Научные данные свидетельствуют о том, что наш мозг расходует примерно одинаковое количество энергии независимо от того, занят ли он сложными вычислениями или пассивным отдыхом. Вопреки распространенному мнению, интенсивная умственная деятельность, в отличие от физических упражнений, не приводит к значительному увеличению расхода калорий. Это ставит закономерные вопросы: почему же мы чувствуем себя опустошенными после сложного экзамена? Может ли сахар или физическая активность реально улучшить когнитивные функции?
Хотя тренировка мозга, вероятно, не требует существенных дополнительных энергозатрат, сама уверенность в том, что мы умственно истощены, способна вызывать сильное чувство усталости.
Почему мы чувствуем умственную усталость?
Ощущение «выжатого лимона» после напряженного экзамена или рабочего марафона знакомо многим. Например, американские школьники часто описывают состояние полного истощения после сдачи теста SAT. Это явление, известное как «SAT-похмелье», подтверждает, что временное умственное истощение — реальный и распространенный феномен. Важно отличать его от хронической усталости, связанной с нарушениями сна или медицинскими состояниями. Интуитивно кажется логичным, что сложные задачи, требующие концентрации, должны расходовать больше энергии, чем рутинные действия, подобно тому как интенсивная тренировка утомляет тело. Однако современные исследования показывают, что это представление является чрезмерным упрощением.
Постоянный «аппетит» мозга
Мозг — орган с постоянно высоким уровнем энергопотребления, и этот уровень мало меняется, решаем ли мы интегралы или листаем ленту в соцсетях. Хотя активация конкретных нейронных сетей действительно вызывает локальный приток крови, кислорода и глюкозы, эти всплески потребления — лишь капля в море по сравнению с фоновыми энергетическими нуждами мозга.
Мозг можно назвать «прожорливым» органом, но его «аппетит» удивительно постоянен. Он потребляет много энергии, когда вы спите, смотрите фильм или решаете математическую задачу. Кратковременные периоды усиленной умственной работы приводят лишь к незначительному росту энергопотребления по сравнению с базовым уровнем. Однако в большинстве лабораторных экспериментов не моделируются условия многочасовой интеллектуальной нагрузки, что оставляет открытым вопрос об источниках чувства истощения.
Мощность в 12 ватт: энергоэффективность мозга
Несмотря на скромные размеры (около 2% массы тела), мозг взрослого человека забирает на себя примерно 20% от общего уровня метаболизма в состоянии покоя (RMR). Если принять средний RMR за 1300 ккал в сутки, то на мозг приходится около 260 ккал. Это примерно 10.8 ккал в час.
Проведя несложные расчеты, можно перевести это в более привычные единицы мощности:
При RMR 1300 ккал/сутки общая мощность тела составляет около 63 Ватт. Доля мозга — 20% от этой величины, то есть примерно 12.6 Ватт. Таким образом, для работы нашего главного органа мышления требуется мощность, сопоставимая с энергосберегающей лампочкой.
Мощность работы мозга – около 12 ватт, как у энергосберегающей лампочки.
Сравнение с компьютером и механизмы энергоснабжения
На фоне искусственных систем мозг демонстрирует феноменальную эффективность. Суперкомпьютер IBM Watson, победивший в викторине Jeopardy!, потребляет многие тысячи ватт, все еще уступая человеческому мозгу в вычислительной гибкости.
Энергия поставляется в мозг с кровотоком в виде глюкозы, которая преодолевает гематоэнцефалический барьер и используется для синтеза АТФ — универсальной энергетической «валюты» клеток. Когда нейроны в определенной области активизируются, местные капилляры расширяются, обеспечивая приток дополнительной крови. Именно на этом эффекте основана функциональная МРТ, позволяющая визуализировать активность мозга.
Пример визуализации активности мозга при движении правым (2 верхних фото) и левым (2 нижних) указательными пальцами:
Исследования подтверждают, что расширившиеся сосуды доставляют дополнительную глюкозу, которую активно поглощают клетки мозга.
Влияет ли глюкоза на умственную производительность?
Логично предположить, что сложные задачи должны снижать уровень глюкозы в крови, а ее пополнение — улучшать результаты. Хотя некоторые исследования, например, из Нортумбрийского университета, показывают, что выполнение вербальных и числовых заданий приводит к большему падению глюкозы, чем простые действия, а сладкий напиток может временно повысить производительность, в целом данные противоречивы, а наблюдаемые эффекты невелики.
В другом эксперименте с тестом Струпа (где нужно назвать цвет чернил, игнорируя значение слова) более сложная версия задачи вызывала большее снижение уровня глюкозы. Интересно, что эффективность мозга может влиять на расход энергии: новичкам в какой-либо области часто требуется больше умственных усилий и, соответственно, глюкозы, тогда как эксперты решают задачи более экономично. Однако есть и исследования, утверждающие обратное — что развитый мозг потребляет больше.
Энергозатраты мозга: не только вопрос глюкозы
Неоднозначность результатов исследований роли глюкозы указывает на то, что энергопотребление мозга — сложный процесс, не сводящийся к простому «сжиганию топлива» при умственных усилиях. Как отмечает Клод Мессье из Университета Оттавы, базовый уровень работы мозга невероятно высок — даже во сне мозг потребляет значительное количество глюкозы.
Большинству органов не нужно много энергии для поддержания базовых функций. Мозг же должен постоянно поддерживать электрохимические градиенты на мембранах миллиардов нейронов, что требует огромных затрат. Поскольку эта «фонововая» работа ведется непрерывно и является очень энергоемкой, у мозга, как правило, всегда есть резерв для выполнения дополнительных, пусть и сложных, задач.
Роль физической активности и индивидуальных различий
Умеренные физические нагрузки, вопреки ожиданиям, могут улучшать когнитивные функции. Например, дети, которые 20 минут занимались на беговой дорожке перед тестом, показали лучшие результаты, чем те, кто спокойно читал. Если бы умственные способности напрямую зависели от доступной глюкозы, физическая активность, сжигающая калории, ухудшила бы результаты.
Дети, которые перед тестом занимались 20 минут на беговой дорожке показали лучше результаты чем те, кто просто сидел за книжкой. Фото: Adrian Fussell.
Связь между сложностью задачи и энергопотреблением, как пишет Ли Гибсон, «проявляется слабо и, видимо, зависит от индивидуальных различий». И Гибсон, и Мессье сходятся во мнении, что дополнительная глюкоза (например, сладкий напиток) может улучшить работу мозга в основном у тех, кто имеет проблемы с поддержанием ее уровня — например, во время длительного голодания. Для большинства же здоровых людей организм легко обеспечивает тот небольшой дополнительный объем глюкозы, который может потребоваться при умственном напряжении.
Истинные причины умственного истощения
Если дополнительные энергозатраты при умственной работе невелики, что же вызывает чувство изнурения после экзамена или сложного проекта? Одна из гипотез — длительная концентрация и навигация в интеллектуальном пространстве в течение многих часов все же сжигает достаточно энергии, чтобы вызвать усталость. Однако исследования этого пока не подтвердили, так как в экспериментах редко моделируются столь экстремальные условия.
Ключевую роль, по-видимому, играет отношение к деятельности и получаемое от нее удовольствие. Просмотр захватывающего фильма или решение интересного кроссворда активизируют мозг на несколько часов, но обычно не приводят к чувству истощения — скорее, к удовлетворению. Утомление с большей вероятностью наступает от продолжительных усилий, которые мы прилагаем по необходимости, без ожидания удовольствия, особенно если заранее настроены на трудности.
При просмотре фильма мозгом тратится примерно столько же глюкозы, как и при решении умственных задач. Отчего же тогда мы не чувствуем усталость после фильма или, например, решения судоку? Видимо, вся разница в удовольствии и стрессе.
Эта идея перекликается с концепцией дофаминовой системы — «банка энергии» мозга. Дофамин, гормон удовольствия и мотивации, выделяется при действиях, важных для нас. Когда мы заставляем себя делать что-то «надо» без внутреннего желания, мозг воспринимает это как большие затраты без гарантированной «выгоды» и может саботировать деятельность, вызывая чувство усталости.
Цитата из текста “Дофамин и достижение целей: как получить кредит энергии в банке мозга“:
Как и любую валюту, дофамин нужно заработать, и его всегда не хватает... Мозгу проще саботировать цели, чем тратиться на их достижение.
Исследования показывают, что истощение может быть во многом субъективным. Например, добровольцы, которые перед физической нагрузкой проходили сложный тест на внимание, выдыхались на велотренажере быстрее, чем те, кто смотрел нейтральный фильм, хотя объективные энергозатраты различались незначительно.
Немаловажный фактор — стресс. Важный экзамен или дедлайн — это не только умственная, но и эмоциональная нагрузка, которая запускает выброс гормонов стресса, увеличивает частоту сердечных сокращений и мышечное напряжение. Одно исследование показало, что студенты, выполнявшие перед обедом компьютерные тесты, съели в среднем на 200 ккал больше и имели более высокий уровень кортизола и тревожности, чем отдыхавшие студенты. Вероятно, они заедали стресс, а не восполняли энергозатраты мозга.
Клод Мессье предлагает оригинальную гипотезу: «Моя основная гипотеза состоит в том, что головной мозг – это ленивый дурак. Ему тяжело фокусироваться на чем-то одном на протяжении достаточно длительного времени... Может быть, мозгу просто не нравится работать так тяжело и так долго».
Научный источник: Jabr F. Does Thinking Really Hard Burn More Calories? Scientific American. July 18, 2012. URL: http://www.scientificamerican.com/article/thinking-hard-calories/
Перевод: Ю. Нестерова для библиотеки FPA.
Читайте также на Зожнике:
6 способов улучшить работу мозга при помощи физических упражнений
Как омолодить мозг в любом возрасте. Выступление нейробиолога
Глюкоза – основное топливо для мозга: как сахар помогает контролировать себя
“Баги” мозга: упрощения и уловки восприятия мира
Мозг на пенсии: что происходит с мозгом при старении
