สมองมีปัญหาเกี่ยวกับห่วงโซ่อุปทาน และเซลล์ประสาทจะจัดการกับสิ่งที่พวกเขาได้รับ
เลือดนำพาออกซิเจนและสารอาหารที่สำคัญไปยังสมอง นายศุภชัย ประเสริฐดำรงชัย/iStock via Getty Images

นักประสาทวิทยาสันนิษฐานกันมานานแล้ว ว่าเซลล์ประสาทเป็นหน่วยที่ตะกละและหิวโหย ซึ่งต้องการพลังงานมากขึ้นเมื่อพวกมันมีการเคลื่อนไหวมากขึ้น และระบบไหลเวียนเลือดก็ปฏิบัติตามโดยการให้เลือดมากเท่าที่จำเป็นเพื่อกระตุ้นกิจกรรมของพวกมัน เมื่อกิจกรรมของเซลล์ประสาทเพิ่มขึ้นเพื่อตอบสนองต่องาน การไหลเวียนของเลือดไปยังส่วนนั้นของสมองจะเพิ่มขึ้นมากกว่าอัตราการใช้พลังงานของมัน ซึ่งนำไปสู่การเกินดุล การเพิ่มขึ้นนี้เป็นพื้นฐานของสามัญ เทคโนโลยีการถ่ายภาพที่ใช้งานได้ ที่สร้างแผนที่สีของการทำงานของสมอง

นักวิทยาศาสตร์เคยตีความการไหลเวียนของเลือดและความต้องการพลังงานที่ไม่ตรงกันซึ่งเป็นหลักฐานว่าไม่มีการขาดแคลนเลือดไปเลี้ยงสมอง แนวคิดของอุปทานไม่จำกัดมีพื้นฐานมาจากการสังเกตว่า มีออกซิเจนเพียง 40% เท่านั้น สมองแต่ละส่วนจะถูกนำไปใช้ และเปอร์เซ็นต์นี้จะลดลงเมื่อส่วนต่างๆ ของสมองมีการใช้งานมากขึ้น ดูเหมือนจะสมเหตุสมผลในเชิงวิวัฒนาการ: สมองจะพัฒนาการไหลเวียนของเลือดที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเกินความจำเป็นเพื่อเป็นคุณลักษณะด้านความปลอดภัยที่รับประกันการส่งมอบออกซิเจนที่เพียงพอตลอดเวลา

การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กเชิงหน้าที่เป็นหนึ่งในหลายวิธีในการวัดสมอง

แต่การกระจายเลือดในสมองสนับสนุนระบบตามความต้องการจริงหรือ? ในฐานะนักประสาทวิทยาเองก่อนหน้านี้ ฉันได้ตรวจสอบข้อสันนิษฐานอื่นๆ จำนวนหนึ่งเกี่ยวกับข้อเท็จจริงพื้นฐานที่สุดเกี่ยวกับสมอง และพบว่าข้อสันนิษฐานเหล่านั้นไม่ได้เลื่อนออกไป เพื่อชื่อไม่กี่: สมองของมนุษย์ ไม่มีเซลล์ประสาท 100 พันล้านเซลล์แม้ว่าพวกเขาจะทำ มีเซลล์ประสาทเยื่อหุ้มสมองมากที่สุด ของสายพันธุ์ใด ๆ ; เดอะ ระดับการพับของเปลือกสมอง ไม่ได้ระบุจำนวนเซลล์ประสาทที่มีอยู่ และไม่ใช่สัตว์ขนาดใหญ่ที่มีอายุยืนยาว แต่ ผู้ที่มีเซลล์ประสาทในเยื่อหุ้มสมองมากกว่า.

ฉันเชื่อว่าการหาว่าอะไรเป็นตัวกำหนดปริมาณเลือดที่เลี้ยงสมองเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจว่าสมองทำงานอย่างไรในด้านสุขภาพและโรค เหมือนกับการที่เมืองต่างๆ ต้องหาว่ากริดไฟฟ้าที่มีอยู่ในปัจจุบันจะเพียงพอที่จะรองรับจำนวนประชากรที่เพิ่มขึ้นในอนาคตหรือไม่ สมองก็เหมือนกับเมือง จะทำงานก็ต่อเมื่อมีพลังงานเพียงพอ


กราฟิกสมัครสมาชิกภายในตัวเอง


ทรัพยากรเป็นทางหลวงหรือแม่น้ำ

แต่ฉันจะทดสอบได้อย่างไรว่าการไหลเวียนของเลือดไปยังสมองเป็นไปตามความต้องการจริงหรือไม่? ตู้แช่แข็งของฉันเต็มไปด้วยสมองที่ตายแล้ว คุณจะศึกษาการใช้พลังงานในสมองที่ไม่ได้ใช้พลังงานอีกต่อไปได้อย่างไร?

โชคดีที่สมองทิ้งหลักฐานการใช้พลังงานผ่านรูปแบบของเส้นเลือดที่กระจายเลือดไปทั่วสมอง ฉันคิดว่าฉันสามารถมองไปที่ ความหนาแน่นของเส้นเลือดฝอย – หลอดเลือดขนาดบางที่มีความกว้างเพียงเซลล์เดียวซึ่งทำหน้าที่ถ่ายโอนก๊าซ กลูโคส และสารเมแทบอไลต์ระหว่างสมองและเลือด เครือข่ายเส้นเลือดฝอยเหล่านี้จะถูกเก็บไว้ในสมองในตู้แช่แข็งของฉัน

สมองที่ยึดตามอุปสงค์ควรเปรียบได้กับระบบถนน หากหลอดเลือดแดงและเส้นเลือดดำเป็นเส้นทางหลักที่นำสินค้าไปยังเมืองของส่วนต่างๆ ของสมอง เส้นเลือดฝอยก็เปรียบได้กับถนนในละแวกใกล้เคียงที่ส่งสินค้าไปยังผู้ใช้ขั้นสุดท้าย นั่นก็คือเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์และเซลล์ที่ทำงานร่วมกับพวกมัน ถนนและทางหลวงถูกสร้างขึ้นตามความต้องการ และแผนที่ถนนจะแสดงลักษณะของระบบตามความต้องการ: ถนนมักจะกระจุกตัวอยู่ในส่วนต่างๆ ของประเทศซึ่งมีผู้คนจำนวนมาก ซึ่งเป็นหน่วยที่ใช้พลังงานอย่างสิ้นเปลืองของสังคม

ในทางตรงกันข้าม สมองที่มีอุปทานจำกัดควรมีลักษณะเหมือนก้นแม่น้ำของประเทศ ซึ่งไม่สนใจว่าผู้คนจะอยู่ที่ไหน น้ำจะไหลในที่ที่มันทำได้ และเมืองต่างๆ ก็ต้องปรับตัวและทำในสิ่งที่ทำได้ มีโอกาสที่เมืองจะก่อตัวขึ้นในบริเวณใกล้เคียงกับเส้นเลือดหลัก แต่ขาดการปรับปรุงที่สำคัญ การเติบโตและกิจกรรมของเมืองถูกจำกัดโดยปริมาณน้ำที่มีอยู่

ฉันจะพบว่าเส้นเลือดฝอยกระจุกตัวอยู่ในส่วนต่างๆ ของสมองซึ่งมีเซลล์ประสาทมากกว่า และคาดว่าจะต้องใช้พลังงานมากกว่า เช่น ถนนและทางหลวงที่สร้างขึ้นในลักษณะตามความต้องการหรือไม่ หรือฉันจะพบว่าพวกเขาเป็นเหมือนลำห้วยและลำธารที่แทรกซึมอยู่ในดินแดนที่พวกเขาสามารถทำได้โดยไม่สนใจว่าคนส่วนใหญ่อยู่ที่ไหนในลักษณะที่ขับเคลื่อนด้วยอุปทาน?

สิ่งที่พบเป็นหลักฐานชัดเจนในตอนหลัง สำหรับ หนูทั้งสอง และหนูความหนาแน่นของเส้นเลือดฝอยทำให้สมองมีปริมาณน้อยเพียง 2% ถึง 4% โดยไม่คำนึงว่าเซลล์ประสาทหรือซินแนปส์จะมีจำนวนเท่าใดก็ตาม เลือดไหลเวียนในสมองเหมือนน้ำในแม่น้ำ: ในที่ที่ทำได้ ไม่ใช่ในที่ที่จำเป็น

หากเลือดไหลโดยไม่คำนึงถึงความจำเป็น แสดงว่าสมองใช้เลือดตามที่จ่ายไปจริงๆ เราพบว่าความแตกต่างเล็กน้อยของความหนาแน่นของหลอดเลือดฝอยในส่วนต่าง ๆ ของสมองหนูที่ตายนั้นเข้ากันได้อย่างสมบูรณ์แบบกับอัตราการไหลเวียนของเลือดและการใช้พลังงานในส่วนเดียวกันของสมองหนูที่มีชีวิตอื่น ๆ ที่นักวิจัยตรวจวัดเมื่อ 15 ปีก่อน

แก้ไขการไหลเวียนของเลือดและความต้องการพลังงาน

ความหนาแน่นเฉพาะของเส้นเลือดฝอยในแต่ละส่วนของสมองสามารถจำกัดขนาดที่จะกำหนดปริมาณพลังงานที่ส่วนนั้นใช้ได้หรือไม่? และนั่นจะนำไปใช้กับสมองโดยรวมหรือไม่?

ฉันร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานของฉัน ดั๊ก รอธแมน เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ เมื่อทำงานร่วมกัน เราค้นพบว่าสมองทั้งของมนุษย์และหนูไม่เพียงทำในสิ่งที่พวกเขาทำได้ด้วยเลือดที่ได้รับและโดยทั่วไปจะทำงานที่ความจุประมาณ 85% แต่การทำงานของสมองโดยรวมนั้นแท้จริงแล้ว กำหนดโดยความหนาแน่นของเส้นเลือดฝอยอย่างอื่นเท่าเทียมกันหมด

เหตุผลที่สมองใช้ออกซิเจนเพียง 40% เท่านั้น เนื่องจากเป็นปริมาณสูงสุดที่สามารถแลกเปลี่ยนเป็นกระแสเลือดได้ เช่น พนักงานที่พยายามหยิบของในสายการผลิตที่เร็วเกินไป หลอดเลือดแดงเฉพาะที่สามารถส่งเลือดไปยังเซลล์ประสาทได้มากขึ้นหากพวกมันเริ่มใช้ออกซิเจนมากขึ้นเล็กน้อย แต่นี่ก็ต้องแลกมาด้วยค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนเส้นทางเลือดออกจากส่วนอื่นๆ ของสมอง เนื่องจากการแลกเปลี่ยนก๊าซเริ่มใกล้เต็มประสิทธิภาพแล้ว เศษส่วนของการสกัดออกซิเจนดูเหมือนจะลดลงด้วยการส่งมอบที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อย

จากระยะไกล การใช้พลังงานในสมองอาจดูเป็นไปตามอุปสงค์ แต่แท้จริงแล้วมีอย่างจำกัด

ปริมาณเลือดมีอิทธิพลต่อการทำงานของสมอง

เหตุใดจึงไม่มีเรื่องนี้

การค้นพบของเราให้คำอธิบายที่เป็นไปได้ว่าเหตุใดสมองจึงไม่สามารถทำงานหลายอย่างพร้อมกันได้อย่างแท้จริง - เพียงสลับระหว่างการโฟกัสอย่างรวดเร็วเท่านั้น เนื่องจากการไหลเวียนของเลือดไปยังสมองทั้งหมดถูกควบคุมอย่างเข้มงวดและคงที่ตลอดวันเมื่อคุณทำกิจกรรมต่างๆ สลับกันไป การวิจัยของเราชี้ให้เห็นว่าส่วนใดของสมองที่ทำกิจกรรมเพิ่มขึ้น เพราะคุณเริ่มทำคณิตศาสตร์หรือเล่นเพลง ตัวอย่าง – สามารถรับเลือดไหลเวียนได้มากขึ้นเพียงเล็กน้อยโดยต้องเปลี่ยนทิศทางการไหลเวียนของเลือดจากส่วนอื่นๆ ของสมอง ดังนั้น ไม่สามารถทำสองสิ่งพร้อมกันได้ อาจมีต้นกำเนิดมาจากการไหลเวียนของเลือดไปยังสมองที่มีจำกัด ไม่ใช่อุปสงค์

การสแกนสมองหลายครั้ง
ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีการทำงานของสมองสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับพฤติกรรมและโรคของมนุษย์
Peter Dazeley / The Image Bank ผ่านทาง Getty Images

การค้นพบของเรายังให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับอายุ หากเซลล์ประสาทต้องจัดการกับพลังงานที่พวกเขาจะได้รับจากปริมาณเลือดที่คงที่เป็นส่วนใหญ่ ส่วนของสมองที่มีความหนาแน่นของเซลล์ประสาทสูงสุดจะเป็นส่วนแรกที่ได้รับผลกระทบเมื่อเกิดการขาดแคลน เช่นเดียวกับเมืองใหญ่ ๆ ที่รู้สึกว่า ความเจ็บปวดจากความแห้งแล้งต่อหน้าคนตัวเล็กกว่า

ในเยื่อหุ้มสมองส่วนที่มี ความหนาแน่นของเซลล์ประสาทสูงสุด คือ ฮิปโปแคมปัส และเอนเทอร์ฮินัลคอร์เท็กซ์ พื้นที่เหล่านี้เกี่ยวข้องกับความจำระยะสั้นและ ต้องทนทุกข์ทรมานก่อนวัยอันควร. จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อทดสอบว่าส่วนต่างๆ ของสมองที่อ่อนแอต่อความชราและโรคภัยไข้เจ็บมากที่สุดคือส่วนที่มีเซลล์ประสาทจำนวนมากที่สุดรวมตัวกันและแข่งขันกันเพื่อเลือดไปเลี้ยงอย่างจำกัดหรือไม่

หากเป็นความจริงที่ว่าเส้นเลือดฝอย เช่น เซลล์ประสาท มีอายุการใช้งานนาน ในมนุษย์เช่นเดียวกับในหนูทดลอง พวกมันอาจมีบทบาทสำคัญต่อสุขภาพสมองมากกว่าที่คาดไว้ เพื่อให้แน่ใจว่าเซลล์ประสาทในสมองของคุณยังคงแข็งแรงในวัยชรา การดูแลเส้นเลือดฝอยที่ส่งเลือดไปเลี้ยงอาจเป็นทางออกที่ดี ข่าวดีก็คือมีสองวิธีที่พิสูจน์แล้วในการทำเช่นนี้: อาหารสุขภาพ และ การออกกำลังกายซึ่งไม่เคยสายเกินไปที่จะเริ่มต้น

สนทนา

เกี่ยวกับผู้เขียน

ซูซานา เฮอร์คูลาโน-ฮูเซล, รองศาสตราจารย์วิชาจิตวิทยา, มหาวิทยาลัย Vanderbilt

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

หนังสือที่เกี่ยวข้อง:

ร่างกายรักษาคะแนน: สมองจิตใจและร่างกายในการรักษาบาดแผล

โดย Bessel van der Kolk

หนังสือเล่มนี้สำรวจความเชื่อมโยงระหว่างการบาดเจ็บกับสุขภาพกายและสุขภาพจิต นำเสนอข้อมูลเชิงลึกและกลยุทธ์ในการรักษาและฟื้นฟู

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ

ลมหายใจ: ศาสตร์ใหม่ของศิลปะที่สาบสูญ

โดย เจมส์ เนสเตอร์

หนังสือเล่มนี้สำรวจวิทยาศาสตร์และการฝึกหายใจ นำเสนอข้อมูลเชิงลึกและเทคนิคในการปรับปรุงสุขภาพร่างกายและจิตใจ

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ

The Plant Paradox: อันตรายที่ซ่อนอยู่ในอาหาร "สุขภาพ" ที่ทำให้เกิดโรคและน้ำหนักขึ้น

โดย สตีเวน อาร์. กันดรี

หนังสือเล่มนี้สำรวจความเชื่อมโยงระหว่างอาหาร สุขภาพ และโรค โดยนำเสนอข้อมูลเชิงลึกและกลยุทธ์ในการปรับปรุงสุขภาพโดยรวมและความสมบูรณ์พูนสุข

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ

รหัสภูมิคุ้มกัน: กระบวนทัศน์ใหม่เพื่อสุขภาพที่แท้จริงและการต่อต้านริ้วรอยที่รุนแรง

โดย Joel Greene

หนังสือเล่มนี้นำเสนอมุมมองใหม่เกี่ยวกับสุขภาพและภูมิคุ้มกัน โดยใช้หลักการของ epigenetics และนำเสนอข้อมูลเชิงลึกและกลยุทธ์ในการปรับปรุงสุขภาพและการชะลอวัยให้เหมาะสม

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ

คู่มือฉบับสมบูรณ์สำหรับการถือศีลอด: รักษาร่างกายของคุณด้วยการอดอาหารเป็นช่วงๆ วันเว้นวัน และการอดอาหารแบบยืดเวลา

โดย ดร.เจสัน ฟุง และจิมมี่ มัวร์

หนังสือเล่มนี้สำรวจวิทยาศาสตร์และการปฏิบัติของการถือศีลอดโดยนำเสนอข้อมูลเชิงลึกและกลยุทธ์ในการปรับปรุงสุขภาพโดยรวมและความสมบูรณ์พูนสุข

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ