La sangre transporta oxígeno y nutrientes vitales al cerebro. Sr. Suphachai Praserdumrongchai/iStock a través de Getty Images
Los neurocientíficos han asumido durante mucho tiempo que las neuronas son unidades codiciosas y hambrientas que exigen más energía cuando se vuelven más activas, y el sistema circulatorio cumple proporcionando tanta sangre como necesitan para alimentar su actividad. De hecho, a medida que aumenta la actividad neuronal en respuesta a una tarea, el flujo de sangre a esa parte del cerebro aumenta incluso más que su tasa de uso de energía, lo que genera un excedente. Este aumento es la base de la común tecnología de imagen funcional que genera mapas de colores de la actividad cerebral.
Los científicos solían interpretar este aparente desajuste en el flujo sanguíneo y la demanda de energía como evidencia de que no hay escasez de suministro de sangre al cerebro. La idea de un suministro ilimitado se basaba en la observación de que sólo alrededor del 40% del oxígeno que se administra a cada parte del cerebro, y este porcentaje en realidad disminuye a medida que las partes del cerebro se vuelven más activas. Parecía tener sentido evolutivo: el cerebro habría desarrollado este aumento más rápido de lo necesario en el flujo sanguíneo como una característica de seguridad que garantiza un suministro suficiente de oxígeno en todo momento.
Pero, ¿realmente la distribución de sangre en el cerebro respalda un sistema basado en la demanda? Yo mismo como neurocientífico, había examinado previamente una serie de otras suposiciones sobre los hechos más básicos sobre el cerebro y descubrí que no funcionaban. Por nombrar algunos: cerebros humanos no tienes 100 mil millones de neuronas, aunque lo hacen tienen la mayor cantidad de neuronas corticales de cualquier especie; el grado de plegamiento de la corteza cerebral no indica cuántas neuronas están presentes; y no son los animales más grandes los que viven más tiempo, sino aquellos con más neuronas en su corteza.
Creo que descubrir qué determina el suministro de sangre al cerebro es esencial para comprender cómo funciona el cerebro en la salud y la enfermedad. Es como si las ciudades tuvieran que averiguar si la red eléctrica actual será suficiente para sustentar un futuro aumento de la población. Los cerebros, como las ciudades, solo funcionan si tienen suficiente energía suministrada.
Recursos como carreteras o ríos
Pero, ¿cómo podría probar si el flujo de sangre al cerebro está realmente basado en la demanda? Mis congeladores estaban repletos de sesos muertos conservados. ¿Cómo estudias el uso de energía en un cerebro que ya no usa energía?
Afortunadamente, el cerebro deja evidencia de su uso de energía a través del patrón de los vasos que distribuyen la sangre a través de él. Supuse que podía mirar el densidad de capilares – los vasos delgados de una sola célula de ancho que transfieren gases, glucosa y metabolitos entre el cerebro y la sangre. Estas redes capilares se conservarían en los cerebros en mis congeladores.
Un cerebro basado en la demanda debería ser comparable a un sistema de carreteras. Si las arterias y las venas son las principales carreteras que transportan bienes a la ciudad de partes específicas del cerebro, los capilares son similares a las calles del vecindario que en realidad entregan bienes a sus usuarios finales: las neuronas individuales y las células que trabajan con ellas. Las calles y carreteras se construyen según la demanda, y un mapa de carreteras muestra cómo se ve un sistema basado en la demanda: las carreteras a menudo se concentran en partes del país donde hay más personas: las unidades de la sociedad que consumen mucha energía.
Por el contrario, un cerebro con suministro limitado debería parecerse a los lechos de los ríos de un país, al que no podría importarle menos dónde se encuentra la gente. El agua fluirá donde pueda, y las ciudades solo tendrán que adaptarse y arreglárselas con lo que puedan obtener. Lo más probable es que se formen ciudades en las inmediaciones de las arterias principales, pero en ausencia de una remodelación importante y intencionada, su crecimiento y actividades están limitados por la cantidad de agua disponible.
¿Encontraría que los capilares se concentran en partes del cerebro con más neuronas y supuestamente requieren más energía, como calles y carreteras construidas en función de la demanda? ¿O encontraría que son más como arroyos y arroyos que penetran la tierra donde pueden, sin darse cuenta de dónde está la mayoría de la gente, de una manera impulsada por la oferta?
Lo que encontré fue una clara evidencia de lo último. Para ambos ratones y ratas, la densidad capilar constituye un escaso 2% a 4% del volumen cerebral, independientemente de cuántas neuronas o sinapsis estén presentes. La sangre fluye en el cerebro como el agua por los ríos: donde puede, no donde se necesita.
Si la sangre fluye independientemente de la necesidad, esto implica que el cerebro realmente usa la sangre tal como se le suministra. Descubrimos que las pequeñas variaciones en la densidad capilar en diferentes partes de los cerebros de ratas muertas coincidían perfectamente con las tasas de flujo sanguíneo y uso de energía en las mismas partes de otros cerebros de ratas vivas que los investigadores midieron 15 años antes.
Resolver el flujo sanguíneo y la demanda de energía
¿Podría la densidad específica de los capilares en cada parte del cerebro ser tan limitante que dicte cuánta energía usa esa parte? ¿Y eso se aplicaría al cerebro como un todo?
Me asocié con mi colega. doug rothman para responder a estas preguntas. Juntos, descubrimos que no solo los cerebros humanos y de rata hacen lo que pueden con la sangre que reciben y, por lo general, funcionan al 85 % de su capacidad, sino que la actividad cerebral general es, de hecho, dictada por la densidad capilar, en igualdad de condiciones.
La razón por la que solo se usa el 40% del oxígeno suministrado al cerebro es porque esta es la cantidad máxima que se puede intercambiar a medida que fluye la sangre, como los trabajadores que intentan recoger artículos en una línea de montaje que va demasiado rápido. Las arterias locales pueden llevar más sangre a las neuronas si comienzan a usar un poco más de oxígeno, pero esto tiene el costo de desviar la sangre de otras partes del cerebro. Dado que, para empezar, el intercambio de gases ya estaba cerca de su capacidad máxima, la fracción de extracción de oxígeno parece incluso disminuir con un ligero aumento en la entrega.
Desde lejos, el uso de energía en el cerebro puede parecer basado en la demanda, pero en realidad es un suministro limitado.
El suministro de sangre influye en la actividad cerebral
Entonces, ¿por qué nada de esto importa?
Nuestros hallazgos ofrecen una posible explicación de por qué el cerebro no puede realmente realizar múltiples tareas, solo alternar rápidamente entre enfoques. Debido a que el flujo de sangre a todo el cerebro está estrictamente regulado y permanece esencialmente constante a lo largo del día mientras alterna entre actividades, nuestra investigación sugiere que cualquier parte del cerebro que experimente un aumento en la actividad, porque comienza a hacer matemáticas o a tocar una canción, por ejemplo. ejemplo, solo puede obtener un poco más de flujo de sangre a expensas de desviar el flujo de sangre de otras partes del cerebro. Por lo tanto, la incapacidad para hacer dos cosas al mismo tiempo podría tener su origen en que el flujo de sangre al cerebro está limitado por el suministro, no por la demanda.
Una mejor comprensión de cómo funciona el cerebro podría ofrecer información sobre el comportamiento humano y la enfermedad. Peter Dazeley / The Image Bank a través de Getty Images
Nuestros hallazgos también ofrecen información sobre el envejecimiento. Si las neuronas deben arreglárselas con la energía que pueden obtener de un suministro de sangre mayormente constante, entonces las partes del cerebro con las densidades más altas de neuronas serán las primeras en verse afectadas cuando haya escasez, al igual que las ciudades más grandes sienten la dolor de una sequía antes que los más pequeños.
En la corteza, las partes con el densidades de neuronas más altas son el hipocampo y la corteza entorrinal. Estas áreas están involucradas en la memoria a corto plazo y la primeros en sufrir en la vejez. Se necesita más investigación para probar si las partes del cerebro más vulnerables al envejecimiento y la enfermedad son las que tienen la mayor cantidad de neuronas agrupadas y compitiendo por un suministro de sangre limitado.
Si es cierto que los capilares, como las neuronas, dura toda una vida en humanos como lo hacen en ratones de laboratorio, entonces pueden desempeñar un papel más importante de lo esperado en la salud del cerebro. Para asegurarse de que las neuronas de su cerebro permanezcan saludables en la vejez, puede ser una buena apuesta cuidar los capilares que las mantienen abastecidas de sangre. La buena noticia es que hay dos formas probadas de hacer esto: una dieta saludable y ejercicio, que nunca es demasiado tarde para comenzar.
Sobre la autora
Suzana Herculano Houzel, Profesor Asociado de Psicología, La Universidad de Vanderbilt
Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.
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