ciò che possono con il sangue che ottengono e in genere lavorano a circa l'85% della capacità, ma l'attività cerebrale complessiva è davvero dettato dalla densità capillare, a parità di tutto il resto.

Il motivo per cui solo il 40% dell'ossigeno fornito al cervello viene effettivamente utilizzato è perché questa è la quantità massima che può essere scambiata mentre il sangue scorre, come i lavoratori che cercano di raccogliere oggetti su una catena di montaggio che va troppo veloce. Le arterie locali possono fornire più sangue ai neuroni se iniziano a utilizzare un po' più di ossigeno, ma questo avviene a costo di deviare il sangue lontano da altre parti del cervello. Poiché lo scambio di gas era già vicino alla piena capacità all'inizio, la frazione di estrazione di ossigeno sembra persino diminuire con un leggero aumento della consegna.

Da lontano, il consumo di energia nel cervello può sembrare basato sulla domanda, ma in realtà è limitato dall'offerta.

L'afflusso di sangue influenza l'attività cerebrale

Allora perché tutto questo è importante?

I nostri risultati offrono una possibile spiegazione del motivo per cui il cervello non può veramente svolgere più compiti, ma solo alternare rapidamente tra i focus. Poiché il flusso sanguigno all'intero cervello è strettamente regolato e rimane essenzialmente costante per tutto il giorno mentre si alternano le attività, la nostra ricerca suggerisce che qualsiasi parte del cervello che sperimenta un aumento dell'attività, perché si inizia a fare calcoli o a suonare una canzone, per esempio: può solo ottenere un flusso sanguigno leggermente maggiore a scapito della deviazione del flusso sanguigno da altre parti del cervello. Così, il incapacità di fare due cose contemporaneamente potrebbe avere le sue origini nel flusso sanguigno al cervello essendo limitato dall'offerta, non basato sulla domanda.

numerose scansioni cerebrali
Una migliore comprensione di come funziona il cervello potrebbe offrire spunti sul comportamento umano e sulla malattia.
Peter Dazeley / The Image Bank via Getty Images

I nostri risultati offrono anche informazioni sull'invecchiamento. Se i neuroni devono accontentarsi dell'energia che possono ottenere da un afflusso di sangue per lo più costante, allora le parti del cervello con la più alta densità di neuroni saranno le prime a risentirne in caso di carenza, proprio come le città più grandi sentono il dolore di una siccità prima di quelli più piccoli.

Nella corteccia, le parti con il densità di neuroni più elevate sono l'ippocampo e la corteccia entorinale. Queste aree sono coinvolte nella memoria a breve termine e nel primo a soffrire nell'invecchiamento. Sono necessarie ulteriori ricerche per verificare se le parti del cervello più vulnerabili all'invecchiamento e alle malattie sono quelle con il maggior numero di neuroni raggruppati insieme e in competizione per un limitato afflusso di sangue.

Se è vero che i capillari, come i neuroni, dura una vita negli esseri umani come nei topi di laboratorio, possono svolgere un ruolo più importante nella salute del cervello del previsto. Per assicurarsi che i neuroni cerebrali rimangano sani nella vecchiaia, prendersi cura dei capillari che li mantengono riforniti di sangue può essere una buona scommessa. La buona notizia è che ci sono due modi collaudati per farlo: a dieta sana ed esercizio fisico, che non è mai troppo tardi per cominciare.

The Conversation

L'autore

Suzana Herculano-Houzel, Professore Associato di Psicologia, Vanderbilt University

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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