Каково влияние умственной деятельности на энергозатраты головного мозга человека?
Меня больше всего интересуют интеллектуально сложные задачи (например, шахматные партии, решение головоломки, сдача сложного экзамена) по сравнению с задачами с аналогичной позицией, но менее требовательными (например, чтение газеты, просмотр телевизора).
Я слышал, что потребление энергии остается удивительно постоянным независимо от умственной деятельности (а потребление энергии можно объяснить учащенным сердцебиением из-за стресса). Однако это, кажется, противоречит таким методам, как фМРТ, где измеряется изменение метаболизма (если только относительное изменение не очень мало).
Потребление энергии не сильно различается между отдыхом и выполнением задач, как описано в обзоре Маркуса Райхла и Марка А. Минтуна :
У среднего взрослого человека мозг составляет примерно 2% от общей массы тела, но примерно 20% потребляемой энергии (Clark & Sokoloff, 1999), что в 10 раз больше, чем предсказывает только его вес. По сравнению с этим высоким уровнем текущего или «базального» метаболизма (обычно измеряемого во время спокойного бодрствования с закрытыми глазами) количество сигналов, связанных с региональными визуализирующими сигналами, вызванными задачей, удивительно мало.
Региональное увеличение абсолютного кровотока, связанное с визуализирующими сигналами, измеренное с помощью ПЭТ, редко превышает 5-10% кровотока в состоянии покоя. Это умеренные модуляции текущей циркуляторной активности, которые редко влияют на общую скорость мозгового кровотока даже во время наиболее возбуждающей перцептивной и активной двигательной активности (Fox et al., 1987, Friston et al., 1990, Lennox, 1931, Madsen et al., 1995, Роланд и др., 1987, Соколофф и др., 1955).
[...]
Зная эти взаимосвязи, можно оценить, что если кровоток и утилизация глюкозы увеличиваются на 10%, а потребление кислорода не увеличивается, увеличение локального потребления энергии из-за типичной реакции, связанной с задачей, может составлять всего 1%. Становится ясно, что мозг непрерывно расходует значительное количество энергии даже в отсутствие конкретной задачи (т. е. когда субъект бодрствует и находится в состоянии покоя).
Такие методы, как фМРТ, измеряют относительно небольшие различия, их существование не противоречит утверждению о том, что потребление энергии мозгом не сильно меняется между состоянием покоя и выполнением какой-либо деятельности.
Я ответил по факту на этот вопрос уже на скептиках.SE, здесь и здесь . Вы должны очень внимательно прочитать обе статьи, я выделил самые важные факты, но это очень сложный вопрос, особенно. когда дело доходит до определения того, что такое умственная деятельность. В документах также дается объяснение того, как сигнал фМРТ связан с НЕЙРОНАЛЬНОЙ активностью, насколько я помню, прямой прямой связи нет.
Вы предполагаете в своем вопросе, что математик, решающий дифференциальное уравнение, нуждается в более высокой мыслительной деятельности, чем ребенок, читающий книгу. Это законно? Это кажется интуитивным, но также и очень субъективным. В статье упоминается, что при наибольшем и наименьшем расходе энергии мы теряем сознание.Я не буду делать из этого выводы. Однако вы говорите о сознательной умственной деятельности, так что это может ответить на ваш вопрос. Для меня важнее то, что понимание человеческого мозга в нейробиологии находится на уровне резерфордовской атомной модели в физике начала 20-го века. На самом деле мы понятия не имеем, как обрабатывается информация и как она ограничивается физическими законами и принципами энтропии и энергии. При чтении двух статей создается впечатление, что человеческий мозг не увеличивает потребление энергии, как компьютер (аналогия с компьютером в значительной степени не работает по сравнению с человеческим мозгом). Большая часть энергии расходуется на бессознательные процессы в «дежурном режиме».
Как и в физике, крайние случаи, такие как ученые и умственно отсталые, вероятно, являются лучшей отправной точкой для исключения возможных моделей человеческого мозга и физических граничных условий, поскольку мы не можем подходить к вопросам человеческого мозга редукционистским путем. Как умные люди могут любить Ким Пикобрабатывать такие огромные объемы информации И сохранять ее. Он может сканировать книжные страницы только один раз и после этого знать их наизусть. Однако его мозг не потребляет больше энергии, чем средний человеческий мозг. Таким образом, умственная деятельность, вероятно, не очень хороший термин, величина или даже не совсем подходит для научного использования. Означает ли нейронная активность умственную деятельность (в смысле вашего определения?) Читая статьи, проблема заключается в разделении умственной и нейронной активности. Сначала вы должны знать, какие основные функции и процессы мозга потребляют больше всего энергии. Однако мозг не построен по модульному принципу, как компьютер (большая часть энергии здесь используется для постоянного обновления оперативной памяти). Так что на самом деле нет объективного способа проанализировать и разделить это модульное энергопотребление,если он даже модульный .
На мой взгляд, большинство моделей обработки информации в человеческом мозгу основаны на интуитивном предположении (опять же Резерфорд). Нам нужны гораздо более подробные эксперименты и данные (Проект Blue Brain). fMRi похож на анализ атома с помощью увеличительного стекла. Кроме того, более благополучный подход с биофизической точки зрения — это, вероятно, не уровень «умственной активности», а жестко обоснованный объем информации, обрабатываемый человеческим мозгом и связанный с ним расход энергии (Ким Пик). Но поэтому нам нужна модель того, как эта информация сохраняется в человеческом мозгу. Сохраняют ли нормальные люди ту же информацию, что и Ким Пик, просматривающий страницу, или мы просто не можем вспомнить ее сознательно? При решении дифференциального уравнения сколько энергии вы тратите, вспоминая факты, и не похоже ли это на чтение книги? Сколько стоят умственные логические задачи и есть ли вообще разница?
Я остановлюсь здесь, надеюсь, вы поняли, что вопрос, конечно, важен, но слишком рано, чтобы дать окончательный ответ. Я думаю, что мы узнаем гораздо больше из таких проектов, как Blue Brain, как и из экспериментов фМРТ.
Этот ответ тесно связан с классическим мифом
Мы используем только 10% мощности нашего мозга
Как и во многих прописных истинах, в нем есть доля правды. Большие области мозга специализируются на таких задачах, как зрительная и моторная кора. Известно, что другие области отвечают за пространственную память (гиппокамп) и эмоциональное обучение (амигдала). Функции высшего порядка, которые вы описываете, классически возлагаются на префронтальную кору, но это мало что значит.
Поскольку во всем мозге существует некоторый уровень функциональной специфичности, упомянутые вами фМРТ-исследования обычно рассматривают многие участки мозга (почти) одновременно. Затем они сравнивают относительную активацию в разных областях в разных условиях и сообразительны в том, как они строят свои эксперименты, чтобы определить, какие области связаны с какими реакциями.
Наиболее распространенным методом измерения активности является ответ BOLD, который измеряет состояние оксигенации гемоглобина в качестве косвенного показателя количества крови, поступающей в область, при условии, что там существует высокая метаболическая потребность. Для целей этого обсуждения это довольно полезно, поскольку доставка глюкозы должна быть разумным показателем метаболической потребности, даже если она имеет ограничения, когда дело доходит до прогнозирования нервной активности.
Итак, какие области метаболически более активны при выполнении когнитивной деятельности? В этом исследовании они проверяют именно это. Их основной вывод заключается в том, что шахматы действительно повышают умственную активность в определенных областях мозга, особенно в теменных и затылочных долях, в условиях реальной игры, и что активация была относительно двусторонней между левым и правым полушариями. Я только что просмотрел его, но похоже, что авторы были удивлены тем, что активация была менее префронтальной и более зрительно-пространственной.
Я считаю, что это подтверждает логический вывод: мышление требует энергии . Но ваш мозг используется для многих вещей, поэтому изменение активации лучше всего понимать в относительном смысле. Просмотр телевизора также требует энергии, преимущественно в зрительной коре. Как и игра в фрисби, в моторной коре.
Использованная литература:
Вернер Шмитт
Петр Мигдаль
Винсент Ванкалберг