Чи споживає інтенсивна інтелектуальна діяльність більше калорій
Хоча мозок середньостатистичної дорослої людини важить близько 1,4 кілограма, або лише 2% від загальної маси тіла, він вимагає 20% нашого базального метаболізму в спокої - загальна кількість енергії, яку наші тіла витрачають в один із тих ледачих днів без фізичної активності . Базальний рівень обміну речовин у стані спокою залежить від людини до людини, залежно від їх віку, статі, розміру та стану здоров'я [1]. Якщо припустити, що середня базальна швидкість метаболізму становить 1300 калорій, то мозок споживає 260 із них, щоб підтримувати нормальну роботу. Це 10,8 калорій щогодини, або 0,18 калорій на хвилину. Трохи розрахувавши математику, це число легко перетворити в міру потужності:
Базальний рівень метаболізму у стані спокою: 1300 кілокалорій, або ккал, базовий показник, який використовується в харчуванні,
1300 ккал протягом 24 годин = 54,16 ккал на годину = 15,04 грама калорій в секунду,
15,04 грам калорій/секунда = 62,93 джоулів/секунда = приблизно 63 Вт,
20% від 63 Вт = 12,6 Вт.
Отже, типовий дорослий чоловік споживає близько 12 Вт, що становить п’яту частину потужності, необхідної типовій 60-ватній лампочці. Порівняно з більшістю інших органів, мозок жадібний; але в порівнянні з штучною електронікою це неймовірно ефективно. Як, наприклад, стосовно комп'ютера IBM Watson, який обіграв чемпіонів Росії Під загрозою !, з його 90 серверами, кожен накачує близько тисячі ват !
Енергія надходить до мозку через кровоносні судини у вигляді глюкози, яка транспортується через мозковий бар’єр і використовується для вироблення аденозинтрифосфату (АТФ), основної «валюти» хімічної енергії в клітинах. Експерименти на тваринах та людях підтвердили, що при активації нейронів у певній області мозку місцеві капіляри розширюються, доставляючи більше крові, ніж зазвичай, а також більше кисню та глюкози [2] Ця механічна реакція робить можливими магнітні зображення, функціональний магнітний резонанс візуалізація (fMRI) базується на цих унікальних магнітних властивостях крові, що надходить до активних нейронів. Дослідження також підтвердили, що як тільки розширені кровоносні судини доставляють додаткову кількість глюкози, клітини мозку їдять її [3].
Розширюючи логіку цих результатів, деякі вчені запропонували наступне: якщо працюючим нейронам потрібно більше глюкози, то особливо стимулюючі інтелектуальні завдання повинні знижувати рівень глюкози в крові і, аналогічно, їсти їжу. Продукти з високим вмістом цукру повинні покращувати ефективність таких завдань.
Хоча мало хто з досліджень підтвердив ці прогнози, дані в цілому суперечливі, і більшість змін рівня глюкози коливаються від крихітних до дуже малих. Наприклад, у дослідженні Університету Нортумбрії добровольці, які виконували ряд вербальних та невербальних завдань, показали більший спад глюкози в крові, ніж ті, хто просто неодноразово натискав клавішу.
У тому ж дослідженні [4] солодкий напій покращував ефективність одного завдання, але не в інших. В університеті Джона Мура в Ліверпулі волонтери виконали дві версії завдання Stroop [5], в яких їм було запропоновано визначити колір чорнила, на якому було надруковане слово, а не читати саме слово (див. Приклад внизу сторінка тут): в одній версії слова та кольори збігалися - СИНИЙ відображався синім чорнилом, в іншій версії слово СИНИЙ виглядав зеленим або червоним. Волонтери, які виконували найбільш інтелектуально стимулююче завдання, продемонстрували більші перепади глюкози в крові, що дослідники інтерпретували як пряму причину збільшення психічного напруження. Ускладнення ситуації має важливе значення, деякі дослідження показали, що коли люди не дуже добре виконують певне завдання, вони докладають більших розумових навантажень і вживають більше глюкози, тоді як принаймні одне дослідження свідчить про інше [6], тобто чим ви вміліші вирішуєте завдання, чим ефективніше ваш мозок і тим менше глюкози вам потрібно.
Незадовільні та суперечливі результати досліджень глюкози підкреслюють той факт, що споживання енергії в мозку - це не лише питання розумових навантажень, які перекачують більшу частину наявної енергії в мозок. Клод Мессьє з Університету Оттави оглянув такі дослідження [7]. Він досі не впевнений, що будь-яке когнітивне завдання помітно змінює рівень глюкози в мозку або крові. "Теоретично, так, для більш складного завдання потрібно більше енергії, оскільки більше нервової активності, - говорить він, - але коли люди виконують розумове завдання, ви не побачите великого збільшення енергії. Споживання глюкози як високий відсоток від загальної ставки.
Базовим рівнем завжди є багато енергії, навіть під час сну без снів з дуже малою активністю все ще є мінімальне споживання глюкози. Більшість органів не потребують такої кількості енергії для базового обслуговування. Але мозок повинен активно підтримувати належні концентрації заряджених частинок у мембранах мільярдів нейронів, навіть коли ці клітини неактивні. Через це дороге і постійне технічне обслуговування мозок зазвичай має енергію, необхідну для невеликої додаткової роботи.
Автори інших наукових праць дійшли подібних висновків. Роберт Курзбан з Університету Пенсільванії наводить дослідження, які показують, що помірні фізичні навантаження покращують здатність людини до концентрації уваги [8]. Наприклад, в одному дослідженні [9] діти, які 20 хвилин ходили на біговій доріжці, на іспитових тестах виступали краще, ніж діти, які тихо читали перед іспитом. Якби інтелектуальні зусилля та фізична форма були лише питанням доступної глюкози, то діти, які займаються спортом і, отже, спалюють більше енергії, мали б бути менш успішними, ніж їхні спокійні колеги.
Вплив складності розумового завдання на споживання енергії, здається, дуже тонкий і, ймовірно, залежить від варіації індивіда в необхідних зусиллях, його відданості та наявних ресурсів, які можуть бути пов'язані з такими змінними, як вік, особистість та регуляція глюкози, згідно з Лі Гібсон в огляді вуглеводів та психічної функції [10].
Гібсон і Мессьє дійшли висновку, що коли хтось має проблеми з правильним регулюванням рівня глюкози або тривалий час голодує, солодкий напій або їжа може покращити їх ефективність при виконанні певних типів завдань запам'ятовування. Але для більшості людей організм легко забезпечує трохи додаткової глюкози, необхідної мозку для додаткових інтелектуальних зусиль.
Якщо когнітивно-стимулюючі завдання споживають лише трохи більше палива, ніж зазвичай, чим пояснюється почуття психічного виснаження, яке слідує за такими завданнями, або не менш виснажливий ментальний марафон? Одна з відповідей полягає в тому, що підтримка безперервного фокусування або навігація інтелектуальною територією протягом декількох годин насправді споживає достатньо енергії, щоб хтось відчував себе виснаженим, але дослідники цього не підтвердили, оскільки вони просто не були достатньо жорсткими щодо своїх добровольців. У більшості експериментів учасники виконували одне завдання середньої складності, рідше більше години або двох. "Можливо, якби ми підштовхували їх сильніше і змушували суб'єктів робити те, у чому вони не вміють, ми могли б отримати більш очевидні результати", - говорить Мессьє.
Настільки ж важливим, як тривалість інтелектуальних зусиль, є і ставлення до нього. Перегляд вражаючого фільму або вистави зі складним сюжетом хвилює різні ділянки мозку добрі дві години, проте глядачі не виходять із кінофільмів чи театру і скаржаться на психічну втому. Деякі люди занурюються в читання романів, досить щільних, щоб інші могли розчаровано перекидати кімнату. Заповнення судоку чи складного кросворду в неділю вранці нікому не руйнує здатності зосереджувати решту дня, адже деякі навіть стверджують, що це загострює їх психічний стан. Таким чином, люди зазвичай насолоджуються підбадьорливою діяльністю, не страждаючи від психічного виснаження.
Таке стомлення, швидше за все, слідує за стійкими розумовими навантаженнями, які ми не робимо для задоволення, наприклад, обов’язковий іспит, особливо коли ми очікуємо, що випробування спорожнить наш мозок. Якщо ми думаємо, що тест або головоломка будуть важкими, це часто буде важко. Дослідження показали, що те саме відбувається, коли люди займаються спортом або займаються спортом: у наших головах великий компонент фізичного виснаження [11]. У відповідних дослідженнях добровольці, які їздили на велосипеді після 90-хвилинного комп'ютерного тесту, що вимагав постійної уваги, перестали крутити педалі, виснажені раніше, ніж учасники, які переглядали емоційно нейтральні документальні фільми перед вправами. Хоча тест уваги не споживав набагато більше енергії, ніж перегляд фільмів, волонтери повідомили, що відчувають себе менш енергійними. Це відчуття було досить сильним, щоб обмежити їх фізичну працездатність [12].
У конкретному випадку іспитів щось, що виходить за рамки чисто інтелектуальних зусиль, швидше за все, сприятиме онімінню виходу: стрес. Адже мозок не працює у вакуумі. Інші органи також споживають енергію. Проведення тесту, який частково визначить, що ви будете робити протягом наступних чотирьох років, досить страшне, щоб направити гормони стресу через кровотік, що спричиняє потовиділення, почастішання серцебиття та сприяє нетерпінню та різного роду поставам. Обстеження та інші важливі тести є не лише джерелом психічного напруження, вони також виснажують фізично.
Виявлене невелике дослідження [13] свідчить про те, що навіть м’яко напружений інтелектуальний виклик змінює наш емоційний стан і поведінку, навіть якщо це глибоко не змінює метаболізм мозку. Чотирнадцять студентів або сиділи, узагальнюючи уривок з тексту, або проходили серію комп’ютерних тестів, що вимагали уваги та пам’яті, протягом 45 хвилин, перед тим, як бенкетувати за фуршетом. Студентки, які тренували мозок, їли приблизно на 200 калорій більше, ніж жінки, які розслабились.
Рівень глюкози в крові також коливався більше, ніж у студентів, які просто сиділи, але не надто різко. Однак рівень гормону стресу кортизолу був набагато вищим у студенток коледжу із зайнятим мозком, як і частота серцевих скорочень, артеріальний тиск і тривога. Імовірно, ці студенти не їли, бо їх стомлений мозок відчайдушно потребував більше палива, а тому, що вони поспішали їсти.
Мессьє розповів про пояснення повсякденної психічної втоми: "Моє загальне припущення полягає в тому, що мозок є млявим", - говорить він. "Мозку важко залишатися зосередженим на одній справі занадто довго. Не виключено, що стійка концентрація створює певні зміни в мозку, що сприяють уникненню цього стану. Це може бути як таймер, який каже:" добре, це вже закінчилося "Можливо, мозку просто не подобається так довго працювати так довго".
Список літератури:
[1] Швидкість метаболізму у спокої нижча у жінок, ніж у чоловіків. P. J. Arciero, M. I. Goran, E. T. Poehlman, Журнал прикладної фізіології, 1993 вип. 75 ні 6 2514-2520.
[2] Церебральні метаболічні ефекти словесного тесту на вільність: дослідження ПЕТ-сканування. J Clin Exp Нейропсихол. 1988 жовтня; 10 (5): 565-75.
[3] Метаболізм глюкози в мозку людини може еволюціонувати під час активації: висновки модифікованої парадигми FDG PET. NeuroImage, Том 33, випуск 4, грудень 2006 р., С. 1036–1041.
[4] Когнітивний попит та рівень глюкози в крові. Фізіол Бехав. 2001 липень; 73 (4): 585-92.
[5] Метаболічний показник розумових зусиль. Biol Psychol. 2004 квітня; 66 (2): 177-90.
[6] Оцінка гіпотези "розумових зусиль" для кореляції між метаболізмом кори та інтелектом. Інтелект, Том 21, Випуск 3, листопад - грудень 1995 р., С. 267–278.
[7] Поліпшення глюкози в пам’яті: огляд. Європейський фармакологічний журнал, Том 490, випуски 1–3, 19 квітня 2004 р., С. 33–57.
[8] Вплив гострих підказок фізичних вправ на пізнання. Acta Psychol (Amst). 2003 р.; 112 (3): 297-324.
[9] Вплив гострої бігової доріжки на пізнавальний контроль та навчальні досягнення у дітей дошкільного віку. Неврологія. 2009 р., 31 березня; 159 (3): 1044-54. Epub 2009 3 лютого.
[10] Вуглеводи та психічна функція: харчування або перешкоджання роботі мозку? Е. Л. Гібсон, Бюлетень з питань харчування, Том 32, Додаток до випуску s1, с. 71–83, 2007.
[11] Зондування вуглеводів у роті людини: вплив на ефективність фізичних вправ та діяльність мозку. J Фізіол. 2009 р., 15 квітня; 587 (Pt 8): 1779-94. Epub 2009 23 лютого.
[12] Психічна втома, дивна фізична працездатність у людей. Журнал прикладної фізіології, 2009, вип. 106, ні. 3 857-864.
[13] Глікемічна нестабільність та спонтанне споживання енергії: асоціація з роботою, заснованою на знаннях. Психосом Мед. 2008 вересень; 70 (7): 797-804. Epub 2008 25 серпня.