Damu hubeba oksijeni na virutubisho muhimu kwa ubongo. Bw. Suphachai Praserdumrongchai/iStock kupitia Getty Images

Wanasayansi wa neva wamefikiria kwa muda mrefu kwamba niuroni ni sehemu zenye uchoyo, zenye njaa ambazo huhitaji nishati zaidi zinapofanya kazi zaidi, na mfumo wa mzunguko wa damu unatii kwa kutoa damu nyingi kadri inavyohitaji ili kuchochea shughuli zao. Kwa hakika, shughuli za nyuroni zinapoongezeka kutokana na kazi fulani, mtiririko wa damu kwenye sehemu hiyo ya ubongo huongezeka hata zaidi ya kiwango chake cha matumizi ya nishati, na hivyo kusababisha ziada. Ongezeko hili ni msingi wa kawaida teknolojia ya kazi ya picha ambayo hutoa ramani za rangi za shughuli za ubongo.

Wanasayansi walitumia kutafsiri kutolingana kwa mtiririko wa damu na mahitaji ya nishati kama ushahidi kwamba hakuna uhaba wa usambazaji wa damu kwa ubongo. Wazo la usambazaji usio na kikomo lilitokana na uchunguzi huo karibu 40% tu ya oksijeni inayotolewa kwa kila sehemu ya ubongo inatumiwa - na asilimia hii hushuka kadiri sehemu za ubongo zinavyofanya kazi zaidi. Ilionekana kuwa na maana ya mageuzi: Ubongo ungekuza ongezeko hili la haraka-kuliko linalohitajika katika mtiririko wa damu kama kipengele cha usalama kinachohakikisha utoaji wa oksijeni wa kutosha wakati wote.

Lakini je, usambazaji wa damu kwenye ubongo unaunga mkono mfumo unaotegemea mahitaji? Mimi mwenyewe kama mwanasayansi wa neva, hapo awali nilikuwa nimechunguza mawazo mengine kadhaa kuhusu mambo ya msingi kuhusu akili na nikagundua kwamba hayakuchanganyikiwa. Kwa kutaja machache: Akili za binadamu hawana neurons bilioni 100, ingawa wanafanya kuwa na niuroni za gamba zaidi aina yoyote; ya shahada ya kukunja ya gamba la ubongo haionyeshi ni neurons ngapi zilizopo; na sio wanyama wakubwa wanaoishi kwa muda mrefu, lakini wale walio na niuroni zaidi kwenye gamba lao.

Ninaamini kuwa kujua ni nini huamua usambazaji wa damu kwa ubongo ni muhimu ili kuelewa jinsi ubongo hufanya kazi katika afya na magonjwa. Ni kama jinsi miji inavyohitaji kubaini ikiwa gridi ya sasa ya umeme itatosha kusaidia ongezeko la watu siku zijazo. Wabongo, kama miji, hufanya kazi tu ikiwa wana nishati ya kutosha inayotolewa.

Rasilimali kama barabara kuu au mito

Lakini ningewezaje kupima kama mtiririko wa damu kwenye ubongo unategemea mahitaji? Friji zangu zilikuwa zimehifadhiwa akili zilizokufa. Je, unasomaje matumizi ya nishati kwenye ubongo ambao hautumii nishati tena?

Kwa bahati nzuri, ubongo huacha ushahidi wa matumizi yake ya nishati kupitia muundo wa vyombo vinavyosambaza damu ndani yake. Nilidhani naweza kuangalia wiani wa capillaries - mishipa nyembamba, yenye upana wa seli moja ambayo husafirisha gesi, glukosi na metabolites kati ya ubongo na damu. Mitandao hii ya kapilari ingehifadhiwa kwenye akili kwenye vifiriji vyangu.

Ubongo unaotegemea mahitaji unapaswa kulinganishwa na mfumo wa barabara. Iwapo mishipa na mishipa ndiyo njia kuu zinazosafirisha bidhaa hadi mji wa sehemu mahususi za ubongo, kapilari ni sawa na mitaa ya ujirani ambayo kwa hakika hupeleka bidhaa kwa watumiaji wake wa mwisho: niuroni binafsi na seli zinazofanya kazi nazo. Mitaa na barabara kuu zimejengwa kulingana na mahitaji, na ramani ya barabara inaonyesha jinsi mfumo unaozingatia mahitaji unavyoonekana: Barabara mara nyingi husongamana katika sehemu za nchi ambako kuna watu wengi zaidi - vitengo vya jamii vinavyotumia nishati.

Kinyume chake, ubongo wenye ukomo wa usambazaji unapaswa kuonekana kama mito ya nchi, ambayo haiwezi kujali kidogo kuhusu mahali watu wanapatikana. Maji yatatiririka pale yanapoweza, na miji inabidi tu kurekebisha na kufanya kile wanachoweza kupata. Uwezekano ni kwamba, miji itaunda karibu na mishipa kuu - lakini kutokuwepo kwa urekebishaji wa makusudi, ukuaji wao na shughuli ni mdogo kwa kiasi gani cha maji kinapatikana.

Je, ningepata kwamba kapilari zimekolezwa katika sehemu za ubongo zilizo na niuroni zaidi na eti zinahitaji nishati zaidi, kama vile mitaa na barabara kuu zilizojengwa kwa njia inayotegemea mahitaji? Au je, ningeona kwamba wao ni kama vijito na vijito vinavyoenea katika nchi ambako wanaweza, bila kujali mahali ambapo watu wengi wako, kwa njia inayoendeshwa na ugavi?

Nilichopata ni ushahidi wa wazi kwa wale wa mwisho. Kwa panya wote wawili na panya, msongamano wa kapilari hufanya asilimia 2 hadi 4% kidogo ya ujazo wa ubongo, bila kujali ni neuroni au sinepsi ngapi zilizopo. Damu inatiririka kwenye ubongo kama maji chini ya mito: inapoweza, sio inapohitajika.

Ikiwa damu inapita bila kujali hitaji, hii inamaanisha kuwa ubongo hutumia damu kama inavyotolewa. Tuligundua kuwa tofauti ndogo katika msongamano wa kapilari katika sehemu mbalimbali za ubongo wa panya aliyekufa zililingana kikamilifu na viwango vya mtiririko wa damu na matumizi ya nishati katika sehemu zile zile za ubongo wa panya hai ambazo watafiti walipima miaka 15 iliyopita.

Kutatua mtiririko wa damu na mahitaji ya nishati

Je, msongamano mahususi wa kapilari katika kila sehemu ya ubongo unaweza kuwa mdogo sana hivi kwamba huamua ni kiasi gani cha nishati ambacho sehemu hiyo hutumia? Na hiyo inaweza kutumika kwa ubongo kwa ujumla?

Nilishirikiana na mwenzangu Doug Rothman kujibu maswali haya. Kwa pamoja, tuligundua kwamba si tu kwamba ubongo wa binadamu na panya hufanya wawezavyo na damu wanayopata na kwa kawaida hufanya kazi kwa takriban 85% ya uwezo, lakini shughuli za ubongo kwa ujumla ni kweli. inaagizwa na wiani wa capillary, mengine yote yakiwa sawa.

Sababu kwa nini ni asilimia 40 tu ya oksijeni inayotolewa kwenye ubongo hutumika ni kwa sababu hiki ndicho kiwango cha juu zaidi kinachoweza kubadilishwa wakati damu inapita - kama vile wafanyakazi wanaojaribu kuchukua vitu kwenye mstari wa kuunganisha kwenda kwa kasi sana. Mishipa ya ndani inaweza kupeleka damu nyingi kwa niuroni ikiwa itaanza kutumia oksijeni zaidi, lakini hii inakuja kwa gharama ya kuelekeza damu mbali na sehemu nyingine za ubongo. Kwa kuwa ubadilishanaji wa gesi tayari ulikuwa karibu na uwezo kamili wa kuanzia, sehemu ya uchimbaji wa oksijeni inaonekana hata kushuka na ongezeko kidogo la utoaji.

Kwa mbali, matumizi ya nishati kwenye ubongo yanaweza kuonekana kulingana na mahitaji - lakini kwa kweli hayana ugavi mdogo.

Ugavi wa damu huathiri shughuli za ubongo

Kwa hivyo kwa nini jambo lolote kati ya haya?

Matokeo yetu yanatoa ufafanuzi unaowezekana kwa nini ubongo hauwezi kufanya kazi nyingi - kwa haraka tu kubadilisha kati ya mambo yanayolenga. Kwa sababu mtiririko wa damu kwenye ubongo wote umedhibitiwa kwa uthabiti na hubaki bila kubadilika siku nzima unapobadilishana shughuli, utafiti wetu unapendekeza kuwa sehemu yoyote ya ubongo ambayo hupata ongezeko la shughuli - kwa sababu unaanza kufanya hesabu au kucheza wimbo, kwa mfano - inaweza tu kupata mtiririko wa damu kidogo zaidi kwa gharama ya kuelekeza mtiririko wa damu kutoka sehemu zingine za ubongo. Hivyo, kutokuwa na uwezo wa kufanya mambo mawili kwa wakati mmoja inaweza kuwa na chimbuko lake katika mtiririko wa damu kwenda kwa ubongo kuwa na usambazaji mdogo, sio kulingana na mahitaji.

Uelewa bora wa jinsi ubongo unavyofanya kazi kunaweza kutoa maarifa juu ya tabia na magonjwa ya mwanadamu. Peter Dazeley / Benki ya Picha kupitia Picha za Getty

Matokeo yetu pia hutoa ufahamu juu ya kuzeeka. Iwapo niuroni lazima zifanye kazi kwa nishati inazoweza kupata kutokana na ugavi wa damu mara kwa mara, basi sehemu za ubongo zilizo na msongamano mkubwa zaidi wa nyuroni zitakuwa za kwanza kuathirika kunapokuwa na upungufu - kama vile miji mikubwa inavyohisi maumivu ya ukame kabla ya ndogo.

Katika gamba, sehemu na msongamano wa juu wa neuroni ni hippocampus na entorhinal cortex. Maeneo haya yanahusika katika kumbukumbu ya muda mfupi na kwanza kuteseka katika uzee. Utafiti zaidi unahitajika ili kupima ikiwa sehemu za ubongo zilizo hatarini zaidi kwa kuzeeka na magonjwa ndizo zilizo na idadi kubwa ya niuroni zilizounganishwa na kushindana kwa usambazaji mdogo wa damu.

Ikiwa ni kweli kwamba kapilari, kama nyuroni, mwisho wa maisha kwa wanadamu kama wanavyofanya katika panya wa maabara, basi wanaweza kuchukua jukumu kubwa katika afya ya ubongo kuliko inavyotarajiwa. Ili kuhakikisha niuroni za ubongo wako zinaendelea kuwa na afya katika uzee, kutunza kapilari ambazo huziweka zikiwa na damu kunaweza kuwa dau zuri. Habari njema ni kwamba kuna njia mbili zilizothibitishwa za kufanya hivi: a chakula na afya na zoezi, ambazo hazijachelewa sana kuanza.

Kuhusu Mwandishi

Suzana Herculano-Houzel, Profesa Mshirika wa Saikolojia, Chuo Kikuu cha Vanderbilt

Makala hii imechapishwa tena kutoka Mazungumzo chini ya leseni ya Creative Commons. Soma awali ya makala.

Vitabu kuhusiana:

Mwili Huweka Alama: Akili ya Ubongo na Mwili katika Uponyaji wa Kiwewe

na Bessel van der Kolk

Kitabu hiki kinachunguza uhusiano kati ya kiwewe na afya ya mwili na akili, kikitoa maarifa na mikakati ya uponyaji na kupona.

Bofya kwa maelezo zaidi au kuagiza

Pumzi: Sayansi Mpya ya Sanaa Iliyopotea

na James Nestor

Kitabu hiki kinachunguza sayansi na mazoezi ya kupumua, kutoa maarifa na mbinu za kuboresha afya ya mwili na akili.

Bofya kwa maelezo zaidi au kuagiza

Kitendawili cha Mimea: Hatari Zilizofichwa katika Vyakula "Zenye Afya" vinavyosababisha Ugonjwa na Kuongezeka kwa Uzito.

na Steven R. Gundry

Kitabu hiki kinachunguza uhusiano kati ya lishe, afya na magonjwa, na kutoa maarifa na mikakati ya kuboresha afya na siha kwa ujumla.

Bofya kwa maelezo zaidi au kuagiza

Kanuni ya Kinga: Mtazamo Mpya wa Afya Halisi na Kupambana na Kuzeeka Kubwa

na Joel Greene

Kitabu hiki kinatoa mtazamo mpya kuhusu afya na kinga, kikizingatia kanuni za epijenetiki na kutoa maarifa na mikakati ya kuboresha afya na kuzeeka.

Bofya kwa maelezo zaidi au kuagiza

Mwongozo Kamili wa Kufunga: Uponye Mwili Wako Kupitia Mfungo wa Mara kwa Mara, Siku Mbadala, na Kufunga kwa Kurefusha.

na Dk. Jason Fung na Jimmy Moore

Kitabu hiki kinachunguza sayansi na mazoezi ya kutoa maarifa ya kufunga na mikakati ya kuboresha afya na siha kwa ujumla.

Bofya kwa maelezo zaidi au kuagiza