Сколько энергии нужно, чтобы думать?

Исследования нейронного метаболизма раскрывают усилия нашего мозга по поддержанию нашей жизни и эволюционные ограничения, сформировавшие наш самый сложный орган. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Вы только что вернулись домой после изнурительного дня. Всё, чего вам хочется, — это закинуть ноги на подушки и отвлечься на то, что показывают по телевизору. Хотя бездействие может показаться заслуженным отдыхом, ваш мозг не просто отдыхает. На самом деле, согласно недавним исследованиям, он потребляет почти столько же энергии, сколько и во время стресса.

Шарна Джамадар, нейробиолог из Университета Монаша в Австралии, и её коллеги проанализировали исследования, проведённые в её лаборатории и других лабораториях по всему миру, чтобы оценить метаболическую стоимость когнитивных процессов, то есть количество энергии, необходимое для работы человеческого мозга. Удивительно, но они пришли к выводу, что интенсивные, целенаправленные задачи потребляют всего на 5% больше энергии, чем расслабленная мозговая активность. Другими словами, при целенаправленном мышлении мы используем мозг лишь на малую долю больше, чем когда двигатель работает на холостом ходу.

Часто кажется, что мы распределяем свою умственную энергию посредством напряженного внимания и сосредоточенности. Но новое исследование основывается на растущем понимании того, что большая часть функций мозга уходит на поддержание работоспособности. Хотя многие нейробиологи традиционно фокусировались на активном, внешнем познании, таком как внимание, решение задач, рабочая память и принятие решений, становится ясно, что под поверхностью наша фоновая обработка информации представляет собой скрытый улей активности. Наш мозг регулирует ключевые физиологические системы организма, распределяя ресурсы туда, где они необходимы, в то время как мы осознанно и подсознательно реагируем на требования постоянно меняющейся окружающей среды.

«Существует мнение, что мозг предназначен для мышления», — сказал Джордан Терио, нейробиолог из Северо-Восточного университета, не участвовавший в новом исследовании. «С точки зрения метаболизма, [функция мозга] в основном направлена на управление телом, регуляцию и координацию работы органов, управление этой дорогостоящей системой, к которой он подключен, и навигацию в сложной внешней среде».

Мозг — это не просто когнитивная машина, а объект, созданный эволюцией, и, следовательно, ограниченный ограниченным энергетическим бюджетом биологической системы. Таким образом, мышление может вызывать у вас усталость не потому, что у вас нет энергии, а потому, что вы эволюционировали, чтобы экономить ресурсы. Это исследование нейронного метаболизма, в сочетании с исследованиями динамики электрической активности мозга, указывает на конкурирующие эволюционные силы, объясняющие ограничения, масштаб и эффективность наших когнитивных способностей.

Стоимость предиктивной системы

Человеческий мозг невероятно затратен на функционирование. Составляя примерно 2% от массы тела, этот орган потребляет 20% энергетических ресурсов организма. «Это чрезвычайно требовательный метаболический процесс», — сказал Джамадар. У младенцев этот показатель приближается к 50%.

Энергия мозга поступает в форме молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которую клетки производят из глюкозы и кислорода. Огромное количество тонких капилляров — примерно 640 километров сосудистой сети — пронизывает мозговую ткань, доставляя кровь, богатую глюкозой и кислородом, к нейронам и другим клеткам мозга. Синтезированный внутри клеток, АТФ обеспечивает связь между нейронами, что обеспечивает функции мозга. Нейроны передают электрические сигналы к своим синапсам, которые позволяют клеткам обмениваться молекулярными сообщениями; сила сигнала определяет, будут ли они выделять молекулы (или «активироваться»). Если это так, этот молекулярный сигнал определяет, передаст ли сообщение следующий нейрон, и так далее. Известно, что поддержание так называемых мембранных потенциалов — стабильных напряжений на мембране нейрона, которые гарантируют, что клетка готова к активации при необходимости, — составляет не менее половины общего энергетического бюджета мозга.

Измерение уровня АТФ непосредственно в мозге человека — весьма инвазивный процесс. Поэтому для своей статьи лаборатория Джамадара проанализировала исследования, включая собственные результаты, в которых использовались другие методы оценки энергопотребления — потребление глюкозы, измеряемое с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), и кровоток, измеряемый с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), — чтобы отследить различия в том, как мозг использует энергию во время активных задач и в состоянии покоя. По словам Джамадара, при одновременном проведении ПЭТ и фМРТ могут предоставить дополнительную информацию о том, как мозг потребляет глюкозу. Это не является полным методом измерения энергопотребления мозга, поскольку нервные ткани также могут преобразовывать некоторые аминокислоты в АТФ, но подавляющее большинство АТФ мозга производится в результате метаболизма глюкозы.

Анализ Джамадара показал, что мозг, выполняющий активные задачи, потребляет всего на 5% больше энергии по сравнению с мозгом в состоянии покоя. Когда мы занимаемся решением трудоёмкой, целенаправленной задачи, например, изучением расписания автобусов в незнакомом городе, частота нейронных сигналов в соответствующих областях мозга (в данном случае, в областях, отвечающих за визуальную и языковую обработку) увеличивается. Это и составляет эти дополнительные 5%; остальные 95% идут на базовую метаболическую нагрузку мозга.

Исследователи не знают точно, как распределяется эта нагрузка, но за последние несколько десятилетий они прояснили, что мозг делает в фоновом режиме. «Примерно в середине 90-х годов мы как дисциплина начали понимать, что на самом деле, когда человек лежит в состоянии покоя и не занят каким-либо конкретным заданием, происходит целый ряд событий», — сказала она. «Раньше мы считали шумом непрерывную активность в состоянии покоя, не связанную с выполняемой задачей, но теперь мы знаем, что в этом шуме содержится множество сигналов».

Большая часть этих сигналов поступает из сети пассивного режима, которая работает, когда мы отдыхаем или иным образом не совершаем видимых действий. Эта сеть участвует в ментальном опыте перехода между прошлыми, настоящими и будущими сценариями — что приготовить на ужин, воспоминание о прошлой неделе, боль в бедре. Кроме того, под айсбергом осознания наш мозг отслеживает мозаику физических переменных — температуру тела, уровень глюкозы в крови, частоту сердечных сокращений, дыхание и так далее, — которые должны оставаться стабильными, в состоянии, известном как гомеостаз, для поддержания нашей жизни. Если какая-либо из них слишком сильно отклонится, ситуация может довольно быстро ухудшиться.

Терио предполагает, что большая часть базового метаболизма мозга идёт на прогнозирование. Для достижения своих гомеостатических целей мозгу необходимо постоянно планировать дальнейшие действия, создавая сложную модель окружающей среды и того, как изменения могут повлиять на биологические системы организма. По словам Терио, прогнозирование, а не реакция, позволяет мозгу эффективно распределять ресурсы по организму.

Эволюционные ограничения мозга

Увеличение расхода энергии на 5% во время активной мыслительной деятельности может показаться не таким уж значительным, но в контексте всего организма и энергоёмкого мозга это может иметь значение. А если учесть жёсткие энергетические ограничения, с которыми сталкивались наши предки, усталость в конце тяжёлого дня внезапно обретает гораздо больше смысла.

«Причина вашей усталости, как и усталости после физической активности, заключается не в том, что у вас не хватает калорий, чтобы её компенсировать», — сказал Захид Падамси, нейробиолог из Weill Cornell Medicine-Catar, не принимавший участия в новом исследовании. «Это происходит потому, что мы эволюционировали и стали очень экономными системами… Мы эволюционировали в условиях дефицита энергии, поэтому не любим тратить её».

Современный мир, в котором калории имеются в относительном изобилии для многих людей, резко контрастирует с условиями дефицита, в которых эволюционировал Homo sapiens. Это 5%-ное увеличение скорости сжигания энергии за 20 дней постоянной, активной, целенаправленной работы может эквивалентно дневному запасу когнитивной энергии. Если еда труднодоступна, это может означать разницу между жизнью и смертью.

«Со временем это может стать существенным, если не ограничивать скорость сжигания энергии, поэтому я думаю, что это в значительной степени пережиток нашего эволюционного наследия», — сказал Падамси. На самом деле, в мозге есть встроенные системы, предотвращающие перенапряжение. «Вы активируете механизмы утомления, которые предотвращают дальнейшее сжигание энергии», — сказал он.

Чтобы лучше понять эти энергетические ограничения, в 2023 году Падамси обобщил исследования некоторых особенностей электрических сигналов, которые указывают на эволюционную тенденцию к энергоэффективности. Например, можно подумать, что чем быстрее передаётся информация, тем лучше. Однако оптимальная скорость передачи информации мозгом гораздо ниже, чем можно было бы ожидать.

Теоретически максимальная частота, при которой нейрон может сработать и передать информацию соседу, составляет 500 герц. Однако если бы нейроны действительно срабатывали с частотой 500 герц, система была бы полностью перегружена. Оптимальная скорость передачи информации — максимальная скорость, при которой нейроны всё ещё способны различать сообщения от соседей, — составляет половину этой частоты, то есть 250 герц.

Однако средняя частота импульсации наших нейронов составляет 4 герца, что в 50–60 раз меньше оптимальной для передачи информации. Более того, многие синаптические передачи не работают: даже когда в синапс поступает электрический сигнал, побуждающий его к выбросу молекул к следующему нейрону, это происходит лишь в 20% случаев.

Это потому, что мы не эволюционировали, чтобы максимизировать общий объём передаваемой информации. «Мы эволюционировали, чтобы максимизировать передачу информации за единицу затраченной АТФ», — сказал Падамси. «Это совсем другое уравнение». При передаче максимального объёма информации с минимальными затратами энергии (битов на АТФ) оптимальная частота нейронной активности составляет менее 10 герц.

В ходе эволюции большой и сложный человеческий мозг обеспечивал беспрецедентный уровень поведенческой сложности — ценой огромных энергетических затрат. Это сочетание гибкости и инновационности большого мозга с энергетическими ограничениями биологической системы определяет динамику передачи информации нашим мозгом, умственную усталость, которую мы ощущаем после периодов концентрации, и непрерывную работу, которую мозг выполняет для поддержания нашей жизнедеятельности. То, что он делает так много в рамках своих ограничений, довольно поразительно.

Источник: www.quantamagazine.org