Máu mang oxy và các chất dinh dưỡng quan trọng đến não. Ông Suphachai Praserdumrongchai/iStock qua Getty Images

Các nhà thần kinh học từ lâu đã giả định rằng các tế bào thần kinh là những đơn vị tham lam, đói khát, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn khi chúng hoạt động tích cực hơn và hệ thống tuần hoàn tuân theo bằng cách cung cấp đủ lượng máu cần thiết để cung cấp nhiên liệu cho hoạt động của chúng. Thật vậy, khi hoạt động của tế bào thần kinh tăng lên để đáp ứng với một nhiệm vụ, lưu lượng máu đến phần não đó thậm chí còn tăng nhiều hơn tốc độ sử dụng năng lượng của nó, dẫn đến tình trạng dư thừa. Sự gia tăng này là cơ sở chung công nghệ hình ảnh chức năng tạo ra các bản đồ màu về hoạt động của não.

Các nhà khoa học từng giải thích sự không phù hợp rõ ràng này giữa lưu lượng máu và nhu cầu năng lượng như là bằng chứng cho thấy không có tình trạng thiếu máu cung cấp cho não. Ý tưởng về nguồn cung cấp không giới hạn dựa trên quan sát rằng chỉ khoảng 40% lượng oxy phân phối đến từng phần của não được sử dụng – và tỷ lệ phần trăm này thực sự giảm xuống khi các phần của não hoạt động tích cực hơn. Nó dường như có ý nghĩa tiến hóa: Bộ não sẽ phát triển lưu lượng máu tăng nhanh hơn mức cần thiết này như một tính năng an toàn đảm bảo cung cấp đủ oxy mọi lúc.

Nhưng sự phân phối máu trong não có thực sự hỗ trợ một hệ thống dựa trên nhu cầu? Bản thân tôi là một nhà thần kinh học, trước đây tôi đã xem xét một số giả định khác về những sự thật cơ bản nhất về bộ não và thấy rằng chúng không thành công. Để kể tên một số: Bộ não con người không có 100 tỷ tế bào thần kinh, mặc dù họ làm có nhiều tế bào thần kinh vỏ não nhất của bất kỳ loài nào; các mức độ gấp của vỏ não không cho biết có bao nhiêu tế bào thần kinh; và không phải động vật lớn hơn sống lâu hơn, mà là những người có nhiều tế bào thần kinh hơn trong vỏ não của họ.

Tôi tin rằng việc tìm ra điều gì quyết định việc cung cấp máu cho não là điều cần thiết để hiểu não bộ hoạt động như thế nào trong tình trạng sức khỏe và bệnh tật. Nó giống như cách các thành phố cần tìm hiểu xem liệu lưới điện hiện tại có đủ để hỗ trợ sự gia tăng dân số trong tương lai hay không. Bộ não, giống như các thành phố, chỉ hoạt động nếu được cung cấp đủ năng lượng.

Tài nguyên như đường cao tốc hoặc sông

Nhưng làm cách nào tôi có thể kiểm tra xem lưu lượng máu lên não có thực sự dựa trên nhu cầu hay không? Tủ đông của tôi chất đầy não chết đã được bảo quản. Làm thế nào để bạn nghiên cứu việc sử dụng năng lượng trong một bộ não không sử dụng năng lượng nữa?

May mắn thay, bộ não để lại bằng chứng về việc sử dụng năng lượng của nó thông qua mô hình các mạch phân phối máu khắp nó. tôi hình dung tôi có thể nhìn vào mật độ mao mạch – các mạch mỏng, rộng một tế bào vận chuyển khí, glucose và các chất chuyển hóa giữa não và máu. Những mạng lưới mao mạch này sẽ được bảo quản trong não trong tủ đông lạnh của tôi.

Một bộ não dựa trên nhu cầu nên được so sánh với một hệ thống đường bộ. Nếu các động mạch và tĩnh mạch là những đường cao tốc chính mang hàng hóa đến thị trấn của các bộ phận cụ thể của não, thì các mao mạch giống như những con đường lân cận thực sự vận chuyển hàng hóa đến người dùng cuối cùng: các tế bào thần kinh riêng lẻ và các tế bào hoạt động với chúng. Đường phố và đường cao tốc được xây dựng theo nhu cầu và bản đồ đường bộ cho thấy hệ thống dựa trên nhu cầu trông như thế nào: Đường thường tập trung ở các vùng của đất nước nơi có nhiều người hơn – những đơn vị tiêu tốn nhiều năng lượng của xã hội.

Ngược lại, một bộ não bị hạn chế về nguồn cung sẽ trông giống như lòng sông của một quốc gia, nơi không quan tâm đến vị trí của mọi người. Nước sẽ chảy đến nơi có thể, và các thành phố chỉ cần điều chỉnh và làm theo những gì họ có thể nhận được. Rất có thể, các thành phố sẽ hình thành trong vùng lân cận của các động mạch chính – nhưng không có sự tu sửa lớn, có mục đích, sự phát triển và hoạt động của chúng bị hạn chế bởi lượng nước sẵn có.

Tôi có thấy rằng các mao mạch tập trung ở những phần của não có nhiều tế bào thần kinh hơn và được cho là cần nhiều năng lượng hơn, chẳng hạn như đường phố và đường cao tốc được xây dựng theo cách dựa trên nhu cầu không? Hay tôi sẽ thấy rằng chúng giống như những con lạch và suối thấm vào vùng đất nơi chúng có thể, không cần biết đến nơi có nhiều người nhất, theo cách cung ứng?

Những gì tôi tìm thấy là bằng chứng rõ ràng cho cái sau. Vì cả hai con chuột và chuột, mật độ mao mạch chỉ chiếm từ 2% đến 4% thể tích não, bất kể có bao nhiêu tế bào thần kinh hoặc khớp thần kinh. Máu chảy trong não như nước chảy xuống sông: nơi có thể, không phải nơi cần.

Nếu máu chảy bất kể nhu cầu, điều này ngụ ý rằng não thực sự sử dụng máu khi nó được cung cấp. Chúng tôi phát hiện ra rằng những thay đổi nhỏ về mật độ mao mạch trên các phần khác nhau của não chuột chết hoàn toàn phù hợp với tốc độ lưu lượng máu và sử dụng năng lượng trong cùng một phần của não chuột sống khác mà các nhà nghiên cứu đã đo được 15 năm trước.

Giải quyết lưu lượng máu và nhu cầu năng lượng

Có thể mật độ cụ thể của các mao mạch trong mỗi phần của não bị giới hạn đến mức nó cho biết phần đó sử dụng bao nhiêu năng lượng? Và điều đó có áp dụng cho toàn bộ bộ não không?

tôi hợp tác với đồng nghiệp của tôi Doug Rothman để trả lời những câu hỏi này. Cùng nhau, chúng tôi phát hiện ra rằng không chỉ cả não người và chuột đều làm những gì có thể với lượng máu chúng nhận được và thường hoạt động với khoảng 85% công suất, mà hoạt động tổng thể của não thực sự là quyết định bởi mật độ mao dẫn, tất cả những thứ khác đều bằng nhau.

Lý do tại sao chỉ có 40% lượng oxy cung cấp cho não thực sự được sử dụng là vì đây là lượng tối đa có thể được trao đổi khi máu chảy qua – giống như công nhân cố gắng nhặt đồ trên dây chuyền lắp ráp đang diễn ra quá nhanh. Các động mạch cục bộ có thể cung cấp nhiều máu hơn cho các tế bào thần kinh nếu chúng bắt đầu sử dụng nhiều oxy hơn một chút, nhưng điều này phải trả giá bằng việc chuyển hướng máu ra khỏi các phần khác của não. Kể từ khi bắt đầu trao đổi khí đã gần hết công suất, tỷ lệ chiết xuất oxy dường như thậm chí còn giảm xuống khi lượng khí cung cấp tăng nhẹ.

Nhìn từ xa, việc sử dụng năng lượng trong não có vẻ dựa trên nhu cầu – nhưng nó thực sự bị hạn chế về nguồn cung.

Cung cấp máu ảnh hưởng đến hoạt động của não

Vì vậy, tại sao bất kỳ vấn đề này?

Những phát hiện của chúng tôi đưa ra một lời giải thích khả thi cho lý do tại sao bộ não không thể thực sự đa nhiệm – chỉ nhanh chóng luân phiên giữa các trọng tâm. Vì lưu lượng máu đến toàn bộ não được điều hòa chặt chẽ và về cơ bản là không đổi trong suốt cả ngày khi bạn luân phiên giữa các hoạt động, nên nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng bất kỳ phần nào của não trải qua sự gia tăng hoạt động – bởi vì bạn bắt đầu làm toán hoặc chơi một bài hát, chẳng hạn như ví dụ - chỉ có thể nhận được nhiều lưu lượng máu hơn một chút với chi phí chuyển hướng lưu lượng máu từ các phần khác của não. Như vậy, các không có khả năng làm hai việc cùng một lúc có thể bắt nguồn từ lưu lượng máu đến não bị hạn chế về nguồn cung, không dựa trên nhu cầu.

Hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của bộ não có thể mang lại những hiểu biết sâu sắc về hành vi và bệnh tật của con người. Peter Dazeley / Ngân hàng hình ảnh qua Getty Images

Phát hiện của chúng tôi cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về lão hóa. Nếu tế bào thần kinh phải làm gì với năng lượng mà chúng có thể nhận được từ nguồn cung cấp máu gần như liên tục, thì phần não có mật độ tế bào thần kinh cao nhất sẽ bị ảnh hưởng đầu tiên khi thiếu máu – giống như các thành phố lớn nhất cảm thấy nỗi đau của một con hạn trước những con nhỏ hơn.

Ở vỏ não, các phần có mật độ tế bào thần kinh cao nhất là hồi hải mã và vỏ não entorhinal. Những khu vực này có liên quan đến trí nhớ ngắn hạn và đầu tiên phải chịu đựng trong sự lão hóa. Cần nhiều nghiên cứu hơn để kiểm tra xem các phần của não dễ bị lão hóa và bệnh tật nhất có phải là phần có số lượng tế bào thần kinh lớn nhất tập trung lại với nhau và cạnh tranh để giành được nguồn cung cấp máu hạn chế hay không.

Nếu đúng là các mao mạch, giống như tế bào thần kinh, kéo dài suốt đời ở người cũng như ở chuột thí nghiệm, thì chúng có thể đóng vai trò lớn hơn đối với sức khỏe não bộ so với dự kiến. Để đảm bảo các tế bào thần kinh trong não của bạn vẫn khỏe mạnh khi về già, việc chăm sóc các mao mạch giúp cung cấp máu cho chúng có thể là một lựa chọn tốt. Tin tốt là có hai cách đã được chứng minh để làm điều này: chế độ ăn uống lành mạnh và tập thể dục, không bao giờ là quá muộn để bắt đầu.

Lưu ý

Suzana Herculano-Houzel, Phó Giáo sư Tâm lý học, Đại học Vanderbilt

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Sách liên quan:

Cơ thể ghi điểm: Bộ não và cơ thể trong quá trình chữa lành chấn thương

bởi Bessel van der Nikol

Cuốn sách này khám phá mối liên hệ giữa chấn thương với sức khỏe thể chất và tinh thần, đưa ra những hiểu biết sâu sắc và chiến lược để chữa lành và phục hồi.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng

Hơi thở: Khoa học mới về nghệ thuật đã mất

bởi James Nestor

Cuốn sách này khám phá khoa học và thực hành thở, cung cấp những hiểu biết sâu sắc và kỹ thuật để cải thiện sức khỏe thể chất và tinh thần.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng

Nghịch lý thực vật: Nguy cơ tiềm ẩn trong thực phẩm "lành mạnh" gây bệnh và tăng cân

của Steven R. Gundry

Cuốn sách này khám phá mối liên hệ giữa chế độ ăn uống, sức khỏe và bệnh tật, đưa ra những hiểu biết sâu sắc và chiến lược để cải thiện sức khỏe tổng thể và sức khỏe.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng

Mã miễn dịch: Mô hình mới cho sức khỏe thực sự và chống lão hóa triệt để

bởi Joel Greene

Cuốn sách này đưa ra một quan điểm mới về sức khỏe và khả năng miễn dịch, dựa trên các nguyên tắc biểu sinh và đưa ra những hiểu biết sâu sắc cũng như chiến lược để tối ưu hóa sức khỏe và lão hóa.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng

Hướng dẫn hoàn chỉnh về nhịn ăn: Chữa lành cơ thể thông qua nhịn ăn gián đoạn, luân phiên và kéo dài

bởi Tiến sĩ Jason Fung và Jimmy Moore

Cuốn sách này khám phá khoa học và thực hành nhịn ăn, cung cấp những hiểu biết sâu sắc và chiến lược để cải thiện sức khỏe tổng thể và sức khỏe.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng