مغز ما زمان فکر کردن چه مقدار انرژی مصرف می‌کند؟_اسپایدر

به نقل از بهداشت نیوز، شارنا جمادار متخصص علوم اعصاب در دانشگاه موناش استرالیا به همراه با همکارانش در سراسر جهان، پژوهش‌های انجام‌شده در آزمایشگاه خود و دیگر نقاط جهان را مرور کردند تا هزینه‌ی متابولیک فرآیندهای شناختی، یعنی مقدار انرژی مورد نیاز برای فعالیت‌های شناختی مغز را تخمین بزنند.

نتیجه‌ی شگفت‌انگیز این می بود که ماموریت های فکریِ موثر و پر تلاش، تنها ۵ درصد انرژی بیشتری نسبت به فعالیت‌های مغزی در حالت استراحت مصرف می‌کنند؛ به عبارت دیگر، هنگامی با تمرکز فکر می‌کنیم، مغزمان تنها اندکی زیاد تر از حالت عادی انرژی مصرف می‌کند.

ما طبق معمولً فکر می‌کنیم که انرژی ذهنیمان صرف دقت و تمرکز فشرده می‌بشود؛ اما پژوهش تازه، با درنظرگرفتن مطالعات شبیه، در حال تحکیم این دیدگاه است که قسمت عمده‌ای از کارکرد مغز، صرف نگهداری و تنظیم حالت بدن می‌بشود.

در حالی که تعداد بسیاری از متخصصان علوم اعصاب در قبل زیاد تر بر جنبه‌های فعال و بیرونی شناخت، همانند دقت، حل قضیه، حافظه‌ی کاری و تصمیم‌گیری تمرکز کرده‌اند، اکنون روشن شده که پشت‌صحنه‌ی ذهن ما یک کندوی نهان از فعالیت دائمی است.

مغز ما سیستم‌های فیزیولوژیکی حیاتی بدن را تنظیم می‌کند، منبع های را به نقاط مورد نیاز تعلق می‌دهد و هم‌زمان به نیازهای آگاهانه و ناآگاهانه‌ی ما در محیط همیشه در حال تحول جواب می‌دهد. جردن تریو، متخصص علوم اعصاب در دانشگاه نورث‌ایسترن که در پژوهش شرکت نداشته است، می‌گوید:

بر پایه باوری عمومی، مغز برای فکر کردن است؛ اما ازنظر متابولیکی، زیاد تر انرژی مغز صرف مدیریت بدن، تنظیم و هماهنگی بین اندام‌ها و کنترل این سیستم پرهزینه‌ای می‌بشود که به آن متصل است و درعین‌حال باید در یک محیط خارجی پیچیده نیز عمل کند.

 شارنا جمادار، متخصص علوم اعصاب، داده‌های حاصل از تصویربرداری همزمان MRI و PET را برای تخمین مقدار مصرف انرژی مغز گردآوری کرد.

مغز تنها یک ماشین تفکر نیست، بلکه ساختاری تکاملی به حساب می اید و به همین علت، محدود به بودجه‌ی انرژی محدود یک سیستم زیستی است؛ از این رو، حس خستگی زمان فکر کردن، لزوماً به این معنی نیست که انرژیتان همه شده، بلکه به این علت است که بدن شما درطول تکامل، برای نگه داری منبع های خود آموزش دیده است.

پژوهش جاری درمورد سوخت‌وساز عصبی، هنگامی با پژوهش‌هایی در رابطه دینامیک شلیک الکتریکی مغز ترکیب بشود، به نیروهای متضاد تکاملی اشاره دارد که محدودیت‌ها، گستره و کارایی‌های توانایی شناختی ما را توضیح خواهند داد.

هزینه‌ موتور پیش‌بینی‌گر

مغز انسان برای فعالیت خود هزینه‌ی زیاد بالایی دارد. این ساختار، در حالی‌ که تنها نزدیک به دو درصد از وزن بدن را راه اندازی می‌دهد، نزدیک به ۲۰ درصد از انرژی آن را مصرف می‌کند. جمادار می‌گوید: «مغز از نظر متابولیکی تقاضای بسیار بالایی دارد.» برای نوزادان، این عدد حتی به ۵۰ درصد می‌رسد.

مغز انرژی خود را از مولکولی به نام آدنوزین تری‌فسفات (ATP) فراهم می‌کند که سلول‌ها آن را از گلوکز و اکسیژن تشکیل می‌کنند. شبکه‌ای گسترده از مویرگ‌های باریک (نزدیک به ۶۴۰ کیلومتر رگ‌های خونی) در بافت مغز درهم‌تنیده شده‌اند تا خون غنی از گلوکز و اکسیژن را به نورون‌ها و دیگر سلول‌های مغزی برسانند. هنگامی ATP درون سلول‌ها تشکیل می‌بشود، ربط بین نورون‌ها را تغذیه می‌کند که همان کارکرد مهم مغز است.

مغزی که در حال انجام کار فعال است، تنها ۵ درصد انرژی زیاد تر نسبت به حالت استراحت مصرف می‌کند

نورون‌ها سیگنال‌های الکتریکی را به سیناپس‌های خود می‌فرستند؛ جایی که امکان تبادل مطلب‌های مولکولی بین سلول‌ها فراهم می‌بشود. قوت این سیگنال‌ها اشکار می‌کند که آیا نورون مولکول‌ها را آزاد یا شلیک می‌کند یا خیر. اگر این شلیک انجام بشود، سیگنال مولکولی تعیین می‌کند که آیا نورون بعدی نیز مطلب را منتقل خواهد کرد یا نه؟ و این روال ادامه اشکار می‌کند.

نگه داری پتانسیل‌های غشایی، یعنی ولتاژهای پایدار در غشای نورون که ضمانت می‌کند سلول در صورت لزوم آماده‌ی شلیک است، حداقل نیمی از بودجه‌ی انرژی مغز را به خود تعلق می‌دهد. اندازه‌گیری مستقیم ATP در مغز انسان فرآیندی زیاد تهاجمی و دشوار است؛ به این علت، جمادار و همکارانش برای مطالعه خود به مرور پژوهش‌هایی پرداختند که از راه حلهای غیرمستقیم منفعت گیری کرده‌اند؛ برای مثال اندازه‌گیری مصرف گلوکز از طریق پت اسکن (PET) و ثبت جریان خون که با اف‌ام‌آر‌آی (fMRI)، برای بازدید تفاوت مصرف انرژی در میانه فعالیت و در حالت استراحت مغز به کار رفتند.

جمادار می‌گوید PET و fMRI در کنار هم می‌توانند اطلاعات تکمیلی از مصرف گلوکز در مغز اراعه دهند. یقیناً این بازدید نمی‌تواند کل مصرف انرژی مغز را نشان دهد؛ چون بافت‌های عصبی می‌توانند برخی اسیدهای آمینه را هم به ATP تبدیل کنند، اما بیشتر از ۹۰ درصد ATP مغز از طریق سوخت‌وساز گلوکز تشکیل می‌بشود.

 به باور جردن تریو، عصب‌شناس دانشگاه نورث‌ایسترن، مغز یک موتور پیش‌بینی‌گر است که دائماً برای آینده برنامه‌ریزی می‌کند.

تحلیل جمادار نشان داد مغزی که در حال انجام کار فعال است، تنها ۵ درصد انرژی زیاد تر نسبت به حالت استراحت مصرف می‌کند. هنگامی ما در حال انجام کاری موثر و دشوار همانند بازدید برنامه اتوبوس در یک شهر تازه هستیم، مقدار شلیک نورونی در نواحی یا شبکه‌های مرتبط مغز (برای مثالً نواحی پردازش بصری و زبانی) افزایش می‌یابد. این فعالیت اضافه همان ۵ درصد انرژی زیاد تر را شامل می‌بشود و ۹۵ درصد باقی‌مانده صرف بار پایه‌ای سوخت‌وساز مغز می‌بشود.

پژوهشگرها تا این مدت دقیق نمی‌دانند که بار پایه‌ی مصرف انرژی مغز چطور توزیع می‌بشود؛ اما درطول چند دهه‌ی قبل، آن‌ها فهمیدن بهتری از کارهایی که مغز در بعد‌عرصه انجام می‌دهد، به‌دست آورده‌اند. جمادار می‌گوید:

از نزدیک به اواسط دهه ۹۰ میلادی، به‌گفتن یک رشته علمی اغاز به فهمیدن این نوشته کردیم که هنگامی فردی در حالت استراحت دراز کشیده و به‌صورت آشکار مشغول انجام کاری نیست، در واقع حجم بسیاری از فعالیت‌ها در مغز او در حال انجام است. قبلاً فکر می‌کردیم فعالیت‌های جاریِ در حالت استراحت که مرتبط با کار خاصی نیستند، نوعی نویز یا اختلال‌اند؛ اما اکنون می‌دانیم که سیگنال‌های بسیاری در همین نویز وجود دارد.

قسمت بسیاری از آن سیگنال‌ها مربوط به «شبکه‌ی حالت پیش‌فکر» است. این شبکه وقتی فعال می‌بشود که ما در حال استراحت هستیم یا فعالیت ظاهری خاصی نداریم. این چنین در توانایی‌ی ذهنی ما برای پرسه‌زنی بین قبل، حال و آینده نقش دارد: برای مثالً فکر کردن به این که برای شام چه بپزیم، به‌یاد آوردن خاطره‌ای از هفته‌ی قبل یا حس درد در مفصل لگن.

علاوه بر این، در سطح زیرین آگاهی، مغز ما در حال پایش مجموعه‌ای از متغیرهای فیزیکی بدن همانند دمای بدن، سطح قند خون، ضربان قلب، تنفس و غیره است؛ متغیرهایی که باید در حالت پایداری به ‌نام «هم‌ایستایی» (هومئوستاز) باقی بمانند تا ما زنده بمانیم. اگر هرکدام بیشتر از حد تحول کند، حالت بدن می‌تواند به شدت بحرانی بشود.

تریو گمان می‌زند که بیشترین قسمت از بار پایه‌ی متابولیک مغز صرف «پیش‌بینی» می‌بشود. مغز برای این که بتواند اهداف هومئوستاتیکی خود را نگه داری کند، باید همیشه در حال برنامه‌ریزی برای آینده باشد. یا به عبارتی مدلی پیچیده از محیط را بسازد و پیش‌بینی کند که تغییرات این محیط چطور می‌توانند بر سیستم‌های زیستی بدن تأثیر بگذارند. او می‌گوید: «پیش‌بینی و نه عکس العمل، به مغز امکان می‌دهد تا منبع های را به‌طور مؤثر بین قسمت‌های بدن تخصیص دهد.»

زاهد پادامسی، عصب‌شناس، پژوهش‌هایی را درمورد‌ی چگونگی تأثیر دسترسی به انرژی یا غذا بر تکامل مغز انجام داده است.

محدودیت‌های تکاملی مغز

افزایش ۵ درصدی در مصرف انرژی زمان تفکر فعال امکان پذیر زیاد به‌نظر نرسد، اما در مقیاس کل بدن و درنظرگرفتن این که مغز چه مقدار پرمصرف است، این عدد می‌تواند زیاد دیدنی باشد. هنگامی شرایط سخت گذشتگان ما را در نظر بگیرید، حس خستگی در آخر یک روز دشوار، کاملاً منطقی به نظر می‌رسد. پادامسی، عصب‌شناس در مؤسسه‌ی پزشکی ویل کرنل در قطر می‌گوید:

علت خستگی شما، دقیقاً همانند خستگی بعد از فعالیت بدنی، این نیست که کالری کافی ندارید. بلکه به این خاطر است که سیستم بدن ما به‌شدت صرفه‌جو طراحی شده، ما در محیط‌هایی با افتانرژی تکامل یافته‌ایم، به این علت از مصرف انرژی متنفر هستیم.

دنیای مدرن که در آن کالری برای تعداد بسیاری از افراد به‌راحتی در دسترس است، تضاد بسیاری با شرایط سخت و کم‌منبع انسان خردمند دارد. همان افزایش ۵ درصدی در مصرف انرژی، اگر در زمان ۲۰ روز با تمرکز مستمر بر یک کار جستوجو بشود، می‌تواند معادل انرژی فکری کل یک روز باشد. اگر غذا به سختی اشکار بشود، همین افزایش جزئی می‌تواند بین زنده‌ماندن و مرگ تفاوت تشکیل کند. پادامسی می‌گوید:

اگر شما نرخ سوختن انرژی را محدود نکنید، این افزایش در طول زمان می‌تواند زیاد مهم باشد. به همین خاطر مغز سازوکارهایی برای جلوگیری از افراط در مصرف انرژی دارد؛ یعنی مکانیسم‌هایی که علتاحساس خستگی خواهد شد و جلوی مصرف زیاد تر انرژی را می‌گیرند.

پادامسی برای فهمیدن بهتر محدودیت‌های انرژی، در سال ۲۰۲۳ پژوهش‌هایی را درمورد ویژگی‌های خاص انتقال سیگنال‌های الکتریکی مغز خلاصه‌سازی کرد که گرایش تکاملی به منفعت‌وری انرژی را نشان خواهند داد. برای مثالً امکان پذیر فکر کنید هرچه اطلاعات سریع تر منتقل بشود، بهتر است؛ اما نرخ بهینه‌ی انتقال اطلاعات در مغز زیاد پایین‌تر از آن چیزی است که انتظار می‌رود.

از نظر تئوری، بیشینه شدت انتقال سیگنال یک نورون نزدیک به ۵۰۰ هرتز است؛ اما اگر نورون‌ها واقعاً با این شدت سیگنال بفرستند، سیستم به‌شدت از کنترل خارج می‌بشود. نرخ بهینه‌ی اطلاعات، یعنی سریع‌ترین نرخی که در آن نورون‌ها تا این مدت می‌توانند مطلب‌های یکدیگر را تشخیص دهند، نزدیک به ۲۵۰ هرتز است.

از نظر تئوری بیشینه شدت انتقال سیگنال یک نورون نزدیک به ۵۰۰ هرتز است

بااین‌حال، نورون‌های ما به‌طور متوسط فقط با نرخ ۴ هرتز فعال خواهد شد؛ یعنی ۵۰ تا ۶۰ برابر کمتر از آنچه برای انتقال بهینه اطلاعات مناسب است. فراتر از این، تعداد بسیاری از انتقال‌های سیناپسی با ناکامی روبه رو خواهد شد. حتی وقتی که سیگنال الکتریکی به سیناپس می‌رسد و آن را آماده می‌کند تا مولکول‌هایی را به نورون بعدی بفرستد، تنها در ۲۰ درصد موارد این انتقال واقعاً رخ می‌دهد؛ اما علت این قضیه چیست؟ چون ما برای «حداکثر کردن اطلاعات منتقل‌شده» تکامل نیافته‌ایم. پادامسی می‌گوید:

ما برای حداکثر کردن اطلاعات در ازای هر ATP مصرفی تکامل یافته‌ایم. این معادله کاملاً متغیری است. یعنی بهینه‌سازی برای بیشترین اطلاعات با کمترین مصرف انرژی (بیت بر ATP) و در این حالت، نرخ مطلوب شلیک نورون‌ها کمتر از ۱۰ هرتز است.

در نهایت، مغز بزرگ و پیچیده‌ی انسان، سطح بی‌سابقه‌ای از انعطاف و پیچیدگی رفتاری را فراهم می‌کند، اما به بهای سنگین مصرف انرژی. این بده‌بستان بین انعطاف‌پذیری مغز و محدودیت‌های زیستی سیستم بدن، مبنا چگونگی انتقال اطلاعات، علت خستگی ذهنی ما بعد از تمرکز و تلاش بی‌وقفه‌ی مغز برای زنده نگه‌داشتن ما است. این که مغز، با وجود این محدودیت‌ها، تا این مدت این‌همه کار انجام می‌دهد، واقعاً جای شگفتی دارد.

منبع: زومیت