Сейчас 8 часов вечера. Вы только что плюхнулись на диван после долгого дня. Может быть, вы смотрели в таблицы, вели переговоры с малышами или терпели бесконечные звонки в Zoom. Теперь, когда вы отключаетесь от мягкого мерцания экрана, кажется, что ваш мозг наконец-то оторвался от работы.

Но это не так.

Глубоко внутри черепа ваш мозг все еще сжигает энергию почти на полную мощность. Согласно новому исследованию, даже когда вы не думаете сознательно, ваш мозг гудит, как высокопроизводительный двигатель, работающий на холостом ходу, поглощая глюкозу, управляя своим телом и репетируя будущее.

И когда вы делать Крепко задумайтесь? Это сжигает всего на 5% больше энергии.

Это удивительное открытие, сделанное нейробиологом Шарной Джамадар и ее коллегами из Университета Монаша, опровергает распространенное предположение о том, что умственные усилия поглощают энергию, в то время как умственный отдых позволяет мозгу сорваться с крючка.

Даже сложные когнитивные задачи только постепенно увеличивают метаболические затраты мозга, обнаружили исследователи после анализа десятилетий исследований метаболизма мозга.

Базовая нагрузка на мозг

Человеческий мозг составляет всего 2% от массы нашего тела. Тем не менее, он сжигает 20% нашего ежедневного энергетического бюджета. Это около 0,3 киловатт-часа в день — более чем в 100 раз больше, чем потребляет ваш телефон. Эта энергия в основном используется в форме аденозинтрифосфата, или АТФ, молекулы, которая питает клетки мозга.

Куда уходит вся эта энергия?

Большая его часть питает «домашние» обязанности мозга. Нейроны должны поддерживать тонкие электрические градиенты, называемые мембранными потенциалами — разность напряжений, которая поддерживает их в состоянии возгорания. Одно только это может потреблять более половины энергетического баланса мозга.

Даже когда мы ничего не делаем, мозг делает многое. Большая часть этих текущих затрат идет на то, что ученые называют сетью по умолчанию — регионы, которые активизируются, когда вы не сосредоточены на конкретной задаче. Это цепь мечтаний, воспоминаний, саморефлексии и благотворной эмоциональной обработки.

Но еще более важной является роль мозга в управлении вашим телом. Несмотря на то, что существует мнение, что мозг предназначен исключительно для мышления, большая часть его мозговых ресурсов тратится на управление своим телом и сложными взаимоотношениями между различными органами и тканями.

Многие из нас чувствуют себя истощенными после тяжелой умственной нагрузки. Но эта усталость не возникает из-за того, что мозгу не хватает энергии. «Это не потому, что у вас нет калорий, чтобы заплатить за это», — сказал Захид Падамси, нейробиолог из Weill Cornell Medicine-Qatar Квантов . «Это потому, что мы эволюционировали, чтобы быть очень скупыми системами».

Наши предки развивались в условиях дефицита пищи, поэтому наш мозг развил в себе своего рода энергетическую бережливость. Эти дополнительные 5% прироста энергии — ровно столько, чтобы задействовать вашу зрительную кору во время просмотра расписания автобусов — невелики. Но в течение нескольких дней это накапливается. В эволюционном прошлом это могло означать разницу между выживанием и голодом.

Анализ Джамадара показал, что даже выполнение умственно сложных задач, таких как запоминание списков слов или решение логических головоломок, не вызывает резкого всплеска потребления глюкозы. Скорее, мозг смещает использование энергии на региональном уровне, показал новый метаанализ (исследование других ранее опубликованных исследований). Когда одна сеть набирает обороты, другие снижают дозу. Обращая внимание на визуальные стимулы, например, можно подавить активность в слуховой коре, что приводит к своего рода энергетическому балансу.

«Наш мозг идет на компромиссы, когда мы сосредотачиваемся на разных вещах», — отмечается в недавней статье в Разговор . Речь идет не столько о глобальном энергетическом всплеске, сколько об осторожном внутреннем перераспределении.

Предсказательный орган

Мозг — это не просто реактивный двигатель, а машина прогнозирования. Он постоянно запускает симуляции — об окружающей среде, вашем внутреннем состоянии и о том, что может произойти дальше. Такое предиктивное кодирование сводит к минимуму потребление энергии. Вместо того, чтобы реагировать на каждое новое ощущение с нуля, мозг сравнивает входные данные с внутренними моделями и обновляет информацию только в случае несоответствия.

Примечательно, что человеческий мозг делает все это на мощности всего 17 Вт — примерно на выходе тусклой лампочки. Суперкомпьютер, выполняющий аналогичные задачи, потребовал бы мегаватт энергии.

Эта эффективность имеет свою цену. Мозг отдает предпочтение экономии, а не скорости. Нейронов мочь Огонь со скоростью до 500 раз в секунду. Но в среднем они стреляют с поки 4 герц (4 цикла в секунду). Почему? Потому что каждый сигнал идет с mЭтаболический ценник. «Мы эволюционировали, чтобы максимизировать передачу информации на каждый потраченный АТФ», — сказал Падамси.

С практической точки зрения, мозг жертвует избыточностью ради бережливости. Многие синаптические передачи не работают. Но в целом доходит достаточно информации, чтобы направлять поведение, оставаясь при этом в рамках бюджета.

Как мы измеряем умственную энергию

Итак, откуда ученые все это знают?

Они не могут просто заглянуть в живые человеческие нейроны с помощью микроскопа. Вместо этого они используют такие инструменты, как ПЭТ-сканирование и фМРТ, чтобы оценить, сколько глюкозы или кислорода используют различные области мозга. Например [¹⁸F]-фтордезоксиглюкоза ПЭТ фиксирует, как аналог глюкозы попадает в ловушку активных синапсов. Между тем, фМРТ полагается на изменения уровня кислорода в крови для отслеживания активности.

Оба метода являются косвенными. Но когда они используются вместе, они рисуют убедительную картину: даже когда вы отдыхаете, области мозга мерцают скоординированной активностью. А когда человек переключается на активную задачу, метаболизм глюкозы увеличивается — но незначительно, и в основном в тех областях, которые имеют отношение к задаче.

Предыдущее исследование показало, что измерение кислорода через выход CO₂ во время таких задач, как ментальная арифметика, подтверждает небольшое, но измеримое увеличение потребления. Тем не менее, это увеличение также может отражать возбуждение, связанное со стрессом, а не только чистое когнитивное усилие.

Исследования МРТ показали, что наблюдение за движущимся объектом по сравнению с пассивным наблюдением за ним повышает активность зрительной коры всего на 1%. Таким образом, даже когда вы «много думаете», вам не требуется гораздо больше энергии, чем когда вы небрежно смотрите в окно.

Итак, почему мы чувствуем себя опустошенными?

Если мышление не требует много дополнительной энергии, то почему психически тяжелые дни кажутся такими утомительными?

Ответ кроется не в глюкозе, а, скорее всего, в ударение . Сложные задачи часто сопряжены с эмоциональными ставками — разочарованием, неуверенностью, беспокойством о производительности. Они задействуют симпатическую нервную систему, наполняя организм кортизолом и другими гормонами стресса. Этот каскад может заставить нас чувствовать себя уставшими, затуманенными или даже физически истощенными.

Более того, часто запускаются задачи, требующие постоянного внимания или принятия решений умственное переутомление , явление до сих пор до конца не изучено. Одна из теорий заключается в том, что усталость — это способ мозга подтолкнуть нас к остановке, прежде чем затраты перевесят выгоды. «Вы активируете механизмы усталости, которые предотвратят дальнейшую скорость горения», — сказал Падамси.

Другими словами, ваш мозг регулирует не только то, что вы делаете, но и то, как долго вы это делаете.

Энергия и старение

С возрастом поддерживать этот хрупкий энергетический баланс становится все труднее. Метаболизм глюкозы в мозге постепенно снижается в лобных и височных долях — областях, связанных с памятью и принятием решений. При болезни Альцгеймера и связанных с ней состояниях это замедление проявляется рано, иногда за годы до появления симптомов.

Эти области, часто являющиеся «связующими узлами» в сети мозга, являются одними из самых энергоемких. Они координируют связь между удаленными областями мозга. А их высокая скорость метаболизма может сделать их более уязвимыми к дефициту энергии и дегенерации.

Резистентность к инсулину, распространенная при старении и диабете, еще больше ухудшает доставку глюкозы в мозг. Это может привести к истончению коры головного мозга, ухудшению памяти и повышенному риску развития деменции. Исследование указывает на один четкий вывод: сохранение метаболического здоровья может иметь решающее значение для поддержания когнитивных функций.

Мозг, переосмысленный

Мозг — это бережливый, динамичный и удивительно эффективный орган, способный регулировать сердцебиение, решая математические вычисления и задаваясь вопросом, что есть на ужин.

Даже когда вы чувствуете себя бездельником, он выполняет множество второстепенных задач: поддерживает равновесие тела, фильтрует свои мысли, готовится к тому, что будет дальше. И когда вы занимаетесь целенаправленным умственным трудом, метаболические затраты удивительно скромны, но субъективные потери все еще могут быть реальными.

Итак, в следующий раз, когда вы почувствуете себя морально вымотанным после тяжелого дня размышлений, помните: ваш мозг еще не выдохся. Это просто навязывание глубоко развитого правила биологической эффективности. Должен. Потому что он всегда включен.

Новый обзор метаболических затрат мозга появился в журнале Тенденции в когнитивной науке .