Et århundre gammelt mysterium som foregår i hodet ditt når du leser disse ordene. Blodkar i regioner av hjernen din er utvidelse, bading celler i en økt blodgjennomstrømning.
Forskere har kjent i mer enn 100 år at disse endringene skjer når områder av hjernen blir aktivert eller når som helst celle, som en muskel som er involvert i en øvelse rutine, øker sin arbeidsmengde. De en gang antok at endringen skjer for å forsyne cellene med flere av glukose og oksygen som de trengte til drivstoff deres økt arbeidsmengde. Takket være en stor del forskere ved Washington University i St. Louis , skjønt, har den gamle forklaring falt bort.
Venstre på sin plass er et puslespill: Hvis økt blodstrøm ikke er nødvendig for å forsyne cellene med mer drivstoff, så hva er egentlig det å gi? Forskere Joseph Williamson og Mark Mintun har ikke den fulle svaret ennå, men med et par artikler publisert tidlig i år i Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), flyttet de det vitenskapelige samfunn et stort steg nærmere det.
Williamson og Mintun har funnet svaret på et nært beslektet spørsmål: Hvordan er blodstrømmen øker utløst? Studier av resultatene i PNAS knytte øker til et molekyl som har en unik og sentral beliggenhet i cellulære energiproduksjon.
Etterforskerne håper å bruke de nye innsikter å forbedre avbildning av hjernen i aksjon og for å begrense bivirkninger av diabetes, men funn er også sannsynlig å ha forgreninger at ringvirkninger ut langt utover sin forskning spesialiteter. Å vite hvordan økt blodgjennomstrømning i hjernen er aktivert kan være relevante, for eksempel for å forstå og kontrollere Alzheimers sykdom og hjerneslag.
Har Washington University forskere vært ledende i utviklingen av funksjonell avbildning av hjernen teknikker, hvorav mange overvåke endringer i hjernens blodstrøm nivåer. De første begynte å velte den gamle forklaringen på økt blodgjennomstrømning i 1988 ved å se nærmere på hva hjernens blodgjennomstrømning endringer reflektert.
"Mye til vår store overraskelse hva vi observerte var at når blodtilførselen kom opp i et aktivt område av hjernen, er mengden av oksygen som brukes ikke", sier Marcus E. Raichle, MD, professor i radiologi, nevrologi og anatomi og nevrobiologi.
Raichle og andre School of Medicine forskere bekreftet og utvidet resultatene over flere år, viser at hjernen aktivering økt blodstrøm, men produserte kun en moderat økning i sukker bruk og en svært liten økning i oksygen bruk. "Hva forble fortsatt var spørsmålet om hvordan er blodstrøm øker orkestrert og hvorfor?" Raichle minnes.
Svarene forble skremmende utilgjengelig inntil Washington University patolog Joseph R. Williamson, MD, nå pensjonert, skjedde på søk i midten av 1990-tallet. Med støtte fra St. Louis-baserte Kilo Diabetes og Vascular Research Foundation og National Institutes of Health, var Williamson studerte de skadelige effektene av diabetes, som i tillegg til å heve sukker nivåer, øker blodgjennomstrømningen og skader blodårene i nerver, hjerte, retina og nyrer. Wondering om sammenhenger kan eksistere mellom økningene i blodstrømmen brakt videre av hjernens aktivitet og som ble utløst av diabetes, fant Williamson Raichle fra 1988 studere og lese den. Da han undersøkte vitenskapelige rekord videre, anerkjent Williamson en likhet mellom jobber muskelceller og truede celler hos personer med diabetes: begge opplevde økning i forholdet mellom to former av et sammensatt i energi metabolisme, nikotinamid adenindinukleotid (NAD).
"Det slo meg at NAD er strategisk plassert - selv unikt posisjonert-å koordinere blodstrømmen med energi metabolisme", sier Williamson.
Biokjemikere som studerer cellulær energiproduksjon sette NAD i sentrum av et komplekst flytskjema linking to ulike metoder for å produsere den energien som driver de fleste celler. For disse metodene, serverer NAD som den viktigste transportør av protoner og elektroner.
De fleste NAD i kroppen er i en oksidert form forskerne refererer til som NAD +. Under en metode, glykolysen, en prosess som raskt produserer energi fra sukker, er elektroner og protoner som overføres fra sukker til NAD +, endre det til NADH (NAD + pluss et proton og to elektroner).
"Ikke bare er glykolysen dobbelt så raskt, krever det ikke oksygen," Williamson notater. "Det er veldig viktig for å overleve."
Mark A. Mintun, MD, og pensjonert patolog Joseph R. Williamson, MD, studerer blodgjennomstrømningen i hjernen hos både rotter og mennesker.
Rapid glykolysen er avhengig av en lav andel av NADH / NAD +. I aktiverte celler og i celler fare på grunn av diabetes, molekyler NADH øker, driver NADH / NAD + ratio opp. Williamson mistenkt forholdet kan være å kontrollere endringer i blodstrømmen.
Han trodde han kunne teste sin teori ved hjelp av en 50 år gammel kobling mellom NADH / NAD + ratio og forholdet mellom to andre forbindelser som er involvert i energiproduksjon, laktat og pyruvat. Denne koblingen var verktøyet han trengte for å kunne endre NADH / NAD +: injiserer laktat eller pyruvat, endre NADH / NAD + ratio, og se om blodstrøm økt eller decreased.Williamson tok hans idé å Raichle, som satte ham i kontakt med Thomas A. Woolsey, MD, professor i anatomi og nevrobiologi, cellebiologi og fysiologi, og av nevrologisk kirurgi. Woolsey hadde George H. og Ethel R. biskop Scholar i Neurosciences, utviklet en modell for å studere regioner av rotte hjernen som behandler sanseinntrykk fra værhår. Bruke modell og injeksjoner av laktat og pyruvat, var Williamson og Woolsey stand til å bevise koblingen mellom NADH / NAD + ratio og blodstrømmen øker.