大脑也有供应链问题：神经元怎样争夺血液中的营养？

　　

长期以来，神经科学家一直认为神经元是贪婪、饥饿的单位，当它们变得更加活跃时，就需要更多的能量，而循环系统则通过提供尽可能多的血液来满足它们的活动需求。事实上，当神经元对一项任务的反应增加时，流向大脑该部分的血液的增加甚至超过其能量消耗的速度，从而导致过剩。这种增加是生成大脑活动彩色图的常见功能成像技术的基础。科学家们过去常常把这种血流量和能量需求的明显不匹配解释为大脑不缺乏血液供应的证据。不限制氧气供应的想法是基于这样的观察:输送到大脑每个部分的氧气只有大约40%被使用了——而且随着大脑的某些部分变得更加活跃，这个比例实际上会下降。这似乎在进化上是有道理的:大脑会进化出这种快于需要的血流量增加，作为一种安全特征，以保证在任何时候都有足够的氧气输送。

但是，大脑中的血液分布真的支持以需求为基础的系统吗?神经科学家之前研究过关于大脑最基本事实的其他一些假设，发现它们都不成立。举几个例子:人类大脑没有1000亿个神经元，尽管它们的皮层神经元是所有物种中最多的;大脑皮层的折叠程度并不表明有多少神经元存在;并不是体型更大的动物活得更久，而是那些皮层中神经元更多的动物。弄清楚是什么决定了大脑的血液供应，对于理解大脑在健康和疾病中是如何工作的至关重要。这就像城市需要弄清楚当前的电网是否足以支持未来的人口增长。大脑就像城市一样，只有在有足够的能量供应时才能运转。

但如何测试流向大脑的血液是否真的是基于需求的呢?如何研究一个不再使用能量的大脑的能量使用呢?

幸运的是，大脑通过血管的分布模式留下了能量消耗的证据。毛细血管是一种单细胞宽的细血管，在大脑和血液之间传递气体、葡萄糖和代谢物。这些毛细血管网络会被保存在冰箱里的大脑里。

以需求为基础的大脑应该与道路系统相媲美。如果说动脉和静脉是将货物运送到大脑特定区域的主要高速公路，那么毛细血管就类似于社区街道，它实际上将货物运送到最终用户:单个神经元和与它们一起工作的细胞。街道和高速公路是按需而建的，路线图显示了一个以需求为基础的系统是什么样子的:道路通常集中在人口较多的地区——社会的高耗能单位。

相比之下，一个供应有限的大脑应该看起来像一个国家的河床，它根本不关心人们在哪里。水会在它能流的地方流动，城市只需要调整，利用它们能得到的东西。很有可能，城市会在主干道附近形成——但如果没有主要的、有目的的重塑，它们的生长和活动就会受到可用水量的限制。

是否会发现毛细血管集中在大脑中有更多神经元的部分，应该需要更多的能量，就像以需求为基础的街道和高速公路一样?或者，会发现它们更像小溪和小溪，以供应驱动的方式，尽可能地渗透到土地中，而不顾人最多的地方?

后者的明确证据。对小鼠和大鼠来说，不管有多少神经元或突触，毛细血管密度都只占脑容量的2%到4%。血液在大脑中流动，就像河水顺流而下:在能流的地方，而不是在需要的地方。功能性磁共振成像是测量大脑的几种方法之一。

如果血液不受需要而流动，这意味着大脑实际上是在使用供血。科学家发现，死鼠脑不同部位毛细血管密度的微小变化，与研究人员15年前测量的其他活鼠脑同一部位的血液流动和能量消耗速率完全吻合。

解决血液流动和能量需求

大脑每个部分的毛细血管密度是否会如此有限，以至于它决定了该部分使用多少能量?这适用于整个大脑吗?Doug Rothman等人一起回答了这些问题。不仅人类和大鼠的大脑都能利用他们得到的血液，通常在85%的容量下工作，而且在其他条件相同的情况下，整体大脑活动确实是由毛细血管密度决定的。

供应给大脑的氧气中只有40%真正被使用的原因是，这是血液流动时可以交换的最大量，就像工人试图在流水线上捡起速度过快的物品一样。如果局部动脉开始使用稍微多一点的氧气，就可以向神经元输送更多的血液，但这是以分流大脑其他部分的血液为代价的。由于气体交换一开始就已经接近满负荷，氧气萃取的比例似乎甚至随着输送量的轻微增加而下降。

从远处看，大脑的能量使用可能看起来是以需求为基础的，但实际上是供应有限的。

血液供应影响大脑活动

那么，这些有什么关系呢?

这项发现提供了一个可能的解释，为什么大脑不能真正地一心多用，只能在不同的焦点之间快速切换。由于整个大脑的血流量受到严格的调节，并且在一天中当你在活动之间交替时，基本上保持不变，研究表明，大脑的任何部分活动增加——例如，因为你开始做数学或播放歌曲——只能以转移大脑其他部分的血流量为代价获得稍微多一点的血流量。因此，无法同时做两件事可能源于流向大脑的血液是供应有限的，而不是基于需求的。

发现也提供了对衰老的见解。如果神经元必须从几乎恒定的血液供应中获得能量，那么当血液供应不足时，大脑中神经元密度最高的部分将首先受到影响——就像大城市比小城市先感受到干旱的痛苦一样。在皮层中，神经元密度最高的部位是海马体和内嗅皮层。这些区域与短期记忆有关，也是最先受到衰老影响的区域。需要更多的研究来测试大脑中最容易衰老和疾病的部分是否具有最多数量的神经元聚集在一起并争夺有限的血液供应。

如果像神经元一样的毛细血管在人类体内的寿命和实验室小鼠一样，那么它们在大脑健康中发挥的作用可能比预期的要大。为了确保你的大脑神经元在老年时保持健康，照顾好为它们提供血液的毛细血管可能是一个不错的选择。好消息是，有两种行之有效的方法可以做到这一点:健康的饮食和锻炼，现在开始永远都不晚。

From a Demand-Based to a Supply-Limited Framework of Brain Metabolism