血液將氧氣和重要的營養物質輸送到大腦。 Suphachai Praserdumrongchai 先生/iStock 來自 Getty Images
神經科學家長期以來一直認為 神經元是貪婪的、飢餓的單位，當它們變得更加活躍時需要更多的能量，而循環系統通過提供它們所需的盡可能多的血液來滿足它們的活動。 事實上，隨著神經元活動因任務而增加，流向大腦該部分的血液增加甚至超過其能量使用率，從而導致過剩。 這種增長是共同的基礎 功能成像技術 生成大腦活動的彩色地圖。
科學家過去常常將這种血流和能量需求的明顯不匹配解釋為大腦不存在供血不足的證據。 無限供應的想法是基於以下觀察 只有大約 40% 的氧氣 輸送到大腦每個部分的能量都被使用了——這個百分比實際上隨著大腦部分變得更加活躍而下降。 這似乎具有進化意義：大腦會進化出這種比需要更快的血流量增加，作為一種安全功能，可以保證始終有足夠的氧氣輸送。
但是大腦中的血液分佈真的支持基於需求的系統嗎？ 作為一名神經科學家本人, 我之前已經檢查了一些關於大腦最基本事實的其他假設，發現它們沒有成功。 舉幾個例子：人腦 沒有100億個神經元，雖然他們這樣做 擁有最多的皮層神經元 任何物種； 這 大腦皮層的折疊度 不表示存在多少個神經元； 長壽的不是大型動物，而是 大腦皮層中有更多神經元的人.
我相信弄清楚是什麼決定了大腦的血液供應對於理解大腦在健康和疾病中的工作方式至關重要。 這就像城市需要弄清楚當前的電網是否足以支持未來的人口增長一樣。 大腦就像城市一樣，只有在有足夠的能量供應時才會工作。
公路或河流等資源
但是我如何才能測試流向大腦的血液是否真的是基於需求的呢？ 我的冰箱裡堆滿了保存完好的死腦。 您如何研究不再使用能量的大腦中的能量使用？
幸運的是，大腦通過在其各處分配血液的血管模式留下了能量消耗的證據。 我想我可以看看 毛細血管密度 – 在大腦和血液之間傳輸氣體、葡萄糖和代謝物的薄的單細胞寬血管。 這些毛細血管網絡將保存在我冰箱裡的大腦中。
基於需求的大腦應該可以與道路系統相媲美。 如果動脈和靜脈是將貨物運送到大腦特定區域的主要高速公路，那麼毛細血管就類似於將貨物實際運送給最終用戶的街區街道：單個神經元和與之一起工作的細胞。 街道和高速公路是按需建造的，路線圖顯示了基於需求的系統的樣子：道路通常集中在人口較多的地區——社會的能源消耗單位。
相比之下，供應有限的大腦應該看起來像一個國家的河床，它根本不在乎人們所處的位置。 水會流到它能流的地方，城市只需要調整併利用他們能得到的。 很有可能，城市將在主要動脈附近形成——但如果沒有重大的、有目的的改造，它們的發展和活動就會受到可用水量的限制。
我會發現毛細血管集中在大腦中有更多神經元的部分，並且據說需要更多的能量，就像以需求為基礎的方式建造的街道和高速公路嗎？ 還是我會發現它們更像是小溪和溪流，以供應驅動的方式盡可能地滲透到土地上，而忽略了大多數人所在的地方？
我發現的是後者的明確證據。 為了 兩隻老鼠 和老鼠，無論存在多少神經元或突觸，毛細血管密度僅佔腦容量的 2% 至 4%。 血液像河流中的水一樣在大腦中流動：在可以的地方，而不是在需要的地方。
如果血液不顧需要地流動，這意味著大腦實際上是在使用供應的血液。 我們發現，死老鼠大腦不同部位毛細血管密度的微小變化與研究人員 15 年前測量的其他活老鼠大腦相同部位的血流量和能量使用率完美匹配。
解決血流量和能量需求
大腦每個部分的毛細血管的特定密度是否會如此有限，以至於它決定了該部分使用多少能量？ 這適用於整個大腦嗎？
我和我的同事合作 道格羅斯曼 回答這些問題。 我們一起發現，不僅人腦和老鼠的大腦都可以用他們獲得的血液做他們能做的事情，而且通常以大約 85% 的容量工作，而且整體大腦活動確實是 由毛細管密度決定, 其他條件相同。
提供給大腦的氧氣實際上只有 40% 被使用的原因是因為這是血液流動時可以交換的最大量——就像工人在裝配線上試圖拿起物品的速度太快一樣。 如果局部動脈開始使用稍微多一點的氧氣，它們就可以向神經元輸送更多的血液，但這是以將血液從大腦的其他部位轉移開為代價的。 由於氣體交換一開始就已經接近滿負荷，氧氣提取的比例似乎甚至會隨著輸送量的輕微增加而下降。
從遠處看，大腦中的能量使用可能看起來是基於需求的——但它實際上是供應有限的。
血液供應影響大腦活動
那麼為什麼這很重要呢？
我們的發現提供了一個可能的解釋，解釋為什麼大腦不能真正地同時處理多項任務——只能在焦點之間快速切換。 由於流向整個大腦的血液受到嚴格調節，並且在一天中隨著活動的交替而基本保持不變，我們的研究表明，大腦的任何部分活動都會增加——因為你開始做數學或播放歌曲，因為例如——以轉移大腦其他部位的血流為代價，只能獲得稍微多一點的血流。 就這樣 無法同時做兩件事 可能起源於流向大腦的血液是供應有限的，而不是基於需求的。
更好地了解大腦的工作原理可以提供對人類行為和疾病的洞察力。 彼得·達茲利（Peter Dazeley）/通過Getty Images提供的圖片庫
我們的研究結果還提供了對衰老的洞察力。 如果神經元必須湊合使用它們可以從幾乎恆定的血液供應中獲得的能量，那麼當出現短缺時，大腦中神經元密度最高的部分將最先受到影響——就像大城市感受到在較小的之前乾旱的痛苦。
在皮質中，具有 最高神經元密度 是海馬體和內嗅皮質。 這些區域涉及短期記憶和 最先受衰老之苦. 需要更多的研究來測試大腦中最容易衰老和疾病的部分是否是神經元數量最多的部分聚集在一起並爭奪有限的血液供應。
如果毛細血管真的像神經元一樣 持續一生 在人類身上就像在實驗室老鼠身上所做的那樣，那麼它們在大腦健康方面的作用可能比預期的要大。 為了確保你的大腦神經元在老年時保持健康，照顧好為它們提供血液供應的毛細血管可能是一個不錯的選擇。 好消息是有兩種行之有效的方法可以做到這一點： 健康的飲食 和 行使, 什麼時候開始都不晚。
關於作者
蘇珊娜·赫庫拉諾-烏澤爾，心理學副教授， 范德堡大學（Vanderbilt University）
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