Сколько калорий потребляет мозг? Можно ли повысить потребление умственной работой?

Судя по всему, мозг потребляет примерно одинаковое количество калорий вне зависимости от напряженности своей работы. В отличие от физических упражнений, тренировки мозга не приводят к повышению потребления им калорий – к такому выводу пришли ученые. Но почему тогда мы испытываем усталость после сложного теста? Поможет ли сахар улучшить работу мозга? А физическая активность?

Тренировки для головного мозга вряд ли требуют повышенных затрат энергии. Однако уверенность в том, что мозг истощен активной работой, тем не менее, может вызвать чувство усталости.

И тем не менее: вспомните себя после напряженного экзамена… К примеру американские школьники чувствуют себя полностью истощенными после сдали теста SAT (Scholastic Aptitude Test). «Я крепко заснула, как только вернулась домой», – рассказывает Ikra Ahmad, которая давала интервью для статьи про «SAT-похмелье», опубликованной в блоге The Local газеты New York Times.

Временное истощение умственной деятельности является реально существующим и распространенным явлением. Важно отметить, что оно отличается от синдрома хронической усталости, ассоциирующегося с регулярными нарушениями сна и некоторыми медицинскими расстройствами. Умственная усталость ощущается ежедневно, на подсознательном уровне. Естественно, что напряженная мыслительная деятельность и повышенная концентрация требуют больше энергии, чем обычная работа мозга. Так же, как энергичные физические упражнения приводят к утомлению наших тел, интеллектуальное напряжение по идее должно опустошать разум.

Но по данным последних научных исследований, популярный взгляд на понятие умственного истощения является слишком упрощенным. Мозг постоянно поглощает энергию в огромных для органа такого размера количествах, независимо от того, берем ли мы интегралы или кликаем еженедельный топ-10 забавных фотографий котиков.

И хотя активизация нейронов требует повышенного поступления крови, кислорода и глюкозы, локальные всплески потребления энергии – мелочь по сравнению с естественной прожорливостью самого мозга.

То есть, в большинстве случаев короткие периоды дополнительных умственных усилий требуют лишь небольшого увеличения мощности головного мозга по сравнению с его обычным состоянием, не более того.

Однако в большинстве лабораторных экспериментов состояние добровольцев не подвергалось оценке после многочасовых упражнений в умственной акробатике. Но что-то должно объяснять чувство умственного истощения, даже если физиология этого процесса отличается от механизма накопления физической усталости. Проще всего считать, что наши мозги расходуют так много сил, что этого достаточно, чтобы сделать нас вялыми.

Несмотря на то, что вес головного мозга взрослого человека в среднем составляет около 1,4 кг, то есть только 2% от общей массы тела, на него приходится 20% от общего уровня метаболизма в состоянии покоя (RMR, resting metabolic rate), то есть от общего количества энергии, которое наше тело расходует за один очень «ленивый» день без особой активности.

RMR варьируется от человека к человеку и зависит от возраста, пола, физических параметров и состояния здоровья. Предположим, что в среднем RMR составляет 1300 ккал, тогда мозг потребляет 260 ккал только для того, чтобы содержать себя. Получается, что мозг потребляет 10,8 ккал в час.

Минимальные математические расчеты позволяют преобразовать это число в меру мощности:

Если за основу взять уровень метаболизма среднего человека (RMR): 1300 ккал,
1300 ккал за 24 часа = 54,16 ккал в час = 15,04 кал в секунду
15,04 калорий в секунду = 69,23 Дж/сек = около 63 Ватт
20% (доля мозга) от 63 Ватт = 12,6 Ватт.

Таким образом, для работы типичного мозга взрослого человека требуется 12 Вт – примерно столько энергии нужно для работы одной энергосберегающей лампочки.

На фоне других органов мозг кажется прожорливым; но он удивительно эффективен по сравнению с созданными людьми электронными устройствами. IBM Watson, суперкомпьютер, который выиграл телевикторину Jeopardy!, состоит из 90 серверов IBM Power 750, каждый из которых потребляет около 1000 Вт. При этом этому компьютеру еще довольно далеко до вычислительной скорости человеческого мозга.

Энергия подается в мозг по кровеносным сосудам в виде глюкозы, которая транспортируется через гематоэнцефалический барьер и используется для производства аденозинтрифосфата (АТФ), основной энергетической валюты внутри клеток, получаемой химическим путем.

Эксперименты как на животных, так и на людях показали, что, когда активизируются нейроны в определенном участке головного мозга, местные капилляры расширяются, чтобы доставить туда больше, чем обычно, крови с дополнительной глюкозой и кислородом. Эта реакция делает возможной нейровизуализацию процесса: функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) основана на уникальных магнитных свойствах крови, текущей по сосудам по направлению к и от активированных нейронов.

Пример визуализации активности мозга при движении правым (2 верхних фото) и левым (2 нижних) указательными пальцами:

Исследования подтвердили, что расширившиеся кровеносные сосуды обеспечивают приток дополнительной глюкозы, которую жадно поглощают клетки мозга.

Следуя логике полученных выводов, ученые выдвинули следующую теорию: если активизация нейронов требует дополнительного поступления глюкозы, то особенно сложные головоломки должны понижать уровень глюкозы в крови, а кроме того, продукты, богатые углеводами, должны повышать производительность решения таких задач. И хотя немало исследований подтвердили эти предположения, в целом полученные результаты разнятся и в большинстве случаев изменения уровня глюкозы колеблются в диапазоне от незначительных до небольших.

В исследовании Нортумбрийского университета, например, добровольцы, которые выполняли серию вербальных и числовых заданий показали большее падение уровня глюкозы в крови, чем люди, которые просто нажимали на клавиши. В том же исследовании сладкий напиток повышал производительность при выполнении одной из задач, но не влиял на остальные.

В Ливерпульском университете им. Джона Мурса добровольцы проходили 2 варианта теста Струпа (Stroop task), в котором требовалось определить цвет чернил отпечатанного на принтере слова, не читая само слово.

В одном из вариантов цвет слова и его значение совпадали: «синий» было напечатано синими чернилами; в более сложном варианте предлагалось слово «синий», напечатанное зеленой или красной краской.

У добровольцев, выполнявших более сложную задачу, уровень глюкозы в крови снижался сильнее, что было интерпретировано исследователями, в результате повышенных умственных усилий.

Некоторые исследования показали, что люди, плохо решающие определенные задачи, прилагают больше умственных усилий и тратят больше глюкозы, а, с другой стороны, чем более вы профессиональны в данной области, тем более эффективен ваш мозг и тем меньше глюкозы ему требуется.

Осложняет ситуацию то, что, по крайней мере, одно исследование утверждает, что, напротив, более «продвинутый» мозг требует больше энергии.

Неудовлетворительные и неоднозначные выводы исследований роли глюкозы подчеркивают, что потребление энергии в головном мозге – это не просто вопрос приложения умственных усилий, высасывающих из организма доступную энергию.

Клод Мессье (Claude Messier) из Университета Оттавы проанализировал множество подобных исследований. Они не смогли убедить его в том, что выполнение какой-либо когнитивной задачи меняет уровень глюкозы в головном мозге или в крови.

Теоретически, да, решение более сложной умственной задачи требует большей энергии, так как при этом развивается большая нейронная активность, – объясняет он. – Но когда люди решают одну задачку, вы не увидите существенного увеличения потребления глюкозы на значимый процент от общего уровня. Базовый уровень работы мозга сам по себе требует много энергии – даже в фазе медленного сна с минимальной мозговой деятельностью базовый уровень потребления глюкозы остается довольно высоким».

Большинству органов не требуется много энергии для поддержания своего «домашнего хозяйства» в базовом состоянии. Но мозг должен поддерживать в активном состоянии определенные концентрации заряженных частиц для прохождения через мембраны миллиардов нейронов, даже когда они не находятся в возбужденном состоянии. А так как такая поддержка требуется постоянно и обходится мозгу дорого, у него, как правило, находится энергия, необходимая для выполнения небольших дополнительных работ.

Авторы других обзоров пришли к аналогичным выводам. Роберт Курцбан (Robert Kurzban) из Университета Пенсильвании указывает на исследования, демонстрирующие, что умеренные физические нагрузки улучшают способность людей к концентрации.

В одном из исследований, например, дети, которые ходили в течение 20 минут на беговой дорожке, показали лучшие результаты в тесте на академическую успеваемость, чем дети, которые спокойно читали перед экзаменом. Если бы умственные усилия и способности напрямую зависели бы от уровня доступной глюкозы, то дети, которые активно двигались и при этом сожгли больше энергии, должны были бы показать худшие результаты, чем их сверстники, находившиеся в состоянии покоя.

Зависимость потребления энергии от степени сложности поставленных умственных задач «проявляется слабо и, видимо, зависит от индивидуальных различий в прилагаемых усилиях, степени вовлеченности и имеющихся ресурсов, которые могут быть связаны с такими переменными, как возраст, личные характеристики и обмен глюкозы», – пишет Ли Гибсон (Leigh Gibson) из Университета Роухэмптон в обзоре, посвященном углеводам и умственной деятельности.

И Гибсон, и Мессье приходят к выводу, что когда человек имеет проблемы с поддержанием уровня глюкозы в пределах нормы или ограничивает себя в еде на протяжении длительного времени (например, постится), сладкий напиток или пища могут улучшать производительность мозга при решении определенных задач на память.

Но у большинства людей организм с легкостью предоставляет ту небольшую добавку глюкозы, в которой нуждается мозг в ходе приложения дополнительных умственных усилий.

Если сложные когнитивные задачи требуют лишь небольшого увеличения объемов топлива для мозга, чем его обычное состояние, то как объяснить ощущение умственного истощения после сдачи SAT или аналогичного изнурительного умственного марафона?

Как вариант: поддержание непрерывного состояния сосредоточения или навигация в заданном интеллектуальном пространстве на протяжении нескольких часов действительно сжигает достаточно энергии, чтобы оставалось чувство опустошения. Однако исследователи не подтвердили эту версию, потому что просто не пробовали создавать достаточно жесткие условия для своих добровольцев.

В большинстве экспериментов участники выполняют единственную задачу умеренной сложности, причем время выполнения редко превышает 1-2 часа. «Может быть, если мы загрузим их больше и заставим людей делать те вещи, которые у них плохо получаются, мы получим более точные результаты», – считает Мессье.

Не менее важным, чем продолжительность умственной нагрузки, является отношение человека к ней. Просмотр захватывающего биографического фильма с закрученным сюжетом активизирует множество различных участков головного мозга на добрых 2 часа, однако обычно зрители не выползают из кинотеатра с жалобами на умственное истощение.

Некоторые люди регулярно сворачиваются клубочком с романом, написанным таким убористым шрифтом, что другие в отчаянии швырнули бы его через всю комнату. Заполнение сложного кроссворда или решение судоку воскресным утром обычно не убивает способность сосредотачиваться в течение всего остального дня – более того, некоторые утверждают, что это даже обостряет их ум. Короче говоря, в обычной жизни интеллектуальная активность доставляет людям наслаждение и бодрит, не заставляя их страдать от умственного истощения.

Похоже, что утомление с гораздо большей вероятностью наступает в результате продолжительного умственного усилия, которое мы прилагаем, не рассчитывая на удовольствие – например, обязательный тест SAT – особенно, если мы ожидаем, что испытание истощит наш мозг. Если мы думаем, что экзамен или задание будут трудными, так оно часто и случается.

Этот вывод очень хорошо перекликается с фееричным текстом врача Андрея Беловешкина о дофаминоной системе, как банке мозга и выделении дофамина (гормона удовольствия) только по значимым для него причинам.

Исследования показали, что нечто подобное происходит, когда люди занимаются спортом: в значительной мере физическое истощение – в наших головах. В соответствующих исследованиях добровольцы, которые занимались на велотренажере после прохождения сложного 90-минутного теста на концентрацию внимания, бросали педали от истощения раньше, чем те, кто перед физнагрузками смотрели эмоционально нейтральные фильмы.

И хотя тесты на внимание потребляли не намного больше энергии, чем просмотр фильмов, добровольцы сообщали, что чувствуют себя менее энергичными. Это чувство было достаточно сильным, чтобы уменьшить их физическую работоспособность.

В конкретном случае с тестом SAT есть кое-что, выходящее за пределы чистого умственного усилия и, вероятно, вносящее свой вклад в пост-экзаменационный ступор – стресс.

В конце концов, мозг работает не в вакууме. Другие органы тоже сжигают энергию. Сдача экзамена, который определяет, где человек проведет следующие 4 года, сама по себе является достаточно нервирующим событием, чтобы запустить в кровь гормоны стресса, которые вызывают потливость, повышают частоту сердечных сокращений, заставляют вертеться и принимать неудобные позы. SAT и другие подобные испытания не только изнурительны психически – они также приводят к физическому истощению.

Согласно небольшому, но показательному исследованию, незначительные по уровню стресса интеллектуальные задачи тоже меняют наше эмоциональное состояние и поведение, даже если они практически не влияют на метаболизм головного мозга.

14 студенток Канадского колледжа во время подведения итогов пройденного теста или сидели без дела, или проходили серию компьютерных тестов на внимание и память – за 45 минут до пиршества в формате «шведский стол». Студенты, которые упражняли свой головной мозг, съели в среднем на 200 ккал больше, чем студенты, которые перед этим расслаблялись.

Уровень глюкозы в крови у проходивших тесты студентов также колебался больше, чем у студентов, которые сидели просто так – какую-либо последовательность колебаний выявить не удалось. Однако и уровень гормона стресса кортизола был значительно выше у студентов, чьи мозги были заняты, как и частота их сердечных сокращений, артериальное давление и самооценка уровня тревожности. Весьма вероятно, что эти студенты ели больше не потому, что их изнуренный мозг нуждался в дополнительном топливе; скорее, они просто заедали стресс едой.

Мессье предложил следующее объяснение повседневным приступам умственной усталости: «Моя основная гипотеза состоит в том, что головной мозг – это ленивый дурак, – говорит он. – Ему тяжело фокусироваться на чем-то одном на протяжении достаточно длительного времени. Возможно, что поддержание состояния концентрации приводит к определенным изменениям в головном мозге, которые заставляют его избегать подобных состояний. Это, может быть, своего рода, таймер, который говорит: “Ок, теперь ты это сделал”. 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.