Darah membawa oksigen dan nutrisi penting ke otak. Tn. Suphachai Praserdumrongchai/iStock melalui Getty Images
Ahli saraf telah lama berasumsi bahwa neuron adalah unit rakus dan lapar yang membutuhkan lebih banyak energi ketika mereka menjadi lebih aktif, dan sistem peredaran darah memenuhinya dengan menyediakan darah sebanyak yang mereka butuhkan untuk menggerakkan aktivitas mereka. Memang, ketika aktivitas saraf meningkat sebagai respons terhadap suatu tugas, aliran darah ke bagian otak itu bahkan meningkat lebih dari tingkat penggunaan energinya, yang mengarah ke surplus. Peningkatan ini adalah dasar dari kesamaan teknologi pencitraan fungsional yang menghasilkan peta aktivitas otak berwarna.
Para ilmuwan biasa menafsirkan ketidaksesuaian aliran darah dan kebutuhan energi ini sebagai bukti bahwa tidak ada kekurangan suplai darah ke otak. Gagasan tentang pasokan yang tidak terbatas didasarkan pada pengamatan itu hanya sekitar 40% dari oksigen dikirim ke setiap bagian otak digunakan – dan persentase ini benar-benar turun saat bagian otak menjadi lebih aktif. Tampaknya masuk akal secara evolusioner: Otak akan mengembangkan peningkatan aliran darah yang lebih cepat dari yang dibutuhkan ini sebagai fitur keamanan yang menjamin pengiriman oksigen yang cukup setiap saat.
Tapi apakah distribusi darah di otak benar-benar mendukung sistem berbasis permintaan? Sebagai seorang ahli saraf sendiri, saya sebelumnya telah memeriksa sejumlah asumsi lain tentang fakta paling mendasar tentang otak dan menemukan bahwa asumsi tersebut tidak berjalan dengan baik. Untuk beberapa nama: Otak manusia tidak memiliki 100 miliar neuron, meskipun mereka melakukannya memiliki neuron kortikal terbanyak dari spesies apapun; itu tingkat lipatan korteks serebral tidak menunjukkan berapa banyak neuron yang ada; dan bukan hewan besar yang hidup lebih lama, tapi mereka yang memiliki lebih banyak neuron di korteks mereka.
Saya percaya bahwa mencari tahu apa yang menentukan suplai darah ke otak sangat penting untuk memahami cara kerja otak dalam kesehatan dan penyakit. Ini seperti bagaimana kota perlu mengetahui apakah jaringan listrik saat ini akan cukup untuk mendukung peningkatan populasi di masa depan. Otak, seperti kota, hanya bekerja jika mereka memiliki pasokan energi yang cukup.
Sumber daya sebagai jalan raya atau sungai
Tapi bagaimana saya bisa menguji apakah aliran darah ke otak benar-benar berdasarkan permintaan? Freezer saya penuh dengan otak mati yang diawetkan. Bagaimana Anda mempelajari penggunaan energi di otak yang tidak menggunakan energi lagi?
Untungnya, otak meninggalkan bukti penggunaan energinya melalui pola pembuluh yang mendistribusikan darah ke seluruh otak. Saya pikir saya bisa melihat kepadatan kapiler – Pembuluh tipis selebar satu sel yang mentransfer gas, glukosa, dan metabolit antara otak dan darah. Jaringan kapiler ini akan disimpan di otak di freezer saya.
Otak berbasis permintaan harus sebanding dengan sistem jalan raya. Jika arteri dan vena adalah jalan raya utama yang membawa barang ke kota di bagian otak tertentu, kapiler mirip dengan jalan lingkungan yang benar-benar mengirimkan barang ke pengguna akhir mereka: neuron individu dan sel yang bekerja dengannya. Jalan dan jalan raya dibangun berdasarkan permintaan, dan peta jalan menunjukkan seperti apa sistem berbasis permintaan: Jalan sering terkonsentrasi di bagian negara di mana ada lebih banyak orang - unit masyarakat yang boros energi.
Sebaliknya, otak yang persediaannya terbatas harus terlihat seperti dasar sungai di suatu negara, yang tidak peduli di mana orang berada. Air akan mengalir di mana ia bisa, dan kota-kota hanya perlu menyesuaikan dan memenuhi apa yang bisa mereka dapatkan. Kemungkinannya adalah, kota-kota akan terbentuk di sekitar arteri utama – tetapi tidak ada renovasi besar-besaran yang bertujuan, pertumbuhan dan aktivitasnya dibatasi oleh seberapa banyak air yang tersedia.
Akankah saya menemukan bahwa kapiler terkonsentrasi di bagian otak dengan lebih banyak neuron dan diduga membutuhkan lebih banyak energi, seperti jalan dan jalan raya yang dibangun berdasarkan permintaan? Atau akankah saya menemukan bahwa mereka lebih seperti anak sungai dan sungai yang menembus tanah di mana mereka bisa, tidak menyadari di mana kebanyakan orang berada, dengan cara yang didorong oleh persediaan?
Apa yang saya temukan adalah bukti nyata untuk yang terakhir. Untuk kedua tikus dan tikus, kepadatan kapiler hanya 2% sampai 4% dari volume otak, terlepas dari berapa banyak neuron atau sinapsis yang ada. Darah mengalir di otak seperti air mengalir ke sungai: di mana ia bisa, bukan di mana ia dibutuhkan.
Jika darah mengalir terlepas dari kebutuhan, ini menyiratkan bahwa otak benar-benar menggunakan darah seperti yang disuplai. Kami menemukan bahwa variasi kecil dalam kepadatan kapiler di berbagai bagian otak tikus mati sangat cocok dengan laju aliran darah dan penggunaan energi di bagian yang sama dari otak tikus hidup lainnya yang diukur oleh para peneliti 15 tahun sebelumnya.
Menyelesaikan aliran darah dan kebutuhan energi
Mungkinkah kerapatan spesifik kapiler di setiap bagian otak begitu membatasi sehingga menentukan berapa banyak energi yang digunakan bagian itu? Dan apakah itu berlaku untuk otak secara keseluruhan?
Saya bermitra dengan rekan saya Doug Rothman untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini. Bersama-sama, kami menemukan bahwa otak manusia dan tikus tidak hanya melakukan apa yang mereka bisa dengan darah yang mereka dapatkan dan biasanya bekerja dengan kapasitas sekitar 85%, tetapi aktivitas otak secara keseluruhan memang demikian. ditentukan oleh kerapatan kapiler, semuanya sama.
Alasan mengapa hanya 40% oksigen yang dipasok ke otak benar-benar digunakan adalah karena ini adalah jumlah maksimum yang dapat ditukar saat darah mengalir – seperti pekerja yang mencoba mengambil barang di jalur perakitan terlalu cepat. Arteri lokal dapat mengalirkan lebih banyak darah ke neuron jika mereka mulai menggunakan sedikit lebih banyak oksigen, tetapi hal ini harus dibayar dengan mengalihkan darah dari bagian otak yang lain. Sejak awal pertukaran gas sudah mendekati kapasitas penuh, fraksi ekstraksi oksigen tampaknya bahkan turun dengan sedikit peningkatan pengiriman.
Dari jauh, penggunaan energi di otak mungkin terlihat berdasarkan permintaan – tetapi sebenarnya persediaannya terbatas.
Pasokan darah mempengaruhi aktivitas otak
Jadi mengapa semua ini penting?
Temuan kami menawarkan penjelasan yang mungkin mengapa otak tidak dapat benar-benar melakukan banyak tugas – hanya dengan cepat beralih di antara fokus. Karena aliran darah ke seluruh otak diatur dengan ketat dan pada dasarnya tetap konstan sepanjang hari saat Anda berganti-ganti aktivitas, penelitian kami menunjukkan bahwa setiap bagian otak yang mengalami peningkatan aktivitas – karena Anda mulai mengerjakan matematika atau memainkan lagu, untuk contoh – hanya bisa mendapatkan sedikit lebih banyak aliran darah dengan mengorbankan aliran darah yang dialihkan dari bagian lain dari otak. Dengan demikian, ketidakmampuan untuk melakukan dua hal sekaligus mungkin berasal dari aliran darah ke otak yang terbatas pasokannya, bukan berdasarkan permintaan.
Pemahaman yang lebih baik tentang cara kerja otak dapat menawarkan wawasan tentang perilaku dan penyakit manusia. Peter Dazeley / Bank Gambar melalui Getty Images
Temuan kami juga menawarkan wawasan tentang penuaan. Jika neuron harus puas dengan energi apa yang bisa mereka dapatkan dari pasokan darah yang sebagian besar konstan, maka bagian otak dengan kepadatan neuron tertinggi akan menjadi yang pertama terpengaruh ketika ada kekurangan – seperti yang dirasakan kota-kota terbesar. rasa sakit kekeringan sebelum yang lebih kecil.
Di korteks, bagian dengan kepadatan neuron tertinggi adalah hipokampus dan korteks entorhinal. Area-area ini terlibat dalam memori jangka pendek dan pertama menderita dalam penuaan. Diperlukan lebih banyak penelitian untuk menguji apakah bagian otak yang paling rentan terhadap penuaan dan penyakit adalah bagian dengan jumlah neuron terbanyak yang dikemas bersama dan bersaing untuk mendapatkan suplai darah yang terbatas.
Jika benar bahwa kapiler, seperti neuron, bertahan seumur hidup pada manusia seperti yang mereka lakukan pada tikus laboratorium, maka mereka mungkin memainkan peran yang lebih besar dalam kesehatan otak dari yang diharapkan. Untuk memastikan neuron otak Anda tetap sehat di usia tua, merawat kapiler yang menjaga suplai darah mungkin merupakan taruhan yang bagus. Kabar baiknya adalah ada dua cara yang terbukti untuk melakukan ini: a diet sehat dan latihan, yang tidak pernah terlambat untuk memulai.
tentang Penulis
Suzana Herculano-Houzel, Associate Professor Psikologi, Vanderbilt University
Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.
Buku terkait:
Tubuh Menjaga Skor: Otak Pikiran dan Tubuh dalam Penyembuhan Trauma
oleh Bessel van der Kolk
Buku ini mengeksplorasi hubungan antara trauma dan kesehatan fisik dan mental, menawarkan wawasan dan strategi untuk penyembuhan dan pemulihan.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Napas: Ilmu Baru Seni yang Hilang
oleh James Nestor
Buku ini mengeksplorasi ilmu dan praktik pernapasan, menawarkan wawasan dan teknik untuk meningkatkan kesehatan fisik dan mental.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Paradoks Tumbuhan: Bahaya Tersembunyi dalam Makanan "Sehat" yang Menyebabkan Penyakit dan Kenaikan Berat Badan
oleh Steven R. Gundry
Buku ini mengeksplorasi hubungan antara diet, kesehatan, dan penyakit, menawarkan wawasan dan strategi untuk meningkatkan kesehatan dan kebugaran secara keseluruhan.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Kode Imunitas: Paradigma Baru untuk Kesehatan Sejati dan Anti Penuaan Radikal
oleh Joel Greene
Buku ini menawarkan perspektif baru tentang kesehatan dan kekebalan, berdasarkan prinsip-prinsip epigenetik dan menawarkan wawasan dan strategi untuk mengoptimalkan kesehatan dan penuaan.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Panduan Puasa Lengkap: Sembuhkan Tubuh Anda Melalui Puasa Intermiten, Hari Alternatif, dan Perpanjangan
oleh Dr. Jason Fung dan Jimmy Moore
Buku ini mengeksplorasi ilmu dan praktik puasa yang menawarkan wawasan dan strategi untuk meningkatkan kesehatan dan kebugaran secara keseluruhan.
