Чем занят мозг, когда он ничем не занят? Потребление энергии мозгом

Действительно ли активная мозговая деятельность требует больше калорий

Чем занят мозг, когда он ничем не занят? Потребление энергии мозгом

Уже с первых занятий фридайвингом мы узнаем, что мозг – это основной потребитель кислорода и в дальнейшем учимся его успокаивать, пытаемся “выключать” мысли, осваиваем различные психотехники и т.д., чтобы снизить свой метаболизм и увеличить время задержки. Ниже наш перевод научной статьи с www.scientificamerican.

com, которая подробно исследует эту тему. В статье используется оценка количества сожженных калорий, но надо понимать, что между калориями и потреблением кислорода есть прямая зависимость.

Очень интересны результаты исследования, которые утверждают, что потребление калорий/кислорода мозгом примерно постоянно и не зависит от активности умственной деятельности.

Так что, наше умение успокаиваться или впадать в медитационное состояние во время подготовки к погружению или самого погружения не влияет на потребление кислорода мозгом. А вот на что влияет, так это на общее напряжение в теле и на работу гармональной системы.
Но не будем забегать вперед и предоставим слово ученым.

Умственное утомление – явление, хорошо известное каждому.

Практически любой выпускник школы хорошо помнит ощущение полнейшего измождения после выпускных экзаменов, а взрослым наверняка знакомо опустошение после напряженного собеседования или сдачи проекта за пять минут до (или после) окончания дедлайна. При этом состояние «выжатого лимона» достигается не за счёт напряженной физической активности.

Временное умственное переутомление распространено довольно широко и, в отличие от хронической усталости не связано с недосыпом или рядом медицинских расстройств. Интуитивно очевидно, что сложные мыслительные процессы и глубокая концентрация требуют больше энергии, чем работа мозга в обычном режиме.

Так же как энергичные упражнения утомляют наше тело, интеллектуальные нагрузки должны истощать наш мозг. Последние научные данные, однако, указывают на то, что такое представление об умственной усталости является слишком упрощённым.

Для своих размеров мозг поглощает просто гигантское количество энергии вне зависимости от того, решаем мы дифференциальное уравнение или листаем страницы с котиками.

Несмотря на то, что интеллектуальная деятельность вызывает дополнительный приток крови, кислорода и глюкозы, любые местные увеличения потребления энергии ничтожны по сравнению с тем, сколько нужно мозгу просто для поддержания базовой деятельности.

Это значит, что, в большинстве случаев, короткие периоды дополнительных умственных усилий требуют лишь немногим больше калорий, чем обычно.

Правда, большинство лабораторных экспериментов, посвященных этой теме, были достаточно гуманны и не подвергали добровольцев перегрузкам наподобие многочасовой сдачи экзаменов.

Тем не менее, что-то должно объяснить ощущение психического истощения, даже если его физиология отличается от физической усталости. В принципе, даже простой веры в то, что наш мозг приложил много усилий, может быть достаточно, чтобы заставить почувствовать себя вялым.

Сила мозга

Хотя средний мозг взрослого человека весит около 1.4 кг, лишь 2 процента от общего веса тела, он отъедает примерно 20 процентов от нашего уровня обмена веществ в состоянии покоя (англ. RMR resting metabolic rate) – общего объема энергии, которую наши тела тратят за день полнейшего безделья.

RMR варьируется от человека к человеку в зависимости от возраста, пола, размера и состояния здоровья. Если мы возьмём за среднее значение RMR 1300 калорий, то окажется, что мозгу необходимо 260 калорий просто для поддержания себя в форме. Это 10,8 калорий в час или 0,18 калорий в минуту.

(Для сравнения можно посмотреть Гарвардскую таблицу калорий, сжигаемых во время разных занятий). С помощью несложных преобразований мы можем получить мощность:

RMR: 1300 ккал1300 ккал/сутки = 54.16 ккал/час = 15.04 кал/сек15.04 кал/сек = 62.93 Дж/сек = около 63 Вт

20 процентов от 63 Вт = 12,6 Ватт

Таким образом, мощность среднестатистического мозга взрослого человека равна 12 Вт, что всего в пять раз меньше мощности стандартной электрической лампочки в 60 Вт.

Если сравнить мозг с другими органами, он окажется очень прожорливым, но, тем не менее, он работает гораздо эффективней всякой электроники, созданной человеческими руками.

Например, работа IBM Watson, суперкомпьютера, победившего чемпионов американского аналога телевикторины “Своя игра”, основана на взаимодействии девяноста серверов IBM Power 750, каждый из которых требует около 1000 ватт.

Энергия поступает в мозг через кровеносные сосуды в виде глюкозы, которая проходит через гематоэнцефалический барьер и используется для производства аденозинтрифосфата (АТФ), основной энергетической валюты в клетках.

Эксперименты с участием животных и людей подтверждают, что при возбуждении нейронов в определенной области мозга, местные капилляры расширяются, чтобы доставить больше крови, а вместе с ней дополнительные глюкозу и кислород.

Именно это делает возможными нейровизуализационные исследования: функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) зависит от уникальных магнитных свойств крови и активности нейронов.

Исследования также подтвердили, что после того, как расширенные кровеносные сосуды обеспечивают приток глюкозы, клетки головного мозга начинают её активно всасывать.

Следуя этой логике дальше, некоторые ученые предложили следующее: если возбуждение нейронов требуют дополнительной глюкозы, то особенно сложные психические задачи должны снизить уровень глюкозы в крови, а поедание сладкого должно улучшить производительность при решении таких задач. Хотя некоторые исследования подтверждают эти прогнозы, доказательств в целом недостаточно и большинство изменений уровня глюкозы колеблется в очень небольших пределах. Например, в одном из исследований в Нортумбрийском университете добровольцы, выполнившие ряд устных и вычислительных задач, показали большее снижение уровня глюкозы в крови, чем те, кто просто нажал несколько раз на клавишу. В том же исследовании употребление сладкого напитка улучшило производительность на одной из задач, но этот эффект не распространялся на другие задачи.

В Ливерпульском Университете им. Джона Мурса добровольцев заставили выполнять две версии теста Струпа, в ходе которого они должны были определить цвет чернил, которым было напечатано слово, а не читать его.

В простой версии слово синий и синий цвет совпадали, а в усложнённом варианте слово синий было напечатано красным или зелёным. Различия в уровне глюкозы были больше у тех, кто выполнял усложнённый вариант, что было интерпретировано исследователями как прямое следствие больших мысленных усилий.

Некоторые исследования показали, что когда люди не очень хорошо справляются с поставленной задачей, им приходится сильнее шевелить мозгами и использовать больше глюкозы, тогда как по мере накопления опыта мозг начинает работать более эффективно и требует меньше глюкозы.

Ну и наконец, есть по-крайней мере одно исследование, результаты которого говорят против того, что выполнение сложных умственных задач требует большего количества энергии.

Не просто сахар

Неудовлетворительные и противоречивые результаты исследований глюкозы подчёркивают, что потребление энергии мозгом – это не просто вопрос большего количества умственных усилий, требующих больше доступной энергии. Клод Мессер из Оттавского университета провёл обзор многих таких исследований.

Он по-прежнему не убежден в том, что какие-либо когнитивные задачи в значительной степени влияют на уровень глюкозы в крови или в мозгу. «В теории, да, более сложная психическая задача требует больше энергии, потому что повышена нервная активность» – говорит он, «но когда люди решают в голове задачку, вы не увидите значительной прибавки потребления глюкозы.

Базовый уровень потребления энергии мозгом, даже в медленную фазу сна при минимальной активности, очень и очень высок.» Большинство органов не требуют такого количества энергии для базового метаболизма. Но мозг должен активно поддерживать соответствующие концентрации заряженных частиц по обе стороны от мембран миллиардов нейронов даже когда клетки не возбуждены.

Из-за этого дорогого и непрерывного техобслуживания мозг, как правило, и располагает некоторым запасом энергии, который можно потратить на небольшую дополнительную работу.

Авторы других обзоров пришли к аналогичным выводам. Robert Kurzban из университета Пенсильвании указывает на исследования, демонстрирующие улучшение способности людей сосредоточиться после умеренных физических нагрузок.

В одном из них дети, которые ходили 20 минут по беговой дорожке выполняли тест академической успеваемости лучше, чем те, кто сидел и тихонько читал до экзамена.

Если способности мозга к работе были бы просто вопросом доступности глюкозы, то дети, которые бегали и сожгли больше энергии, должны были показать худшие результаты, чем те, кто читал.

Влияние трудности задачи на количество потребляемой энергии “представляется неочевидным и возможно зависит от необходимых усилий и имеющихся ресурсов, которые могут быть связаны с такими индивидуальными переменными, как возраст, личность и регуляция сахарного метаболизма”, – написал Ли Гибсон из университета Рохемптона в обзоре, посвященном связи углеводов и психических функций.

И Гибсон и Мессер заключили, что, если кто-то имеет проблемы регулирования глюкозы или постится долгое время, сладкий напиток или еда могут улучшить их последующие результаты при выполнении определенных заданий на память. Но, в случае большинства людей, тело легко предоставляет мозгу ту небольшую добавку глюкозы, которая ему необходима для дополнительной работы.

Тело и разум

Если сложные познавательные задачи потребляют только немного больше топлива, чем обычно, что же тогда объясняет чувство умственного истощения после экзамена или аналогичного изнурительного психического марафона? Один из ответов заключается в том, что поддержание внимания в фокусе или напряженная умственная работа в течение нескольких часов действительно сжигает достаточно энергии, чтобы оставить чувство изнурения, но исследователи не подтвердили это потому, что они просто не были достаточно жестоки по отношению к добровольцам. В большинстве экспериментов участники выполняют одну задачу средней сложности и редко дольше, чем час или два. “Может быть, если мы придумаем тест пожёстче и заставим людей делать то, что они не очень хорошо умеют, мы увидим более четкие результаты”, – предполагает Мессер.

Помимо продолжительности психических нагрузок также важно отношение к ним. Просмотр захватывающего кино со запутанным сюжетом заставляет мозг работать добрых два часа, но люди обычно не выползают из кинотеатров еле живыми и с жалобами на психическую усталость.

Некоторые люди регулярно проводят приятнейшие вечера в компании толстых сложных книг, которые другие от отчаяния могут швырнуть в стенку. Решение сложных кроссвордов или судоку в воскресенье утром тоже обычно не ведёт к потере концентрации на весь оставшийся день; некоторые даже утверждают, что это обостряет их ум.

Всё это говорит о том, что люди регулярно занимаются активнейшей умственной деятельностью без особых при этом страданий.

Появление усталости гораздо вероятней в случае устойчивых умственных усилий, которых хочется избежать, – обязательного экзамена или собеседования, – и при этом ожидается что это испытание нас измотает. Если мы считаем, что экзамен или головоломка будет трудной, истощение может наступить раньше.

Исследования показали, что нечто похожее происходит, когда люди тренируются и занимаются спортом: большая часть физической усталости находится в наших головах.

В соответствующих исследованиях добровольцы, которые катались на велосипеде после 90-минутного компьютерного теста, требующего постоянного внимания, сдыхали раньше, чем участники, которые до этого смотрели эмоционально нейтральные документальные фильмы.

Даже если выполнение теста не потребляет значительно больше энергии, чем просмотр фильмов, добровольцы сообщили, что чувствуют себя всё равно более уставшими. Это чувство было достаточно мощным, чтобы ограничить их физическую работоспособность.

В конкретном случае экзаменов или собеседования есть кое-что ещё, что способствует ступору после прохождения: стресс. В конце концов, мозг не работает в вакууме. Другие органы тоже сжигают энергию.

Сдача экзамена, который частично определяет, где ты проведёшь следующие несколько лет, достаточно волнительна, чтобы выпустить в кровь гормоны стресса, вызвать потоотделение, увеличить частоту сердцебиения и заставить ёрзать или сидеть зажатым в неудобной позе.

Экзамены и аналогичные испытания являются не только психически, но и физически изнурительными.

Небольшое, но показательное исследование показывает, что даже небольшое умственное напряжение изменяет наши эмоциональное состояние и поведение, даже если оно не сильно влияет на метаболизм мозга.

В ходе эксперимента участники либо ничего не делали, либо читали, либо выполняли серию головоломных компьютерных тестов на память и внимание, а потом все отправлялись на обед.

Учёные подсчитали количество съеденного и увидели, что после тестов люди съедали примерно на 200 калорий больше, чем после отдыха.

Уровень глюкозы в крови также колебался в первом случае больше, но без очевидных зависимостей.

Ну и уровень гормона стресса кортизола был значительно выше у тех, чьи мозги были заняты, также как и их сердечный ритм, кровяное давление и самоощущение тревожности.

По всей вероятности эти студенты ели больше не потому, что их изможденные мозги отчаянно нуждались в топливе, а просто заедали стресс.

Сходным образом Мессер объясняет повседневную умственную утомляемость. “Суть моей гипотезы заключается в том, что мозг это ленивый бездельник”, – говорит он. “Ему сложно сосредоточиться на чём-либо одном в течение продолжительного времени и не отвлекаться.

Вполне возможно, что постоянное внимание создает некоторые изменения в мозге, которые способствуют выходу из этого состояния. Можно сравнить это с таймером, который говорит: “Отлично, а теперь закончим.

” Может быть, мозг просто не любит работать так тяжело и так долго.”

Источник на английском языке

Источник: https://freediver.me/articles/physiology/deystvitelno-li-aktivnaya-mozgovaya-deyatelnost-trebuet-bolshe-kaloriy

Как на самом деле работает мозг

Чем занят мозг, когда он ничем не занят? Потребление энергии мозгом

На хабре довольно популярны статьи о различных техниках повышения работоспособности, улучшения памяти, самомотивации и т.д. и т.п. Увы, зачастую авторы этих статей совершенно не представляют себе, что такое мозг, как он работает и почему всё устроено именно так. Прежде всего, необходимо понять вот что:

Думать — дорого

Изложенные ниже сведения почёрпнуты, большей частью, из книги С.В.Савельева «Происхождение мозга», которую я настоятельно рекомендую к прочтению, наряду с трудами Ричарда Докинза и Конрада Лоренца.

Мозг возник в результате эволюции как гибкий, универсальный и быстрый решатель. Обладание мозгом делает животное значительно более приспособленным, особенно в экстремальных ситуациях. Однако за все приходится платить: мозг — чрезвычайно затратный орган. У человека интенсивно работающий мозг потребляет четверть (!) ресурсов всего организма. Проблема заключается ещё и в том, что мозг никогда не находится в состоянии покоя; даже отдыхающий мозг потребляет 10% энергии организма, при этом составляя всего 2% от его массы. Кроме того, организм элементарно не в состоянии поддерживать интенсивную работу мозга в течение длительного времени, через какое-то время неизбежно наступает нервное истощение. Ко всему прочему, мозг, лишенный нужных ресурсов (кислорода прежде всего), практически мгновенно (в течение 5 минут) погибает.

Оптимизация

Полагаю, большинство хабровчан к данному моменту уже представили себе, каким образом можно оптимизировать энергетические затраты мозга. ИТ-специалисты в этом плане ничего лучше природы не придумали.

Вариант А: ограничить активность мозга только действительно экстремальными ситуациями.

На человеческом языке этот механизм называется «лень». Человек инстинктивно стремится не думать, до тех пор, пока в этом нет необходимости. Многие животные, например, кошки, вообще постоянно пребывают в одном из двух состояний: либо сонной дрёмы, либо гиперактивности.

Лень является двигателем прогресса в самом что ни на есть буквальном смысле.

Вариант Б: кэш. Заложить как можно больше предопределенных моделей поведения и включать мозг только тогда, когда автопилот не может разрешить проблему сам. Такая оптимизация свойственна прежде всего мелким животным, но, как нетрудно заметить, проявив минимум наблюдательности, человек ей тоже пользуется вовсю. Кстати, отсюда идет знаменитый несуразный миф о том, что человек, якобы, использует десять (пять, два — нужное подчеркнуть) процентов своего мозга. В конкретный момент времени и в состоянии покоя — в каком-то приближении, да. Потому что использовать мозг целиком без необходимости — дорого и неразумно. Но держать 90% мозга не используемыми вообще — ещё более дорого и неразумно.

Реальность

Часто кажется, что поведение человека глупо и нелогично. Однако в свете предыдущего параграфа вполне очевидно, что поведение человека абсолютно умно и логично. Вопрос «о чем ты вообще думал», как правило, имеет простой ответ: ни о чём. Человеку свойственно ни о чем не думать, и это с эволюционной точки зрения самая выгодная программа.

Конечно, в современном мире у большей части человечества не возникает проблем с питательными веществами и механизмы оптимизации энергопотребления не нужны. Но, увы, изменить собственную генетическую программу мы не в состоянии; да и нет никакой гарантии, что иная схема работы мозга окажется для homo sapiens более оптимальной.

Помнить — дорого

От мышления перейдём к памяти. Для понимания процессов запоминания и вспоминания полезно, прежде всего, усвоить одну простую вещь: человеческая память — энергозависимая. На хранение информации непрерывно расходуются ресурсы организма.

Думаю, вы уже поняли, что это означает :-). Во-первых, память разделяется на кратковременную и долговременную. В долговременную память попадает только небольшая часть потока информации. Во-вторых, воспоминания непрерывно утрачиваются.

Чем больше проходит времени, тем меньше информации о событии остается в памяти.

Запоминание случайно

На эти, и без того нерадостные для студентов 🙂 процессы накладывается ещё и вероятностная сущность запоминания. Дело в том, что запоминание — это образование в нейронной сети устойчивых циклических сетей, содержащих нужную информацию. Этот процесс не очень быстр и довольно непредсказуем.

Нельзя сколько-нибудь точно предугадать, в какой момент изменится конфигурация нейронов. Именно поэтому человек частенько запоминает на всю жизнь совершенно бессмысленную и ненужную информацию — потому что так сложилось, что в момент образования новой конфигурации нейронов он думал именно об этой ерунде.

Для того, чтобы гарантировать запоминание приходится постоянно обновлять информацию в течение довольно длительного периода времени.

Память врёт

Как было сказано в предыдущем разделе, память нужна человеку прежде всего для того, чтобы не думать. Запомненные решения и модели поведения позволяют не напрягать мозг, а действовать на автопилоте. Это — фактически главная функция памяти. Однако в силу того, что память энергозависима, запомнить всю нужную информацию нельзя.

С одной стороны, постоянно поступает новая информация, которая потенциально может быть важной. С другой стороны, старая информация постоянно утрачивает актуальность. Таким образом, старые воспоминания постоянно конкурируют с новыми за место в памяти.

Более того, в целях масимально полного использования доступного ресурса, новые и старые информационные сигналы циркулируют по одним и тем же путям.

В результате, старые воспоминания постоянно искажаются, что со временем приводит к довольно неожиданным эффектам вплоть до полного несоответствия старого воспоминания реальности, причем старые воспоминания со временем становятся всё более идеализированными. Это характерно не только для людей, но и для других животных тоже.

Welcome to the Real World

Не знаю, как вы, а я значительно лучше стал понимать поведение людей, когда всё это прочитал. Представления о том, почему мозг ведёт себя именно так, а не иначе, на мой взгляд, гораздо более полезно, чем абстрактные рекомендации про то, как повысить работоспособность и улучшить память. Надеюсь, и вам они окажутся полезными.

  • мозг
  • работа
  • эволюция
  • почему все именно так

Источник: https://habr.com/post/95438/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.