Informatie

Hoe hangt het energieverbruik van de hersenen af ​​van mentale activiteit?


Wat is de impact van mentale activiteit op het energieverbruik van het menselijk brein?

Ik ben het meest geïnteresseerd in intellectueel veeleisende taken (bijvoorbeeld schaakwedstrijden, een puzzel oplossen, een moeilijk examen afleggen) versus taken met een vergelijkbare houding maar minder veeleisend (bijvoorbeeld een krant lezen, tv kijken).

Ik heb gehoord dat het energieverbruik opmerkelijk constant blijft, ongeacht de mentale activiteit (en het energieverbruik kan worden verklaard door een verhoogde hartslag als gevolg van stress). Het lijkt echter in tegenspraak met technieken zoals fMRI, waarbij de verandering in het metabolisme wordt gemeten (tenzij de relatieve verandering echt klein is).


Het energieverbruik varieert niet zo veel tussen rusten en uitvoeren van taken, zoals besproken in een review door Marcus Raichle en Mark A. Mintun:

Bij de gemiddelde volwassen mens vertegenwoordigen de hersenen ongeveer 2% van het totale lichaamsgewicht, maar ongeveer 20% van de verbruikte energie (Clark & ​​Sokoloff 1999), 10 keer zoveel als voorspeld door het gewicht alleen. In verhouding tot deze hoge snelheid van doorgaand of "basaal" metabolisme (meestal gemeten terwijl je rustig wakker ligt met gesloten ogen), is de hoeveelheid die wordt besteed aan taak-opgeroepen regionale beeldvormingssignalen opmerkelijk klein.

De regionale toename van de absolute bloedstroom geassocieerd met beeldvormingssignalen zoals gemeten met PET is zelden meer dan 5% -10% van de rustbloedstroom van de hersenen. Dit zijn bescheiden modulaties in aanhoudende activiteit van de bloedsomloop die zelden invloed hebben op de algehele snelheid van hersenbloedstroom tijdens zelfs de meest opwindende perceptuele en krachtige motorische activiteit (Fox et al. 1987, Friston et al. 1990, Lennox 1931, Madsen et al. 1995, Roland et al. 1987, Sokoloff et al. 1955).

[… ]

Op basis van kennis van deze relaties kan men schatten dat als de bloedstroom en het glucosegebruik met 10% toenemen, maar het zuurstofverbruik niet, het lokale energieverbruik als gevolg van een typische taakgerelateerde respons slechts 1% kan zijn. Het wordt dan duidelijk dat de hersenen continu een aanzienlijke hoeveelheid energie verbruiken, zelfs bij afwezigheid van een bepaalde taak (d.w.z. wanneer een persoon wakker en in rust is).

Technieken als fMRI meten relatief kleine verschillen, hun bestaan ​​is niet in tegenspraak met de bewering dat het energieverbruik van de hersenen niet veel verandert tussen de rusttoestand en het uitvoeren van een activiteit.


1. Raichle ME, Mintun MA. HERSENWERK EN HERSENBEELDVORMING. Jaaroverzicht van Neurowetenschappen 2006 juli;29(1):449-476.


Ik antwoordde op de feiten van deze vraag al op sceptici.SE, hier en hier. U moet beide documenten zeer aandachtig lezen, ik heb de belangrijkste feiten benadrukt, maar dit is een zeer lastige vraag, in het bijzonder. als het gaat om het definiëren van wat mentale activiteit is. De kranten geven ook een uitleg over hoe het fMRI-signaal is gekoppeld aan NEURONALE activiteit, voor zover ik me herinner is er geen sterke directe link.

U neemt in uw vraag aan dat een wiskundige die een differentiaalvergelijking oplost, meer mentale activiteit nodig heeft dan een kind dat een boek leest. Is dit legitiem? Het lijkt intuïtief maar ook erg subjectief. In de krant vermelden ze dat we voor het hoogste en laagste energieverbruik het bewustzijn verliezen. Ik zal hier geen conclusies uit trekken. Je hebt het echter over bewuste mentale activiteiten, dus dit kan je vraag beantwoorden. Voor mij betekent het meer dat het begrip van het menselijk brein in de neurobiologie op het niveau staat van het Rutherford Atomic Model in Physics aan het begin van de 20e eeuw. We hebben niet echt een idee hoe informatie wordt verwerkt en hoe het wordt beperkt door fysieke wetten en principes van entropie en energie. Door de 2 papers te lezen lijkt het er meer op dat het menselijk brein het energieverbruik niet verhoogt zoals een computer zou doen (de computeranalogie faalt vrijwel in vergelijking met het menselijk brein). De meeste energie wordt gebruikt voor onbewuste processen in de "standby-modus".

Net als in de natuurkunde zijn extreme gevallen zoals geleerden en verstandelijk gehandicapten waarschijnlijk het beste uitgangspunt om mogelijke modellen van het menselijk brein en fysieke randvoorwaarden uit te sluiten, aangezien we de vragen van het menselijk brein niet op een reductionistische manier kunnen benaderen. Hoe kunnen geleerden als Kim Peek zulke enorme hoeveelheden informatie verwerken EN opslaan. Hij kan de pagina's van boeken maar één keer scannen en kent ze daarna uit het hoofd. Zijn brein verbruikt echter niet meer energie dan een gemiddeld menselijk brein. Dus mentale activiteit is waarschijnlijk geen erg goede term, hoeveelheid, of zelfs niet echt geschikt om wetenschappelijk te worden gebruikt. Betekent neuronale activiteit mentale activiteit (in de zin van uw definitie?) Als u de kranten leest, is het probleem de scheiding van mentale en neuronale activiteiten. Eerst moet je weten wat de basale hersenfuncties en -processen zijn die de meeste energie verbruiken. Het brein is echter niet modulair gebouwd zoals een computer (de meeste energie wordt hier gebruikt voor het constant verversen van RAM). Er is dus niet echt een objectieve manier om dit modulaire energieverbruik te analyseren en te scheiden, als het al modulair is.

Naar mijn mening zijn de meeste modellen over informatieverwerking in het menselijk brein intuïtief gissen (alweer Rutherford). We hebben veel meer gedetailleerde experimenten en gegevens nodig (Blue Brain Project). fMRi is als het analyseren van een atoom met een vergrootglas. Ook is de meer welvarende benadering vanuit een biofysisch perspectief waarschijnlijk niet het niveau van "mentale activiteit", maar de harde hoeveelheid informatie die door menselijke hersenen wordt verwerkt en het daaraan gekoppelde energieverbruik (Kim Peek). Maar daarom hebben we een model nodig van hoe deze informatie wordt opgeslagen in het menselijk brein. Slaan normale mensen dezelfde informatie op als Kim Peek die een pagina scant of kunnen we het ons gewoon niet bewust herinneren? Hoeveel energie verbruikt u bij het oplossen van een differentiaalvergelijking bij het oproepen van feiten en is die ervaring niet vergelijkbaar met het lezen van een boek? Hoeveel is mentale logische taken en is er echt een verschil?

Ik stop hier, ik hoop dat je enig inzicht hebt gekregen dat de vraag natuurlijk belangrijk is, maar te vroeg om definitief te worden beantwoord. Ik denk dat we veel meer zullen leren van projecten als Blue Brain dan van fMRI-experimenten.


Dit antwoord sluit nauw aan bij de klassieke mythe

We gebruiken slechts 10% van onze hersenkracht

Zoals met veel gemeenplaatsen zit er een kern van waarheid in. Grote delen van de hersenen zijn gespecialiseerd voor taken zoals de visuele en motorische cortex. Van andere gebieden is bekend dat ze verantwoordelijk zijn voor ruimtelijk geheugen (hippocampus) en emotioneel leren (amygdala). Functies van een hogere orde, zoals jij beschrijft, worden klassiek toegewezen aan de prefrontale cortex, maar dat betekent weinig.

Omdat er een zekere mate van functionele specificiteit in de hersenen is, kijken de fMRI-onderzoeken die u noemt over het algemeen naar veel plaatsen in de hersenen (bijna) gelijktijdig. Vervolgens vergelijken ze relatieve activering in verschillende gebieden onder verschillende omstandigheden, en zijn slim in het kaderen van hun experimenten om te bepalen welke gebieden worden geassocieerd met welke reacties.

De meest gebruikelijke methode voor het meten van activiteit is via de BOLD-respons, die de zuurstoftoestand van hemoglobine meet als een maatstaf voor de hoeveelheid bloed die het gebied instroomt, in de veronderstelling dat daar een hoge metabolische vraag is. Voor de doeleinden van deze discussie is dit redelijk nuttig, aangezien de levering van glucose een redelijke maatstaf zou moeten zijn voor de metabolische vraag, zelfs als het beperkingen heeft als het gaat om het voorspellen van neurale activiteit.

Dus welke gebieden zijn metabolisch actiever tijdens een cognitieve activiteit? In dit onderzoek testen ze precies dat. Hun basisbevinding is dat schaken de mentale activiteit in bepaalde delen van de hersenen verhoogt, met name de pariëtale en occipitale lobben in echte spelomstandigheden, en dat de activering relatief bilteraal was tussen de linker- en rechterhersenhelft. Ik heb er even doorheen gekeken, maar het lijkt erop dat de auteurs verrast waren dat de activering minder prefrontaal en meer visueel-ruimtelijk was.

Ik geloof dat dit de logische conclusie ondersteunt: denken kost energie. Maar je hersenen worden voor veel dingen gebruikt, dus de verandering in activering kan het best in relatieve zin worden begrepen. Tv kijken kost ook energie, bij voorkeur in de visuele cortex. Net als het spelen van ultimate frisbee, in de motorische cortex.

Referenties:

  1. Logothetis, Nikos K., 2008. Wat we wel en niet kunnen doen met fMRI, Nature 453, 869-878
  2. Atherton M, Zhuang J, Bart WM, Hu X, He S, 2003. Een functionele MRI-studie van cognitie op hoog niveau. I. Het schaakspel, Cognitive Brain Research 16.

Het idee grijpt terug op Aristoteles' opvatting van actus en potentia. "Energie" wordt hier gebruikt in de letterlijke betekenis van "activiteit" of "werking". Henry More, in zijn 1642 Psychodia platonica of een platonisch lied van de ziel, definieerde een "energie van de ziel" als "elk fantasma van de ziel". Julian Sorell Huxley definieert "mentale energie" als "de drijvende krachten van de psyche, zowel emotioneel als intellectueel" (Over leven in een revolutie xv.192, 1944).

In 1874 werd het concept van "psychodynamica" voorgesteld met de publicatie van Lezingen over fysiologie door de Duitse fysioloog Ernst Wilhelm von Brücke die, in overleg met de natuurkundige Hermann von Helmholtz, een van de opstellers van de eerste wet van de thermodynamica (behoud van energie), veronderstelde dat alle levende organismen energiesystemen zijn die ook door dit principe worden beheerst. Gedurende dit jaar, aan de Universiteit van Wenen, was Brücke supervisor voor eerstejaars geneeskundestudent Sigmund Freud die deze nieuwe "dynamische" fysiologie adopteerde. In zijn Lezingen over fysiologie, zette Brücke de toen radicale opvatting uiteen dat het levende organisme een dynamisch systeem is waarop de wetten van scheikunde en natuurkunde van toepassing zijn. [1]

In Het ego en de id, betoogde Freud dat het id de bron was van de verlangens van de persoonlijkheid, en dus van de psychische energie die de geest aandreef. [2] Freud definieerde libido als de instinctenergie of kracht. Freud voegde later de doodsdrift (ook in de id) toe als een tweede bron van mentale energie. De oorsprong van Freuds basismodel, gebaseerd op de fundamenten van scheikunde en natuurkunde, komt volgens John Bowlby voort uit Brücke, Meynert, Breuer, Helmholtz en Herbart. [3]

In 1928 publiceerde Carl Jung een baanbrekend essay getiteld "On Psychic Energy". Wat volgens Jung over energie ging, werd voor het eerst ontdekt door de Russische filosoof Nikolaus von Grot. [4] Later werd de theorie van de psychodynamica en het begrip 'psychische energie' verder ontwikkeld door onder meer Alfred Adler en Melanie Klein.

Een leerling van Freud, genaamd Wilhelm Reich, kwam met een theorie die was geconstrueerd uit de wortel van Freuds libido, van psychische energie die hij Orgone-energie noemde. Dit was zeer controversieel en Reich werd al snel afgewezen en verbannen uit de Weense Psychoanalytische Vereniging.

Psychologische energie en kracht vormen de basis van een poging om een ​​wetenschappelijke theorie te formuleren volgens welke psychologische verschijnselen onderworpen zouden zijn aan precieze wetten, vergelijkbaar met hoe fysieke objecten onderworpen zijn aan de wetten van Newton. Dit concept van psychologische energie staat los van en verschilt van (of zelfs tegengesteld aan) het mystieke oosterse concept van spirituele energie.

De Myers–Briggs Type Indicator verdeelt mensen in 16 categorieën op basis van het feit of bepaalde activiteiten hen een energiek of leeg gevoel geven.

Mentale energie is herhaaldelijk vergeleken met of in verband gebracht met de fysieke hoeveelheid energie.

Studies van de jaren 1990 tot 2000 (en eerder) hebben aangetoond dat mentale inspanning kan worden gemeten in termen van een verhoogd metabolisme in de hersenen. [5] De moderne neurowetenschappelijke opvatting is dat het hersenmetabolisme, gemeten door functionele magnetische resonantiebeeldvorming of positronemissietomografie, een fysiek correlaat is van mentale activiteit.


Waarom je hersenen water nodig hebben

Op de meeste ochtenden is een van de eerste stops tijdens mijn wakker worden de keukenkast, waar ik mijn kopjes en andere drinkbekers bewaar. Zelfs als ik niet bijzonder dorstig ben, ben ik als student van de hersenen overtuigd van de waarde van voldoende water drinken. Van alle trucs die ik heb geleerd om mijn geest scherp te houden, van voldoende slaap tot kruiswoordpuzzels, is gehydrateerd blijven misschien wel degene die ik het meest volg, deels omdat het zo gemakkelijk is om iets te drinken als ik dorst heb. Dit is een gemak om dankbaar voor te zijn.

Onze hersenen zijn afhankelijk van een goede hydratatie om optimaal te kunnen functioneren. Hersencellen hebben een delicaat evenwicht nodig tussen water en verschillende elementen om te functioneren, en als je te veel water verliest, wordt dat evenwicht verstoord. Je hersencellen verliezen efficiëntie.

Jarenlang onderzoek heeft uitgewezen dat wanneer we uitgedroogd zijn, we meer moeite hebben om onze aandacht gefocust te houden. Uitdroging kan de kortetermijngeheugenfunctie en het terugroepen van het langetermijngeheugen aantasten. Het vermogen om hoofdrekenen uit te voeren, zoals het berekenen of je al dan niet te laat op je werk zult zijn als je nog eens 15 minuten op snooze drukt, wordt aangetast wanneer je vocht laag is.

In de loop van een typische periode van vierentwintig uur, is de langste periode van de meesten van ons zonder vochtinname de zes tot acht uur die we doorbrengen met slapen. Slapen is niet het soort activiteit waar je over zweet, maar dat betekent niet dat je 's nachts geen water verliest. Met elke slaperige ademhaling verdrijf je vocht en het cumulatieve effect van een nachtrust is om uit te drogen.

Het is om deze reden dat ik gewoonlijk een drankje drink kort nadat ik wakker ben geworden. Als je net als ik wordt herinnerd aan de negatieve effecten van uitdroging, is je volgende gedachte om naar de waterkoeler te gaan.

Als we ons verstand over ons willen hebben, moeten we vocht opnemen. Stel je voor, als je nadenkt over hoe belangrijk water is voor je eigen dagelijks functioneren, hoe het leven eruit zou zien als je toegang tot water beperkt was. Misschien drink je meestal flessenwater. Stel je voor dat het niet bestond. Je zou uiteindelijk dorstig genoeg worden om uit de kraan te drinken. Het is er altijd, tot uw beschikking. Maar stel dat de dichtstbijzijnde kraan 5 mijl verderop was. Dat is niet zo'n lange afstand, behalve dat je geen auto hebt. En het is heet buiten, zoals 101 F. Nu, hoe gemotiveerd ben je om die lange weg in de zon te lopen? Wat als je een dorstig kind hebt?

Als water belangrijk voor je is, niet omdat je uitgedroogd bent, maar gewoon omdat je optimaal wilt functioneren, stel je dan voor hoeveel meer mensen moeten verduren om aan de minimale dagelijkse behoefte aan water te komen. Leven in de ontwikkelde wereld is als het drinken van een nepenthe: je vergeet gemakkelijk dat anderen veel minder geluk hebben. Terwijl je dorst wordt gelest, hebben bijna een miljard mensen op de planeet geen toegang tot schoon drinkwater. Elke week sterven 38.000 kinderen onder de 5 jaar omdat ze geen schoon water hebben. Afrikaanse vrouwen lopen elk jaar meer dan 40 miljard uur om waterreservoirs te dragen die tot 18 kilogram wegen om water te verzamelen, dat meestal nog steeds niet veilig is om te drinken.

Dus als je vandaag genoeg water hebt gehad om je hersenen draaiende te houden, kun je misschien iets doen waardoor je hart ook overloopt. Geef het geschenk van water aan degenen die het niet hebben, maar het hard nodig hebben. Overweeg om een ​​donatie te doen aan een goed doel: water op http://www.charitywater.org/. Zelfs $ 5 helpt.

15 oktober is het Blog Action Day, en dit jaar is het onderwerp water. Je kunt het gesprek hier volgen.

Heeft u een idee over dit probleem? Wat zijn naast het doneren aan een goed doel de beste stappen die we kunnen nemen om water te krijgen voor degenen die het nodig hebben? Zijn er veranderingen die we kunnen aanbrengen in ons dagelijks leven?

Klik op de onderstaande link en steun de inspanningen van de VN om miljoenen schoon, veilig water te krijgen.

Bezprozvanny, Ilya en Mark P. Mattson. "Neuronale calciummishandeling en de pathogenese van de ziekte van Alzheimer." Trends in neurowetenschappen 31,9 (2008): 454-463.

Ganio, Matthew S., et al. "Milde uitdroging schaadt de cognitieve prestaties en het humeur van mannen." British Journal of Nutrition 106.10 (2011): 1535-1543.

Adana, Ana. "Cognitieve prestaties en uitdroging." Tijdschrift van het American College of Nutrition 31.2 (2012): 71-78.

Tweedle, Charles D. en Glenn I. Hatton. "Ultrastructurele vergelijkingen van neuronen van supraoptische en circulaire kernen bij normale en gedehydrateerde ratten." Hersenonderzoek bulletin 1.1 (1976): 103-121.

Madeira, M.D., A.R. Lieberman, en M.M. Paula-Barbosa. "Effecten van chronische alcoholconsumptie en van uitdroging op de supraoptische kern van volwassen mannelijke en vrouwelijke ratten." Neurowetenschap 56,3 (1993): 657-672.


Waarom hebben de hersenen zoveel kracht nodig?

Het is algemeen bekend dat de hersenen meer energie verbruiken dan enig ander menselijk orgaan, goed voor wel 20 procent van de totale hoeveelheid van het lichaam. Tot nu toe geloofden de meeste wetenschappers dat het het grootste deel van die energie gebruikte om elektrische impulsen te voeden die neuronen gebruiken om met elkaar te communiceren. Dat blijkt echter maar een deel van het verhaal te zijn.

Een nieuwe studie in Proceedings van de National Academy of Sciences USA geeft aan dat tweederde van het energiebudget van de hersenen wordt gebruikt om neuronen of zenuwcellen te helpen "vuren" of signalen te verzenden. Het resterende derde deel wordt echter gebruikt voor wat co-auteur Wei Chen, een radioloog aan de University of Minnesota Medical School, 'huishouding' of onderhoud van de celgezondheid noemt.

Onderzoekers kwamen tot hun conclusies na beeldvorming van de hersenen met magnetische resonantiespectroscopie (MRS) om de energieproductie te meten tijdens activiteitsverschuivingen. Chen zegt dat de technologie, die al drie decennia bestaat en wordt gebruikt om de producten van het metabolisme in verschillende weefsels te volgen, op een dag nuttig kan zijn bij het opsporen van hersendefecten of om tumoren of voorlopers van neurodegeneratieve ziekten (zoals Alzheimer en Parkinson) te diagnosticeren. vroeg.

Chen en zijn collega's gebruikten MRS specifiek om de snelheid van adenosinetrifosfaat (ATP) -productie, de primaire bron van cellulaire energie, in rattenhersenen te volgen. MRS maakt gebruik van een magnetische resonantie beeldvorming (MRI) machine die is geprogrammeerd om bepaalde elementen in het lichaam op te pikken, in dit geval de drie fosforatomen in elk ATP-molecuul. Hun doel: bepalen of ATP-productie verband houdt met hersenactiviteit door de energie te meten die wordt verbruikt tijdens verschillende bewustzijnsniveaus.

En ja hoor, ATP-niveaus leken te variëren met hersenactiviteit. Het team merkte op dat toen de laboratoriumratten werden uitgeschakeld, ze 50 procent minder ATP-moleculen produceerden dan wanneer ze licht verdoofd waren. gevonden in de meer alerte dieren voedden andere hersenfuncties. Hij speculeert dat slechts een derde van de ATP die in volledig wakkere hersenen wordt geproduceerd, wordt gebruikt voor huishoudelijke taken, en de rest voor andere activiteiten overlaat.

"Huishoudkracht is belangrijk om het hersenweefsel in leven te houden", zegt Chen, "en voor de vele biologische processen in de hersenen", naast neuronale chats. Geladen natrium-, calcium- en kaliumatomen (of ionen) worden continu door de membranen van cellen geleid, zodat neuronen kunnen opladen om te vuren. ATP levert de energie die nodig is voor deze ionen om celmembranen te doorkruisen. Chen zegt dat er voldoende energie moet zijn om een ​​goede ionische balans binnen en buiten de cellen te behouden. Als er te veel binnenin vast komen te zitten, kan dit zwelling veroorzaken, wat cellen kan beschadigen en tot beroertes en andere aandoeningen kan leiden.

Hij zegt dat het team sindsdien MRS heeft gebruikt om de energiebehoefte van de hersenen van een kat te bestuderen, waarvan ze zeiden dat ze ook sprongen toen de kat visueel werd gestimuleerd. Volgende: mensen, waarvan Chen zegt dat onderzoekers "zeer binnenkort" hopen te bestuderen


Welk percentage van onze hersenen gebruiken we?

De hersenen zijn het meest complexe orgaan in het menselijk lichaam. Velen geloven dat een persoon ooit slechts 10 procent van zijn hersenen gebruikt. Zit hier enige waarheid in?

Het brein van een persoon bepaalt hoe hij de wereld om hem heen ervaart. De hersenen wegen ongeveer 3 pond en bevatten ongeveer 100 miljard neuronen - cellen die informatie dragen.

In dit artikel onderzoeken we hoeveel van de hersenen een persoon gebruikt. We ontkrachten ook enkele wijdverbreide mythen en onthullen enkele interessante feiten over de hersenen.

Delen op Pinterest Studies hebben de mythe ontkracht dat mensen slechts 10 procent van hun hersenen gebruiken.

Volgens een onderzoek uit 2013 gelooft ongeveer 65 procent van de Amerikanen dat we slechts 10 procent van onze hersenen gebruiken.

Maar dit is slechts een mythe, volgens een interview met neuroloog Barry Gordon in... Wetenschappelijke Amerikaan. Hij legde uit dat het grootste deel van de hersenen bijna altijd actief is.

De mythe van 10 procent werd ook ontkracht in een studie gepubliceerd in Grenzen in de menselijke neurowetenschappen.

Een veelgebruikte hersenbeeldvormingstechniek, functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) genaamd, kan de activiteit in de hersenen meten terwijl een persoon verschillende taken uitvoert.

Met behulp van deze en soortgelijke methoden laten onderzoekers zien dat het grootste deel van onze hersenen het grootste deel van de tijd in gebruik is, zelfs wanneer iemand een heel eenvoudige handeling uitvoert.

Veel van de hersenen zijn zelfs actief wanneer een persoon rust of slaapt.

Het percentage van de hersenen dat op een bepaald moment in gebruik is, verschilt van persoon tot persoon. Het hangt ook af van wat iemand doet of denkt.

Het is niet duidelijk hoe deze mythe begon, maar er zijn verschillende mogelijke bronnen.

In een artikel gepubliceerd in een 1907 editie van het tijdschrift Wetenschap, psycholoog en auteur William James betoogde dat mensen slechts een deel van hun mentale hulpbronnen gebruiken. Een percentage noemde hij echter niet.

Er werd naar de figuur verwezen in het boek van Dale Carnegie uit 1936 Hoe vrienden te maken en mensen te beinvloeden. De mythe werd beschreven als iets wat de universiteitsprofessor van de auteur altijd zei.

Er is ook een geloof onder wetenschappers dat neuronen ongeveer 10 procent van de hersencellen uitmaken. Dit heeft mogelijk bijgedragen aan de mythe van 10 procent.

De mythe is herhaald in artikelen, tv-programma's en films, wat helpt te verklaren waarom het zo algemeen wordt aangenomen.

Net als elk ander orgaan worden de hersenen beïnvloed door iemands levensstijl, dieet en de hoeveelheid die ze uitoefenen.

Om de gezondheid en functie van de hersenen te verbeteren, kan een persoon de volgende dingen doen.

Eet een gebalanceerd dieet

Goed eten verbetert de algehele gezondheid en het welzijn. Het vermindert ook het risico op het ontwikkelen van gezondheidsproblemen die kunnen leiden tot dementie, waaronder:

De volgende voedingsmiddelen bevorderen de gezondheid van de hersenen:

  • Groenten en fruit met donkere schil. Sommige zijn rijk aan vitamine E, zoals spinazie, broccoli en bosbessen. Anderen zijn rijk aan bètacaroteen, waaronder rode pepers en zoete aardappelen. Vitamine E en bètacaroteen bevorderen de gezondheid van de hersenen.
  • Vettige vis. Deze soorten vis, zoals zalm, makreel en tonijn, zijn rijk aan omega-3-vetzuren, die de cognitieve functie kunnen ondersteunen.
  • Walnoten en pecannoten. Ze zijn rijk aan antioxidanten, die de gezondheid van de hersenen bevorderen.

Er is een selectie van walnoten en pecannoten beschikbaar voor aankoop online.

Oefen regelmatig

Regelmatige lichaamsbeweging vermindert ook het risico op gezondheidsproblemen die kunnen leiden tot dementie.

Cardiovasculaire activiteiten, zoals 30 minuten stevig wandelen per dag, kunnen voldoende zijn om het risico op achteruitgang van de hersenfunctie te verminderen.

Andere toegankelijke en goedkope opties zijn onder meer:

Houd de hersenen actief

Hoe meer een persoon zijn hersenen gebruikt, hoe beter zijn mentale functies worden. Om deze reden zijn hersentrainingsoefeningen een goede manier om de algehele gezondheid van de hersenen te behouden.

Een recent onderzoek van meer dan 10 jaar wees uit dat mensen die hersentrainingsoefeningen gebruikten, het risico op dementie met 29 procent verminderden.

De meest effectieve training was gericht op het vergroten van de snelheid van de hersenen en het vermogen om complexe informatie snel te verwerken.

Er zijn een aantal andere populaire mythes over de hersenen. Deze worden hieronder besproken en verwijderd.

Linkshersenhelft versus rechtshersenhelft

Velen geloven dat een persoon ofwel een linkerhersenhelft of een rechterhersenhelft heeft, waarbij mensen met de rechterhersenhelft creatiever zijn en mensen met de linkerhersenhelft logischer.

Onderzoek suggereert echter dat dit een mythe is - mensen worden niet gedomineerd door de ene of de andere hersenhelft. Een gezond persoon gebruikt constant beide hersenhelften.

Het is waar dat de hemisferen verschillende taken hebben. Bijvoorbeeld een studie in PLOS Biologie bespraken de mate waarin de linkerhersenhelft betrokken is bij de verwerking van taal en de rechter bij de verwerking van emoties.

Alcohol en de hersenen

Langdurig alcoholisme kan leiden tot een aantal gezondheidsproblemen, waaronder hersenbeschadiging.

Het is echter niet zo simpel als zeggen dat het drinken van alcohol hersencellen doodt - dit is een mythe. De redenen hiervoor zijn ingewikkeld.

Als een vrouw tijdens de zwangerschap te veel alcohol drinkt, kan dit de hersenontwikkeling van de foetus beïnvloeden en zelfs het foetaal alcoholsyndroom veroorzaken.

De hersenen van baby's met deze aandoening zijn mogelijk kleiner en bevatten vaak minder hersencellen. Dit kan leiden tot problemen met leren en gedrag.

Subliminale boodschappen

Onderzoek suggereert dat subliminale berichten een emotionele reactie kunnen uitlokken bij mensen die zich er niet van bewust zijn dat ze emotionele prikkels hebben ontvangen. Maar kunnen subliminale boodschappen iemand helpen nieuwe dingen te leren?

Een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie ontdekte dat het horen van opnames van woordenschat tijdens het slapen iemands vermogen om de woorden te onthouden zou kunnen verbeteren. Dit was alleen het geval bij mensen die de woordenschat al hadden bestudeerd.

Onderzoekers merkten op dat het horen van informatie tijdens de slaap iemand niet kan helpen nieuwe dingen te leren. Het kan het herinneren van eerder geleerde informatie alleen maar verbeteren terwijl u wakker bent.

Hersenrimpels

Het menselijk brein is bedekt met plooien, algemeen bekend als rimpels. De dip in elke vouw wordt de sulcus genoemd en het verhoogde deel wordt de gyrus genoemd.

Sommige mensen geloven dat er elke keer dat iemand iets leert, een nieuwe rimpel wordt gevormd. Dit is niet het geval.

De hersenen beginnen rimpels te ontwikkelen voordat een persoon wordt geboren, en dit proces gaat door tijdens de kindertijd.

De hersenen maken voortdurend nieuwe verbindingen en verbreken oude verbindingen, zelfs op volwassen leeftijd.


Zijn ketonen goed voor de gezondheid en functie van de hersenen?

Sommige deskundigen zijn van mening dat het gebruik van een combinatie van ketonen en glucose uniek gunstig kan zijn voor de hersenen, vooral bij mensen met neurologische en psychische stoornissen. 11 Onderzoek suggereert dat deze combinatie in bepaalde situaties heel gunstig kan zijn.

Laten we eens kijken naar enkele van deze omstandigheden:

  • Epilepsie: Hoewel ze meestal niet volledig vrij zijn van koolhydraten, beperken de klassieke ketogene en gemodificeerde Atkins-diëten koolhydraten tot minder dan 20 gram per dag. Goed opgezette onderzoeken hebben aangetoond dat dit niveau van koolhydraatbeperking zeer effectief kan zijn bij het verminderen en in sommige gevallen elimineren van aanvallen bij kinderen en volwassenen. 12
  • Geestelijke gezondheidsproblemen: Hoewel het onderzoek voorlopig is, hebben anekdotisch bewijs, fundamentele neurochemische studies en een paar veelbelovende klinische onderzoeken gesuggereerd dat een ketogeen dieet de symptoomcontrole voor sommige psychische aandoeningen kan verbeteren.


Hoe hangt het energieverbruik van de hersenen af ​​van mentale activiteit? - Biologie

Een geïntegreerd mobiel perspectief

Pierre J. Magistretti, Luc Pellerin en Jean-Luc Martin

De ontwikkeling van een vervilte omhulling van neuroglia-vezels in de grondsubstantie die de bloedvaten van de hersenen direct omgeeft, lijkt daarom. . . om de vrije doorgang mogelijk te maken van lymfe en stofwisselingsproducten die in de vloeistof en het algemene metabolisme van de zenuwcellen terechtkomen.

Glucose is het verplichte energiesubstraat voor de hersenen en het wordt bijna volledig geoxideerd tot CO 2 en H 2 O. Deze eenvoudige verklaring vat, op enkele uitzonderingen na, meer dan vier decennia van zorgvuldige studies van het hersenenergiemetabolisme op orgaan- en regionaal niveau samen, uitgebreid herzien elders (bijv. 10, 60, 61). Om de focus van dit boek weer te geven, en om recente waarnemingen op te nemen die in verschillende laboratoria zijn gedaan, waaronder die van ons, bieden we in dit hoofdstuk een sleutel voor het herinterpreteren van het hersenenergiemetabolisme vanuit een cellulair perspectief. Deze sleutel is voornamelijk afhankelijk van de cytologische relaties en chemische interacties tussen de verschillende celtypen van de hersenen. De opvatting die uit deze cellulaire en moleculaire analyse naar voren komt, is een celspecifieke opeenvolging van processen die uiteindelijk leidt tot de bijna volledige oxidatie door de hersenen van bloedglucose, wat in overeenstemming is met de inleidende verklaring. Het voorgestelde model is gebaseerd op reeds beschikbare gegevens, het kan verder experimenteel worden getest en het geeft een verklaring voor enkele recente onverwachte gegevens die zijn verkregen door positronemissietomografie (PET) en functionele magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) bij mensen (14, 40, 49). ).

ENERGIE METABOLISME OP ORGAAN NIVEAU

Hoewel de hersenen slechts 2% van het lichaamsgewicht vertegenwoordigen, ontvangen ze 15% van het hartminuutvolume, 20% van het totale lichaamszuurstofverbruik en 25% van het totale lichaamsglucosegebruik. Met een globale bloedstroom van 57 ml/100 g·min halen de hersenen ongeveer 50% zuurstof en 10% glucose uit het arteriële bloed. Daarom is het glucosegebruik van de hersenen, zoals bepaald door het arteriële-veneuze verschil (22) te meten, 31 mmol/100 g & middotmin. Het zuurstofverbruik is 160 mmol/100 g & middotmin omdat de CO 2 -productie bijna identiek is, het ademhalingsquotiënt (RQ) van de hersenen bijna 1 is, wat aangeeft dat koolhydraten de substraten zijn voor het oxidatieve metabolisme (60). Gegeven een theoretische stoichiometrie van 6 mmol zuurstof verbruikt voor elke mmol glucose, zou het glucoseverbruik door de hersenen in theorie 26,6 mmol/100 g·min moeten zijn. Zoals eerder aangegeven, is het gemeten glucoseverbruik 31 mmol/100 g·min, wat aangeeft dat een overmaat van 4,4 mmol/100 g·min glucose een ander metabolisch lot volgt. Glucose kan metabolische tussenproducten produceren, zoals lactaat en pyruvaat, die niet noodzakelijkerwijs in de tricarbonzuurcyclus terechtkomen, maar eerder kunnen worden vrijgegeven en verwijderd door de bloedsomloop. Glucose kan worden opgenomen in lipiden, eiwitten en glycogeen, en het is ook de voorloper van bepaalde neurotransmitters zoals g-aminoboterzuur (GABA), glutamaat en acetylcholine (10, 60).

Er zijn talloze onderzoeken uitgevoerd om moleculen te identificeren die glucose zouden kunnen vervangen als een alternatief substraat voor het energiemetabolisme van de hersenen. Van de enorme reeks geteste moleculen is mannose de enige die een normale hersenfunctie kan behouden in afwezigheid van glucose (59). Mannose passeert de bloed-hersenbarrière en wordt in twee enzymatische stappen omgezet in fructose-6-fosfaat, een fysiologisch tussenproduct van de glycolytische route. Mannose is echter normaal niet aanwezig in het bloed en kan daarom niet worden beschouwd als een fysiologisch substraat voor het energiemetabolisme van de hersenen. Lactaat en pyruvaat kunnen in vitro synaptische activiteit ondersteunen (36, 55). Vanwege hun beperkte permeabiliteit door de bloed-hersenbarrière, kunnen ze plasmaglucose niet vervangen om de hersenfunctie te behouden (43). Als ze echter in het hersenparenchym worden gevormd, zijn ze nuttige metabole substraten voor neurale cellen (66). Onder bepaalde omstandigheden, zoals verhongering, diabetes of bij pasgeborenen die borstvoeding krijgen, nemen de plasmaspiegels van de ketonlichamen acetoacetaat en D-3-hydroxybutyraat aanzienlijk toe (41). Onder deze omstandigheden kunnen acetoacetaat en D-3-hydroxybutyraat door de hersenen worden gebruikt als metabolische substraten (41).

As a corollary to these studies, steady-state arterial venous (A V) differences provide indirect evidence that a substance can be either used as a substrate by the brain (a positive A V difference) or produced by the brain (a negative A V difference) from a particular substrate such as glucose. Thus, in ketotic states, positive A V differences have been measured for acetoacetate and D-3-hydroxybutyrate, indicating net utilization under these particular conditions. Net release of lactate and pyruvate (a negative A V difference) is occasionally measured in normal individuals and more frequently in aged subjects or during convulsions (21).

ENERGY METABOLISM AT THE REGIONAL LEVEL

Whole-organ studies, which allowed the determination of the substrate requirements for the brain, failed to provide the appropriate level of resolution to appreciate two major features of brain energy metabolism: (a) its regional heterogeneity and (b) its tight relationship with the functional activation of specific pathways. The autoradiographic 2-deoxyglucose method (2-DG) developed by Sokoloff and colleagues afforded a sensitive means to measure local rates of glucose utilization (LCMRglu) with a spatial resolution of approximately 50 to 100 m m (61). The method is based on the fact that tracer amounts of radioactive 2-DG are taken up by glucose transporters and phosphorylated by hexokinase with kinetics that are similar to those for glucose however, unlike glucose-6-phosphate, 2-deoxyglucose-6-phosphate cannot be metabolized further and therefore accumulates intracellularly, thus providing, after appropriate corrections (61), an accurate measurement of the amount of glucose utilized. For a detailed description of the method, the reader is referred to the original articles by Sokoloff and colleagues (60, 61). Using this method, LCRMglu have been determined in virtually all structurally and functionally defined brain structures in various physiological and pathological states including sleep, seizures, and dehydration, and following a variety of pharmacological treatments (10). Furthermore, the increase in glucose utilization following activation of pathways subserving specific modalities, such as visual, auditory, olfactory, or somatosensory stimulations, as well as during motor activity, has been revealed in the pertinent brain structures (10).

Basal glucose utilization of the grey matter as determined by the 2-DG technique varies, depending on the brain structure, between 50 and 150 m mol/100 g wet weight·min in the rat (61). If a protein content of 10% of wet weight is assumed, a value of 5 to 15 nmol/mg protein·min is obtained. These values are approximately 50% lower in the primate brain (10). Physiological activation of specific pathways results in a 1.5 to 3-fold increase in lCMRglc as determined by the 2-DG technique (38).

With the advent of PET and the use of positron-emitting isotopes such as 18 F, local glucose utilization has been studied in humans with 2-( 18 F)fluoro-2-deoxyglucose (52) (see Methodological Issues in the Neuropathology of Mental Illness). Similarly, local oxygen consumption and changes in blood flow can be studied in humans by PET using 15 O 2 and H 215 O (15, 53). Earlier studies had already demonstrated changes in local cerebral blood flow during activation of relevant brain regions by specific modalities (27).

In summary, changes in local brain energy metabolism can now be studied in humans with PET by monitoring alterations in glucose utilization, oxygen consumption, and blood flow during activation of specific areas. As we discuss below, recent studies in which these three parameters have been analyzed during activation of a given modality have yielded unexpected results, which suggest provocative hypotheses. Thus, an uncoupling between glucose uptake and oxygen consumption was observed during activation, since the increase in blood flow and in glucose utilization in the activated cortical area was not matched by an equivalent increase in oxygen consumption (13, 14). This observation raises the puzzling possibility that, at least during the early stages of activation, the increased energy demand is met by glycolysis rather than by oxidative phosphorylation.

Glycolysis and Oxidative Phosphorylation

Glycolysis (Embden-Meyerhof pathway) is the metabolism of glucose to pyruvate and lactate ( Fig. 1 ). It results in the net production of only 2 mol of adenosine triphosphate (ATP)/mol of glucose as well as in the regeneration of reducing equivalents (the oxidized form of nicotinamide-adenine dinucleotide, NAD + ) through the conversion of pyruvate into lactate. Alternatively, pyruvate can enter the tricarboxylic acid (TCA) cycle (or the Krebs cycle) and produce 30 mol of ATP/mol of glucose via the mitochondrial oxidative phosphorylation cascade ( Fig. 2 ). The energetic value of oxidative phosphorylation over glycolysis is thus obvious. The only positive A V differences consistently observed in the human brain are those of glucose and oxygen (except for ketotic states), and the respiratory quotient of the brain is virtually 1 therefore, the question of whether glycolysis or oxidative phosphorylation play a significant role in brain energy metabolism seems superfluous. As noted earlier, at most an excess of 5 m mol/100 g·min (i.e., 20% of total utilized glucose) is not oxidized completely to CO 2 and H 2 O, and only a portion of it will yield pyruvate and lactate. Therefore, based on these whole-organ studies (i.e., A V differences), at best less than 20% of glucose may eventually be utilized glycolytically. However, an array of recent data, obtained from studies both in vitro and in vivo raise the provocative question of a key role of glycolysis in brain energy metabolism. Consistent with the PET studies indicating an uncoupling between glucose uptake and oxygen consumption during activation (13, 14), rises in lactate have been monitored by 1 H MRI spectroscopy in the primary visual cortex of humans following appropriate photic stimulation (49, 54). Lactate levels are increased in the rat somatosensory cortex following forepaw stimulation (68). When lactate was measured in vivo by microdialysis in freely moving rats, similar increases in hippocampus and striatum following somatosensory stimulation were demonstrated (11). Interestingly, the rate of lactate clearance from the extracellular space was markedly slowed in the presence of tetrodotoxin, a specific blocker of the neuronal voltage-sensitive sodium channels responsible for the generation of action potentials (11). This latter observation implies that during activation, lactate may normally be taken up by neurons as an energy fuel. It should be remembered that, after conversion to pyruvate, lactate can enter the TCA cycle with the potential to generate a total of 36 mol of ATP/mol of glucose ( Fig. 2 ).

These in vivo data reveal a previously unrecognized prevalence of glycolysis over oxidative phosphorylation during activation. In fact, estimates of enzyme capacities indicate that glucose oxidation is already nearly maximal under basal conditions, implying that the activation-induced increases in energy demands are to be met primarily by glycolysis (69). One of the possible roles for activation-induced glycolysis may be to provide ATP to fuel energy-dependent ion transport, in particular the Na + /K + -ATPase, which represents the main energy-consuming process in neural cells (58). In fact, for the activity of the Na + /K + -ATPase, a preferential role of ATP derived from glycolysis has been recognized in various tissues (44, 50), including the brain (29). Other energy-consuming processes in the nervous system appear to preferentially use glycolytically derived ATP (51).

In summary, the analysis of brain energy metabolism at the regional level, afforded by the autoradiographic 2-DG method and by the development of PET-based analyses of glucose utilization, oxygen consumption, and blood flow, have clearly established a relationship between functional activity ("brain work") and energy metabolism. The PET and MRI studies in humans (13, 14, 40, 49, 54) have also revealed a previously unexpected role of glycolysis during activation of discrete and functionally defined areas, in the face of indisputable evidence from whole-brain steady-state A V differences indicating that glucose is almost entirely oxidized to CO 2 and H 2 O. How can these apparently opposite results be reconciled? As we discuss below, in vitro analyses of brain energy metabolism at the cellular level, and in particular of the flux of metabolic substrates between neurons and astrocytes, provide clues that may be useful in resolving this controversy.

ENERGY METABOLISM AT THE CELLULAR LEVEL

Most of the information on energy metabolism at the cellular level has been obtained from cellularly homogeneous, purified preparations enriched in astrocytes, neurons, or vascular endothelial cells. Currently, most studies are conducted in primary cultures prepared from neonatal or embryonic rodent brain tissue. A cautionary note is always necessary when attempting to extrapolate results obtained in vitro to in vivo situations. It is, however, generally accepted that important insights may be gained from these cellularly homogeneous preparations.

Brain energy metabolism is often considered to reflect predominantly, if not exclusively, neuronal energy metabolism. However, it is now clear that other cell types, namely neuroglia and vascular endothelial cells not only consume energy but also can play an active role in the flux of energy substrates to neurons. First, there is a quantitative consideration although it is arduous to provide a definitive ratio between neurons and nonneuronal cells given the variability in figures obtained in various species, brain areas, and developmental ages using methods that are not easily comparable, it is clear that neurons contribute at most 50% of cerebral cortical volume (23). In addition there is clear evidence indicating that the astrocyte-to-neuron ratio increases with increasing brain size (67) this is an important consideration when approaching the study of the cellular bases of brain energy metabolism in humans. It is therefore clear that glucose reaching the brain parenchyma through the circulation should provide energy substrates to a variety of cell types, only a portion of which are neurons.

Astrocytes as the Site of Glucose Uptake Following Neuronal Activation

Some structural relationships between astrocytes and other elements of nervous tissue are of particular relevance in this discussion of brain energy metabolism at the cellular level. Astrocyte processes are wrapped around synaptic contacts, whereas particular astrocytic profiles, the end-feet, surround intraparenchymal capillaries, and provide a cellular zone interposed between the bloodstream and other elements of the brain parenchyma (46) ( Fig. 3 ). This latter structural feature has long been suggested as evidence indicating a role of astrocytes in the transit of substances from blood to other brain cells (1) ( Fig. 4 ). A review of the physiological functions of astrocytes, which are only beginning to be elucidated, is beyond the scope of this article however, their relationship to the structural features outlined above provides a background to the discussion of metabolic fluxes between cell types of the brain.

Two well-established functions of astrocytes are to maintain extracellular K + homeostasis (3, 46 ) and to ensure the reuptake of neurotransmitters (17, 46). Neuronal activity results both in increases in extracellular K + concentration and, at least at excitatory synapses, in augmented glutamate levels in the synaptic cleft (for the purpose of this discussion it should be borne in mind that glutamate is the major excitatory neurotransmitter in the brain, see ref. 12). One of the proposed mechanisms for the clearance of K + from the extracellular milieu is by spatial buffering through the astrocytic syncytium (3). The potassium ion can also accumulate in astrocytes through inwardly rectifying K + conductances (3). The activity of the Na + ,K + -ATPase, which by hydrolyzing ATP to adenosine diphosphate (ADP) extrudes 3Na + against 2K + , has also been shown to contribute to K + homeostasis (24). In this latter case, maintaining K + homeostasis is an energy-consuming process. Accordingly, 2-DG uptake into primary astrocyte cultures is markedly inhibited by ouabain, an inhibitor of the Na + ,K + -ATPase (5).

On the other hand, recent results in our laboratory have indicated that glutamate also increases 2-DG uptake in cultured astrocytes ( Table 1 ), with an EC 50 of approximately 100 m M. This effect is blocked by the specific glutamate uptake inhibitor THA and by ouabain. This latter finding indicates that glutamate uptake into astrocytes, which occurs through a cotransport with Na + , results in the activation of Na + ,K + -ATPase, probably by an increase in the intracellular concentration of Na + (24). In fact, there appears to exist in astrocytes a large reserve of Na + ,K + -ATPase activity, which can be stimulated by Na + entry (24), resulting in a two- to threefold increase in 2-DG uptake (71). In the present context, it is important to note that the main mechanism that links energy metabolism and functional activity as determined by 2-DG uptake is represented by the activation of the Na + ,K + -ATPase (35).

In vitro observations indicate (a) that astrocytes utilize glucose (5, 48) at a basal rate of 5 to 10 nmol/mg·min (5, 71, 72), a rate similar to that determined in whole-animal studies with the 2-DG autoradiographic method (61) (b) that two physiological functions of astrocytes linked to increased synaptic activity, that is, K + and glutamate clearance from the extracellular space, markedly stimulate in a ouabain-sensitive manner 2-DG uptake and finally (c) that the activation of Na + ,K + -ATPase represents the coupling mechanism between the increase in glucose utilization and functional activity of the nervous tissue, raise the possibility that glucose utilization, as determined by PET in humans and by autoradiography in laboratory animals, reflects primarily the uptake of glucose by astrocytes rather than by neurons.

These considerations, based on in vitro studies and on the actual cytological relationships between astrocytic and neuronal processes, are in fact substantiated by results obtained in animal or human studies with the 2-DG method. It is now well established that the increases in 2-DG uptake linked to functional activation occur in the neuropil, that is, in regions that are enriched in axon terminals, dendrites and synapses ensheathed by astrocytic processes and not where neuronal perikarya are located (18). For example, when the sciatic nerve of anesthetized rats is stimulated, a frequency-dependent increase in 2-DG uptake occurs in the dorsal horn of the spinal cord (where afferent axon terminals make synaptic contacts with second order neurons) but not in the dorsal root ganglion, where the cell body of the sensory neurons is localized (18). As another example, increases in glucose utilization in the well-laminated monkey primary visual cortex elicited by appropriate visual stimuli are most pronounced in layer IV, which is poor in perikarya but in which the terminals of axons projecting from the lateral geniculate engage in synaptic contacts (20). In addition, activation studies of specific functional pathways using PET determination of cerebral blood flow indicate that the increases in energy demands occur in the projection areas, that is, where axon terminals are found (73).

The resolution of the 2-DG autoradiographic method does not allow us to determine whether the increase in 2-DG uptake occurs in axon terminals, dendrites, or the astrocytes that surround these elements. However, the observations on glucose utilization as determined by the 2-DG autoradiographic method, taken together with the fact that a rate of 2-DG uptake very similar to that observed in vivo can be demonstrated in pure astrocyte preparations is strongly suggestive of the fact that a large proportion of the glucose uptake that occurs during activation of modality-specific circuits is localized in astrocytes rather than in neurons. Other in vitro observations support this view. Reports have indicated that the rate of glucose uptake in cultured neurons is lower than in astrocytes (16, 30). In addition, glucose as the sole energy substrate cannot support neuronal survival in vitro (39, 56) other substrates such as pyruvate, glutamine, and lactate are needed (36, 39, 56).

To summarize, in vivo and in vitro data indicate that glucose utilization occurs at synaptic sites, not at neuronal perikarya, and that astrocytes are the likely cells where glucose uptake occurs during activation.

Metabolic Trafficking between Astrocytes and Neurons

If glucose is taken up predominantly by astrocytes and if glucose alone cannot support the survival of neurons in vitro, then energy substrates other than glucose must be released by astrocytes. As indicated earlier, lactate and pyruvate are adequate substrates for brain tissue in vitro (36, 55, 66). In fact, synaptic activity can be maintained in cerebral cortical slices with only lactate or pyruvate as a substrate (36, 55). Thus a metabolic compartmentation whereby glucose taken up by astrocytes is metabolized glycolytically to lactate or pyruvate ( Fig. 5 ), which are then released in the extracellular space to be utilized by neurons, is consistent with the available biochemical and electrophysiological observations. In particular, in vitro studies indicate that quantitatively lactate is the main metabolic intermediate released by astrocytes at a rate of 15 to 30 nmol/mg of protein·min (9, 70). This rate of release correlates well with the rate of glucose uptake by the grey matter (61) or by astrocytes in culture (71, 72), which is between 5 and 15 nmol/mg of protein·min. Other, quantitatively less important intermediates released by astrocytes are pyruvate (approximately 10 times less than lactate), a -ketoglutarate, citrate, and malate (56, 57, 62). Furthermore, fluxes of endogenous lactate between astrocytes and neurons have been quantified in vitro (26), and an avid lactate uptake has been demonstrated in neurons (8, 26). In addition, cytological evidence also supports this view. First, immunohistochemical data on the localization of the glucose transporter (GT) protein and of the pyruvate dehydrogenase (PDH) complex indicate that GT is primarily localized at the neuropil, that is, where axon terminals, dendrites, and the astrocytic processes that ensheath them are localized, whereas PDH [the enzyme that catalyzes the entry of pyruvate in dynamic equilibrium with lactate through the action of lactate dehydrogenase ( Fig. 1 ) in the TCA cycle] is localized predominantly in the neuronal perikaryon (2, 37). In the adult rat cerebellum, an analogous differential distribution of key enzymes of energy metabolism exists (19). Thus, although Purkinje cells contain a high PDH activity, Bergman glia surrounding them is enriched in hexokinase, implying a high glucose phosphorylating activity (19).

The functional cytology of astrocytes provides a second set of arguments to support the existence of such metabolic compartmentation and trafficking. Astrocytes derive their name from the numerous processes that emerge from their cell-body conferring on them a star-shaped morphology. In addition, astrocytes are connected between them through gap junctions, thus giving rise to what is called the astrocytic syncytium (46). A critical role has been shown for such an astrocytic syncytium in the spatial buffering of K + (3), whereby potassium ions flow through the syncytium from sites of high K + extracellular concentration (Ke) brought about by increased neuronal activity, to sites where Ke is lower, thus maintaining Ke within the physiological range. The astrocytic syncytium appears to be equally suited to maintain energy metabolism homeostasis. Thus, specialized astrocytic processes, the end-feet surround intraparenchymal microvessels, which are the source of glucose whereas other astrocytic processes surround the synapses, where the energy-consuming uptake of glutamate, and to a lesser extent of K + , coupled to synaptic activity occurs. Release of lactate and pyruvate is likely to occur at yet other sites, that is, at astrocytic processes that surround neuronal perikarya, where PDH, the enzyme complex for which pyruvate (or lactate through the action of LDH) is a substrate, is preferentially localized (2, 37) ( Fig. 6 ).

These observations on the metabolic trafficking between astrocytes and neurons as well as on the cellular compartmentalization of enzymes that regulate glucose uptake and glycolysis versus oxidative phosphorylation support the fact that glucose, taken up by astrocytic processes is metabolized glycolytically to lactate and pyruvate, which are then released as substrates for oxidative phosphorylation in neurons ( Fig. 5 ).

REGULATION OF ENERGY METABOLISM BY NEUROTRANSMITTERS: A CELLULAR PERSPECTIVE

Local energy metabolism, in particular blood flow, has been viewed until recently as being regulated by products that accumulate following neuronal activity, such as adenosine and K + , as well by changes in extracellular pH and pCO 2 (25, 45). This mechanistic view of events implies a post-hoc regulation of energy metabolism, that is, adenosine, K + , pCO 2 , and pH are the coupling factors between neuronal activity and blood flow (25, 45). One of the lines of research of our laboratory during the last 10 years has been aimed at testing the hypothesis that energy metabolism may be controlled by specific neurotransmitter systems that function in parallel with, or possibly even in anticipation of, those that act by releasing fast-acting neurotransmitters, such as glutamate and GABA, and convey rapid, point-to-point information within the brain. Experimental evidence indicates that the neuronal systems that contain norepinephrine (NE) and vasoactive intestinal peptide (VIP) may play such a homeostatic function within the cerebral cortex.

Regulation of Glycogen Metabolism in Astrocytes by Norepinephrine and Vasoactive Intestinal Peptide

Within the brain, glycogen is primarily stored in astrocytes, although ependymal and choroid plexus cells, as well as certain large neurons in the brainstem contain the polysaccharide (see ref. 34 for review). Glycogen levels in brain are low compared to liver and muscle however, the glycogen turnover rate is very rapid its synthesis and breakdown are regulated by the two key enzymes glycogen phosphorylase and synthase (34). Glycogen levels are tightly coupled to synaptic activity as illustrated by the fact that during anesthesia they rise sharply (47) furthermore, reactive astrocytes, which develop in areas in which neuronal activity is decreased or absent as a consequence of injury, contain high amounts of glycogen (34 and the refs. therein). Approximately a decade ago, we showed that VIP, a then recently discovered peptide contained in a homogeneous population of bipolar, radially oriented neurons (33), could promote a cyclic adenosine monophosphate (cAMP) dependent glycogenolysis in mouse cerebral cortical slices (31). In view of the morphology and arborization pattern of VIP-containing neurons ( Fig.7 ), we proposed that these cells could regulate the availability of energy substrates locally, within cortical columns (31, 33). A similar effect had been previously described for NE, serotonin, and histamine (34). The noradrenergic system is organized according to principles strikingly different from those of VIP neurons: The cell bodies of NE-containing neurons are localized in the locus coeruleus in the brainstem from which axons project to various brain areas including the cerebral cortex. Here, they enter the rostral end and progress caudally with a predominantly horizontal trajectory, across a vast rostrocaudal expanse of cortex (33). Given these morphological features, we suggested that, in contrast to VIP-containing intracortical neurons, the noradrenergic system could regulate energy homeostasis globally, spanning across functionally distinct cortical areas (31, 33) ( Fig.7 ).

The glycogenolytic effect of VIP and NE is exerted in astrocytes, as indicated by studies in primary astrocyte cultures (32, 63) as well as by the fact that glycogen is primarily localized in this cell type (46). Thus VIP and NE promote a concentration- and time-dependent glycogenolysis in astrocytes, with EC 50 of 3 and 20 nM, respectively (32, 63). The effect of NE is mediated by both b and a 1 receptors. The initial rate of glycogenolysis is between 5 and 10 nmol/mg protein·min (63), a value that is remarkably close to glucose utilization of the grey matter as determined by the 2-DG autoradiographic method (61). This correlation indicates that the glycosyl units mobilized in response to the two glycogenolytic neurotransmitters can provide quantitatively adequate substrates for the energy demands of the brain parenchyma.

Another action of NE on energy metabolism is the marked stimulation of 2-DG uptake in primary astrocyte cultures (72). This action is functionally coordinated with glycogenolysis, because the same extracellular signal (NE) results in an increased availability of glycosyl units for ATP production in astrocytes. In contrast to NE, VIP does not influence glucose uptake by astrocytes (72).

Glycogenolysis and Neuronal Activity

Glycogenolysis, revealed by a newly developed autoradiography technique for glycogen, has also been demonstrated in vivo following physiological activation of a modality-specific pathway (64). Thus, repeated stimulation of the vibrissae resulted in a marked decrease in the density of glycogen-associated autoradiographic grains in the somatosensory cortex of rats (barrel field) as well as in the relevant thalamic nuclei (64). These observations indicate that the physiological activation of specific neuronal circuits results in the mobilization of glial glycogen stores.

As noted earlier, systemic administration of general anesthetics increases brain glycogen levels (47). Interestingly however, they do not increase the glycogen content of cultures exclusively containing astrocytes (65) this observation indicates that the in vivo action of general anesthetics on astrocytic glycogen is due to the inhibition of neuronal activity, further stressing the existence of a tight coupling between neuronal activity and astrocytic glycogen.

In view of the foregoing, it appears that astrocytic glycogen represents a metabolic buffer under the dynamic control of neuronal activity, which can be mobilized in the early stages of activation. Evidence supporting such a role of astrocytic glycogen has been provided by the hippocampal slice preparation. Electrical stimulation of the slice resulted in an immediate and marked increase in NADH fluorescence, an index for the activation of glycolysis (28). This increase in NADH fluorescence was observed in a well-oxygenated medium containing adequate supplies of glucose and occurred at the onset of synaptic activity. However, the signal disappeared when the glycogen content of the slices was depleted by dibutyryl cAMP (28). This observation further suggests that an activation of glycogenolysis occurs at the onset of synaptic activity.

What is the metabolic fate of the glycosyl units mobilized from glycogen? As noted earlier, lactate is the main metabolic intermediate released by astrocytes (9, 70). No glucose is released from astrocyte cultures, even when glucose is absent from the medium (9), consistent with the view that brain glucose-6-phosphatase activity is very low or not measurable (61). Blockade of oxidative phosphorylation by azide or cyanide doubles the release of lactate by astrocytes (9) indicating that part of the glycosyl units mobilized from glycogen are oxidized by astrocytes rather than being exported as lactate.

Homeostatic Functions of NE and VIP

The foregoing observations support the notion that energy metabolism at the cellular level is regulated by specific neurotransmitter systems, such as those containing VIP and NE. These neurotransmitter systems could be viewed as the CNS counterparts of the autonomic nervous system that maintains cellular homeostasis in peripheral tissues. At this stage, it appears that astrocytes are the preferred targets for the homeostatic functions exerted by VIP and NE. However, immunohistochemical and more recently ultrastructural evidence provides strong support for the existence of interactions between various neurotransmitter systems, including those containing VIP, NE, serotonin, and acetylcholine, with endothelial cells of intraparenchymal microvessels in the rodent cerebral cortex (7, 10). In further support of the existence of interactions between certain neurotransmitter systems and vascular endothelial cells, specific recognition sites for a variety of neurotransmitters including VIP, NE, serotonin, and acetylcholine, have been demonstrated in various preparations of intraparenchymal microvessels (42). In addition, most of these recognition sites represent functional receptors, because they are coupled to conventional signal transduction pathways (42).

There is little doubt that in the coming years the interactions between neurotransmitters and nonneuronal cells of the brain will provide new insights into brain functions and open fertile areas for pharmacological developments.

The preceding sections of this chapter have attempted to provide an overview of brain energy metabolism at the organ, regional, and cellular levels. The claim is not to have been exhaustive, rather the challenge has been to try to provide an integrated perspective for well-accepted experimental evidence spanning from in vivo studies to cellular and molecular analyses. As a means to provide a synthesis of the features that we consider salient and conceptually novel, we should look at the fate of a molecule of glucose from blood to neurons ( Fig. 5 ).

Glucose is avidly taken up by astrocytes in vitro, at a rate that is similar to brain glucose utilization as determined with the 2-DG autoradiographic method. In vivo, the activation-induced increase in glucose uptake is visualized in the neuropil, that is, where synapses ensheathed by astrocytes are present, and not at the level of the neuronal perikarya. Furthermore, astrocyte end-feet surround intraparenchymal blood vessels. From this and other evidence previously reviewed, it can be inferred that most of the activation-induced glucose uptake in the brain parenchyma, notably as visualized by the PET ( 18 F)2-DG technique, occurs in astrocytes. In vivo as well as in vitro studies indicate that the physiological stimulation of a given brain region triggers a rapid activation of glycogenolysis (proven to be exclusively astrocytic) and glycolysis, which in turn result in the release of lactate.

Lactate, which has the potential of providing 36 ATP molecules through oxidative phosphorylation can be taken up and oxidized by neurons (actually 1 mol of lactate yields 18 mol of ATP however, since 1 mol of glucose provides 2 mol of lactate, the overall ATP flux from glucose-derived lactate is 36 mol). Supporting this view is the fact, among other evidence, that synaptic activity in vitro can be maintained when lactate is the only metabolic substrate present. The bookkeeping of energy metabolism provided by the A V differences showing complete oxidation of glucose is consistent with this view: Glucose enters the brain from the arterial side and is predominantly taken up by astrocytes, which then transform it to lactate. Lactate exchange occurs with neurons, which oxidize it to CO 2 and H 2 O drained by the venous blood. The increase in lactate levels measured in vivo by 1 H MRI spectroscopy or by microdialysis as well as the uncoupling between oxygen consumption and glucose uptake revealed by PET at the early stages of activation, can be interpreted in light of the proposed cellular compartmentation of lactate fluxes between astrocytes and neurons. Thus, because phosphofructokinase (PFK) activity is one of the rate-limiting steps for glycolysis ( Fig. 1 ), activation-induced glycolysis implies a disinhibition of PFK and an increase in the levels of the metabolic intermediates that are downstream to it, notably lactate. A delay in the entry of lactate in the TCA cycle is likely to occur, because it takes place in another cell type (neurons), resulting in a temporary overflow of lactate linked to an absence of increase in oxygen consumption (uncoupling).

Several questions remain open to further investigation. To list a few: What are the molecular mechanisms of the coupling between neuronal activation and astrocytic glycolysis? Because ATP inhibits PFK activity, a decrease in the energy charge of astrocytes following activation is a likely possibility. What is the relative role of other metabolic substrates (such as citrate, a -ketoglutarate, or malate) that have been shown to be shuttled from astrocytes to neurons? Glycolysis and oxidative phosphorylation are not strictly compartmentalized between astrocytes and neurons, respectively. Clearly, some glucose oxidation occurs in astrocytes, and moderate release of lactate can be demonstrated from cultured neurons mechanisms that regulate the relative activity of these two metabolic pathways in neurons and astrocytes are likely to exist and still need to be elucidated. The flux of metabolic substrates within the astrocytic syncytium provides yet another level of regulation to be studied ( Fig.6 ).

One can hope that, in addition to offering an accurate view of physiological brain energy metabolism, further elucidation of the cell-specific molecular mechanisms of energy metabolism regulation will provide useful clues to probe, with cellular and molecular specificity, the physiopathological processes that underlie the expression of certain neurological and psychiatric disorders.

Research in the laboratory of PJM is supported by a grant from Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique (31-26427.89). The authors are grateful to Ms. M. Emch for expert secretarial help.

P. J. Magistretti, L. Pellerin, and J.-L. Martin: Institut de Physiologie, Faculté de Médecine, Université de Lausanne, CH 1005 Lausanne, Switzerland


Introduction to the Brain

Introduce the topic of your talk. Indicate that you will explain how the brain basically works and how drugs such as cocaine, opioids and marijuana interact with the brain's normal activities. Tell students that you will introduce the concept of "reward" which is the property that is characteristic of many addictive drugs. Describe the brain as a functional unit it is made up of billions of nerve cells (neurons) that communicate with each other using electrical and chemical signals.

Brain regions and neuronal pathways

Certain parts of the brain govern specific functions. Point to sensory, motor, association and visual cortex to highlight specific functions. Point to the hippocampus to highlight the region that is critical for memory, for example. Indicate that nerve cells or neurons travel from one area to another via pathways to send and integrate information. Show, for example, the reward pathway. Start at the ventral tegmental area (VTA) (in blue), follow the neuronal path to the nucleus accumbens (purple), and then on to the frontal cortex. Explain that this pathway gets activated when a person receives positive reinforcement for certain behaviors ("reward"). Indicate that you will explain how this happens when a person takes an addictive drug.

Remind the student that pathways are made up of neurons. Describe the anatomy of a neuron (soma, dendrites, and axon are marked with text). State that this neuron is real - as viewed through a microscope. Explain the normal direction of impulse flow. Dendrites and soma receive chemical information from neighboring neuronal axons. The chemical information is converted to electrical currents which travel toward and converge on the soma. A major impulse is produced (the action potential) and travels down the axon toward the terminal. Point to the terminal.

The synapse and synaptic neurotransmission

Describe the synapse and the process of chemical neurotransmission. Indicate how vesicles containing a neurotransmitter, such as dopamine (the stars), move toward the presynaptic membrane as an electrical impulse arrives at the terminal. Describe the process of dopamine release (show how the vesicles fuse with the presynaptic membrane). Once inside the synaptic cleft, the dopamine can bind to specific proteins called dopamine receptors (in blue) on the membrane of a neighboring neuron. Introduce the idea that occupation of receptors by neurotransmitters causes various actions in the cell activation or inhibition of enzymes, entry or exit of certain ions. State that you will describe how this happens in a few moments.

Using the close-up of a synapse, continue using dopamine for your example of synaptic function. Explain that it is synthesized in the nerve terminal and packaged in vesicles. Reiterate the steps in neurotransmission. Show how the vesicle fuses with the membrane and releases dopamine. The dopamine molecules can then bind to a dopamine receptor (in blue). After the dopamine binds, it comes off the receptor and is removed from the synaptic cleft by uptake pumps (also proteins) (in red) that reside on the terminal. This process is important so that not too much dopamine is left in the synaptic cleft at any one time. Also point out that there is a neighboring neuron, which releases another compound called a neuromodulator. In this case it is an "endorphin" (blue flying saucers). Endorphins bind to opioid receptors (in green) which reside on the post-synaptic cell or in some cases on the terminals of other neurons (this is not shown so it must be pointed out). The endorphins are destroyed by enzymes rather than removed by uptake pumps.

Dopamine and the production of cyclic AMP

Using the close-up view, explain what happens when dopamine binds to its receptor. When dopamine binds to its receptor, another protein called a G-protein (in pink) moves up close to the dopamine receptor. The G-protein signals an enzyme to produce cyclic adenosine monophosphate (cAMP) molecules (in green) inside the cell. [Sometimes the signal can decrease production of cAMP, depending on the kind of dopamine receptor and G-protein present.] Point to the dopamine receptor-G-protein/adenylate cyclase complex, and show how cAMP is generated when dopamine binds to its receptor. Indicate that cAMP (point to the cyclic-looking structures) controls many important functions in the cell including the ability of the cell to generate electrical impulses.

Summary of neuronal transmission

Use the example of two neurons making contact to summarize neuronal transmission. Point to the cell on the top and indicate that electrical impulses flow in the direction toward the terminal. Remind the students what happens when impulses reach the terminal neurotransmitters are released, they bind to their receptors, and new impulses are generated in the cell on the bottom. Explain that this is how information travels from neuron to neuron.


Hormones and Anxiety

Hormone balances may affect anxiety as well. Many different hormones have an effect on brain chemistry and neurotransmitter production and balance, so if these hormones appear to be out of balance, anxiety may be the result.

Some examples of hormones affecting the brain include:

  • Adrenaline/Epinephrine Adrenaline is one of the most common causes of anxiety symptoms. Your body releases it when your fight or flight system is active, and it causes the increase in heart rate, muscle tension, and more. In some cases, long term stress and anxiety may damage your ability to control adrenaline, leading to further anxiety symptoms.
  • Thyroid Hormone Thyroid hormone appears to regulate the amount of serotonin, norepinephrine, and Gamma-aminobutyric acid (GABA) produced and distributed to the brain, so problems with your thyroid may also increase your risk for developing anxiety.

Several hormones may cause anxiety, and a change in brain chemistry may increase the production of hormones that lead to further anxiety symptoms.


How Your Brain Works

Every animal you can think of -- mammals, birds, reptiles, fish, amphibians -- has a brain. But the human brain is unique. Although it's not the largest, it gives us the power to speak, imagine and problem solve. It is truly an amazing organ.

The brain performs an incredible number of tasks including the following:

  • It controls body temperature, blood pressure, heart rate and breathing.
  • It accepts a flood of information about the world around you from your various senses (seeing, hearing, smelling, tasting and touching).
  • It handles your physical movement when walking, talking, standing or sitting.
  • It lets you think, dream, reason and experience emotions.

All of these tasks are coordinated, controlled and regulated by an organ that is about the size of a small head of cauliflower.

Your brain, spinal cord and peripheral nerves make up a complex, integrated information-processing and control system known as your centraal zenuwstelsel. In tandem, they regulate all the conscious and unconscious facets of your life. The scientific study of the brain and nervous system is called neuroscience of neurobiology. Because the field of neuroscience is so vast -- and the brain and nervous system are so complex -- this article will start with the basics and give you an overview of this complicated organ.

We'll examine the structures of the brain and how each section controls our daily functions, including motor control, visual processing, auditory processing, sensation, learning, memory and emotions.


Psychofarmacologie

Pádraig Wright , Michael F. O'Neill , in Core Psychiatry (Third Edition) , 2012

The mesocorticolimbic system

Dopaminergic neurons project from the ventral tegmental nucleus to the limbic, septal and frontocortical areas. The psychopharmacology of the mesocorticolimbic system may be summarized as follows:

Drugs of abuse such as alcohol, cocaine and amphetamine release DA at the nucleus accumbens. It is therefore believed that this system is involved with reward and pleasure.

All effective antipsychotic (AP) drugs are D2 receptorantagonisten. It is therefore believed that excess mesocorticolimbic dopaminergic function may underpin schizophrenia, especially its positive symptoms.

Frontal D1 receptors appear to play an important role in normal cognitive function, and deficient mesocorticolimbic dopaminergic function in the prefrontal and cingulate cortex has been implicated in the negative symptoms of schizophrenia.

Mesocorticolimbic dopaminergic dysfunction has been implicated in mood disorders, particularly depression (prefrontal cortex/cingulate gyrus, nucleus accumbens), and in psychomotor retardation (dorsolateral prefrontal cortex, caudate nucleus).


Bekijk de video: Andrejs Ērglis pārliecināts, ka latvieši neizmirs (Januari- 2022).