O sangue transporta oxigênio e nutrientes vitais para o cérebro. Sr. Suphachai Praserdumrongchai/iStock via Getty Images
Os neurocientistas há muito assumem que os neurônios são unidades gananciosas e famintas que exigem mais energia quando se tornam mais ativos, e o sistema circulatório obedece fornecendo tanto sangue quanto necessário para abastecer sua atividade. De fato, à medida que a atividade neuronal aumenta em resposta a uma tarefa, o fluxo sanguíneo para essa parte do cérebro aumenta ainda mais do que sua taxa de uso de energia, levando a um excesso. Este aumento é a base do comum tecnologia de imagem funcional que gera mapas coloridos da atividade cerebral.
Os cientistas costumavam interpretar essa aparente incompatibilidade no fluxo sanguíneo e na demanda de energia como evidência de que não há falta de suprimento de sangue para o cérebro. A ideia de uma oferta ilimitada foi baseada na observação de que apenas cerca de 40% do oxigênio entregue a cada parte do cérebro é usado - e essa porcentagem realmente cai à medida que as partes do cérebro se tornam mais ativas. Parecia fazer sentido evolutivo: o cérebro teria desenvolvido esse aumento mais rápido do que o necessário no fluxo sanguíneo como um recurso de segurança que garante a entrega de oxigênio suficiente em todos os momentos.
Mas a distribuição de sangue no cérebro realmente suporta um sistema baseado em demanda? Como um neurocientista eu mesmo, eu já havia examinado uma série de outras suposições sobre os fatos mais básicos sobre o cérebro e descobri que elas não deram certo. Para citar alguns: Cérebros humanos não tem 100 bilhões de neurônios, embora eles façam tem o maior número de neurônios corticais de qualquer espécie; o grau de dobramento do córtex cerebral não indica quantos neurônios estão presentes; e não são os animais maiores que vivem mais, mas aqueles com mais neurônios em seu córtex.
Acredito que descobrir o que determina o suprimento de sangue para o cérebro é essencial para entender como o cérebro funciona na saúde e na doença. É como as cidades precisam descobrir se a rede elétrica atual será suficiente para suportar um futuro aumento populacional. Os cérebros, como as cidades, só funcionam se tiverem energia suficiente fornecida.
Recursos como rodovias ou rios
Mas como eu poderia testar se o fluxo sanguíneo para o cérebro é realmente baseado na demanda? Meus freezers estavam cheios de cérebros mortos preservados. Como você estuda o uso de energia em um cérebro que não está mais usando energia?
Felizmente, o cérebro deixa evidências de seu uso de energia por meio do padrão dos vasos que distribuem o sangue por ele. Achei que poderia olhar para o densidade de capilares – os vasos finos com largura de uma célula que transferem gases, glicose e metabólitos entre o cérebro e o sangue. Essas redes capilares seriam preservadas nos cérebros dos meus freezers.
Um cérebro baseado na demanda deve ser comparável a um sistema rodoviário. Se as artérias e veias são as principais rodovias que transportam mercadorias para a cidade de partes específicas do cérebro, os capilares são semelhantes às ruas da vizinhança que realmente entregam mercadorias a seus usuários finais: neurônios individuais e as células que trabalham com eles. Ruas e rodovias são construídas sob demanda, e um roteiro mostra como é um sistema baseado na demanda: as estradas geralmente se concentram em partes do país onde há mais pessoas – as unidades da sociedade que consomem muita energia.
Em contraste, um cérebro com suprimento limitado deve se parecer com os leitos dos rios de um país, que não se importa com a localização das pessoas. A água fluirá onde puder, e as cidades só terão que se ajustar e se contentar com o que puderem. É provável que as cidades se formem nas proximidades das principais artérias - mas, na ausência de uma remodelação importante e intencional, seu crescimento e atividades são limitados pela quantidade de água disponível.
Eu descobriria que os capilares estão concentrados em partes do cérebro com mais neurônios e supostamente requerem mais energia, como ruas e rodovias construídas de acordo com a demanda? Ou eu acharia que eles são mais como riachos e riachos que permeiam a terra onde podem, alheios a onde a maioria das pessoas está, de maneira orientada para o abastecimento?
O que encontrei foi uma evidência clara para o último. Para ambos os ratos e ratos, a densidade capilar representa apenas 2% a 4% do volume cerebral, independentemente de quantos neurônios ou sinapses estejam presentes. O sangue flui no cérebro como água em rios: onde pode, não onde é necessário.
Se o sangue flui independentemente da necessidade, isso implica que o cérebro realmente usa o sangue à medida que é fornecido. Descobrimos que as pequenas variações na densidade capilar em diferentes partes de cérebros de ratos mortos combinavam perfeitamente com as taxas de fluxo sanguíneo e uso de energia nas mesmas partes de outros cérebros de ratos vivos que os pesquisadores mediram 15 anos antes.
Resolvendo o fluxo sanguíneo e a demanda de energia
Poderia a densidade específica dos capilares em cada parte do cérebro ser tão limitante que determina quanta energia essa parte usa? E isso se aplicaria ao cérebro como um todo?
fiz parceria com meu colega Doug Rothman para responder a essas perguntas. Juntos, descobrimos que não apenas os cérebros humanos e de ratos fazem o que podem com o sangue que obtêm e normalmente trabalham com cerca de 85% da capacidade, mas a atividade cerebral geral é de fato ditada pela densidade capilar, tudo o mais sendo igual.
A razão pela qual apenas 40% do oxigênio fornecido ao cérebro é realmente usado é porque essa é a quantidade máxima que pode ser trocada conforme o sangue flui - como trabalhadores tentando pegar itens em uma linha de montagem indo rápido demais. As artérias locais podem fornecer mais sangue aos neurônios se começarem a usar um pouco mais de oxigênio, mas isso tem o custo de desviar o sangue de outras partes do cérebro. Como a troca gasosa já estava perto da capacidade total, a fração de extração de oxigênio parece até cair com um leve aumento na entrega.
De longe, o uso de energia no cérebro pode parecer baseado na demanda – mas na verdade é limitado pelo suprimento.
Suprimento de sangue influencia a atividade cerebral
Então, por que isso importa?
Nossas descobertas oferecem uma possível explicação de por que o cérebro não pode realmente realizar multitarefas – apenas alternar rapidamente entre os focos. Como o fluxo sanguíneo para todo o cérebro é rigidamente regulado e permanece essencialmente constante ao longo do dia enquanto você alterna entre as atividades, nossa pesquisa sugere que qualquer parte do cérebro que experimenta um aumento na atividade - porque você começa a fazer matemática ou tocar uma música, por exemplo exemplo - só pode obter um pouco mais de fluxo sanguíneo à custa de desviar o fluxo sanguíneo de outras partes do cérebro. Assim, o incapacidade de fazer duas coisas ao mesmo tempo pode ter suas origens no fluxo sanguíneo para o cérebro sendo limitado pelo suprimento, não baseado na demanda.
Uma melhor compreensão de como o cérebro funciona pode oferecer insights sobre o comportamento humano e as doenças. Peter Dazeley / Banco de Imagens via Getty Images
Nossas descobertas também oferecem uma visão sobre o envelhecimento. Se os neurônios devem se contentar com a energia que podem obter de um suprimento de sangue quase sempre constante, então as partes do cérebro com as maiores densidades de neurônios serão as primeiras a serem afetadas quando houver escassez – assim como as grandes cidades sentem o dor de uma seca antes dos menores.
No córtex, as partes com o densidades de neurônios mais altas são o hipocampo e o córtex entorrinal. Essas áreas estão envolvidas na memória de curto prazo e no primeiro a sofrer no envelhecimento. Mais pesquisas são necessárias para testar se as partes do cérebro mais vulneráveis ao envelhecimento e às doenças são aquelas com o maior número de neurônios agrupados e competindo por um suprimento limitado de sangue.
Se é verdade que os capilares, como os neurônios, dura uma vida em humanos como em ratos de laboratório, eles podem desempenhar um papel maior na saúde do cérebro do que o esperado. Para garantir que os neurônios do cérebro permaneçam saudáveis na velhice, cuidar dos capilares que os mantêm supridos de sangue pode ser uma boa aposta. A boa notícia é que existem duas maneiras comprovadas de fazer isso: um dieta saudável e exercicios, que nunca é tarde para começar.
Sobre o autor
Suzana Herculano-Houzel, Professor Associado de Psicologia, Vanderbilt University
Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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