چند درصد از انرژی بدن به مغز اختصاص دارد؟

به گزارش مجله خبری نگار،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 میزان انرژی مورد نیاز برای فعالیت‌های شناختی مغز را تخمین بزنند.

نتیجه‌ی شگفت‌انگیز این بود که وظایف فکریِ هدفمند و پر تلاش، تنها ۵ درصد انرژی بیشتری نسبت به فعالیت‌های مغزی در حالت استراحت مصرف می‌کنند؛ به عبارت دیگر، وقتی با تمرکز فکر می‌کنیم، مغزمان تنها اندکی بیشتر از حالت عادی انرژی مصرف می‌کند.

ما معمولاً تصور می‌کنیم که انرژی ذهنیمان صرف توجه و تمرکز فشرده می‌شود؛ اما پژوهش جدید، با درنظرگرفتن مطالعات مشابه، در حال تقویت این دیدگاه است که بخش عمده‌ای از عملکرد مغز، صرف نگهداری و تنظیم وضعیت بدن می‌شود.

در حالی که بسیاری از متخصصان علوم اعصاب در گذشته بیشتر بر جنبه‌های فعال و بیرونی شناخت، مانند توجه، حل مسئله، حافظه‌ی کاری و تصمیم‌گیری تمرکز کرده‌اند، اکنون روشن شده که پشت‌صحنه‌ی ذهن ما یک کندوی پنهان از فعالیت دائمی است.

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

بر اساس باوری عمومی، مغز برای فکر کردن است؛ اما ازنظر متابولیکی، بیشتر انرژی مغز صرف مدیریت بدن، تنظیم و هماهنگی بین اندام‌ها و کنترل این سیستم پرهزینه‌ای می‌شود 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 میزان مصرف انرژی مغز گردآوری کرد.

مغز تنها یک ماشین تفکر نیست، بلکه ساختاری تکاملی به شمار می‌رود و به همین دلیل، محدود به بودجه‌ی انرژی محدود یک سیستم زیستی است؛ از این رو، احساس خستگی هنگام فکر کردن، لزوماً به این معنا نیست که انرژیتان تمام شده، بلکه به این دلیل است که بدن شما درطول تکامل، برای حفظ منابع خود آموزش دیده است.

پژوهش فعلی درباره سوخت‌وساز عصبی، وقتی با پژوهش‌هایی در مورد دینامیک شلیک الکتریکی مغز ترکیب شود، به نیرو‌های متضاد تکاملی اشاره دارد که محدودیت‌ها، گستره و کارایی‌های توانایی شناختی ما را توضیح می‌دهند.

هزینه موتور پیش‌بینی‌گر

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

مغز انرژی خود را از مولکولی به نام آدنوزین تری‌فسفات (ATP) تأمین می‌کند که سلول‌ها آن را از گلوکز و اکسیژن تولید می‌کنند. شبکه‌ای گسترده از مویرگ‌های باریک (حدود ۶۴۰ کیلومتر رگ‌های خونی) در بافت مغز درهم‌تنیده شده‌اند تا خون غنی از گلوکز و اکسیژن را به نورون‌ها و دیگر سلول‌های مغزی برسانند. وقتی ATP درون سلول‌ها تولید می‌شود، ارتباط بین نورون‌ها را تغذیه می‌کند که همان عملکرد اصلی مغز است.

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

نورون‌ها سیگنال‌های الکتریکی را به سیناپس‌های خود می‌فرستند؛ جایی که امکان تبادل پیام‌های مولکولی بین سلول‌ها فراهم می‌شود. قدرت این سیگنال‌ها مشخص می‌کند که آیا نورون مولکول‌ها را آزاد یا شلیک می‌کند یا خیر. اگر این شلیک انجام شود، سیگنال مولکولی تعیین می‌کند که آیا نورون بعدی نیز پیام را منتقل خواهد کرد یا نه؟ و این روند ادامه پیدا می‌کند.

حفظ پتانسیل‌های غشایی، یعنی ولتاژ‌های پایدار در غشای نورون که تضمین می‌کند سلول در صورت لزوم آماده‌ی شلیک است، حداقل نیمی از بودجه‌ی انرژی مغز را به خود اختصاص می‌دهد. اندازه‌گیری مستقیم ATP در مغز انسان فرآیندی بسیار تهاجمی و دشوار است؛ بنابراین، جمادار و همکارانش برای مطالعه خود به مرور پژوهش‌هایی پرداختند که از روش‌های غیرمستقیم استفاده کرده‌اند؛ برای مثال اندازه‌گیری مصرف گلوکز از طریق پت اسکن (PET) و ثبت جریان خون که با اف‌ام‌آر‌آی (fMRI)، برای بررسی تفاوت مصرف انرژی در حین 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 ارائه دهند. البته این بررسی نمی‌تواند کل مصرف انرژی مغز را نشان دهد؛ زیرا بافت‌های عصبی می‌توانند برخی اسید‌های آمینه را هم به ATP تبدیل کنند، اما بیش از ۹۰ درصد ATP مغز از طریق سوخت‌وساز گلوکز تولید می‌شود.

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 بیشتر نسبت به حالت استراحت مصرف می‌کند. وقتی ما در حال انجام کاری هدفمند و دشوار مثل بررسی برنامه اتوبوس در یک شهر جدید هستیم، میزان شلیک نورونی در نواحی یا شبکه‌های مرتبط مغز (مثلاً نواحی پردازش بصری و زبانی) افزایش می‌یابد. این فعالیت اضافه همان ۵ درصد انرژی بیشتر را شامل می‌شود و ۹۵ درصد باقی‌مانده صرف بار پایه‌ای سوخت‌وساز مغز می‌شود.

پژوهشگر‌ها هنوز دقیق نمی‌دانند که بار پایه‌ی مصرف انرژی مغز چگونه توزیع می‌شود؛ اما درطول چند دهه‌ی گذشته، آنها درک بهتری از کار‌هایی که مغز در پس‌زمینه انجام می‌دهد، به‌دست آورده‌اند. جمادار می‌گوید:

از حدود اواسط دهه ۹۰ میلادی، به‌عنوان یک رشته علمی شروع به درک این موضوع کردیم که وقتی کسی در حالت استراحت دراز کشیده و به‌صورت آشکار مشغول انجام کاری نیست، در واقع حجم زیادی از فعالیت‌ها در مغز او در حال انجام است. قبلاً تصور می‌کردیم فعالیت‌های جاریِ در حالت استراحت که مرتبط با کار خاصی نیستند، نوعی نویز یا اختلال‌اند؛ اما حالا می‌دانیم که سیگنال‌های زیادی در همین نویز وجود دارد.

بخش زیادی از آن سیگنال‌ها مربوط به «شبکه‌ی حالت پیش‌فرض» است. این شبکه زمانی فعال می‌شود که ما در حال استراحت هستیم یا فعالیت ظاهری خاصی نداریم. همچنین در تجربه‌ی ذهنی ما برای پرسه‌زنی میان گذشته، حال و آینده نقش دارد: مثلاً فکر کردن به اینکه 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 مانند دمای بدن، سطح قند خون، ضربان قلب، تنفس و ... است؛ متغیر‌هایی که باید در حالت پایداری به نام «هم‌ایستایی» (هومئوستاز) باقی بمانند تا ما زنده بمانیم. اگر هرکدام بیش از حد تغییر کند، وضعیت بدن می‌تواند به سرعت بحرانی شود.

تریو حدس می‌زند که بیشترین بخش از بار پایه‌ی متابولیک مغز صرف «پیش‌بینی» می‌شود. مغز برای اینکه بتواند اهداف هومئوستاتیکی خود را حفظ 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 چگونه می‌توانند بر سیستم‌های زیستی بدن تأثیر بگذارند. او می‌گوید: «پیش‌بینی و نه واکنش، به مغز امکان می‌دهد تا منابع را به‌طور مؤثر میان بخش‌های بدن تخصیص دهد.»

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

محدودیت‌های تکاملی مغز

افزایش ۵ درصدی در مصرف انرژی هنگام تفکر فعال ممکن است زیاد به‌نظر نرسد، اما در مقیاس کل بدن و درنظرگرفتن اینکه مغز چقدر پرمصرف است، این عدد می‌تواند بسیار چشمگیر باشد. وقتی شرایط سخت گذشتگان ما را در نظر بگیرید، احساس خستگی در پایان یک روز دشوار، کاملاً منطقی به نظر می‌رسد. پادامسی، عصب‌شناس در مؤسسه‌ی پزشکی ویل کرنل در قطر می‌گوید:

دلیل خستگی شما، دقیقاً مثل خستگی پس 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 کمبود انرژی تکامل یافته‌ایم، بنابراین از مصرف انرژی متنفر هستیم.

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

اگر شما نرخ سوختن انرژی را محدود نکنید، این افزایش در طول زمان می‌تواند بسیار مهم باشد. به همین خاطر مغز سازوکار‌هایی برای جلوگیری از افراط در مصرف انرژی دارد؛ یعنی مکانیسم‌هایی که باعث احساس خستگی می‌شوند و جلوی مصرف بیشتر انرژی را می‌گیرند.

پادامسی برای درک بهتر محدودیت‌های انرژی، در سال ۲۰۲۳ پژوهش‌هایی را درباره ویژگی‌های خاص انتقال سیگنال‌های الکتریکی مغز خلاصه‌سازی کرد که گرایش تکاملی به بهره‌وری انرژی را نشان می‌دهند. مثلاً ممکن است تصور کنید هرچه اطلاعات سریع‌تر منتقل شود، بهتر است؛ اما نرخ بهینه‌ی انتقال اطلاعات در مغز بسیار پایین‌تر از آن چیزی است که انتظار می‌رود.

از نظر تئوری، بیشینه سرعت انتقال سیگنال یک نورون حدود ۵۰۰ هرتز است؛ اما اگر نورون‌ها واقعاً با این سرعت سیگنال بفرستند، سیستم به‌شدت از کنترل خارج می‌شود. نرخ بهینه‌ی اطلاعات، یعنی سریع‌ترین نرخی که در آن نورون‌ها هنوز می‌توانند پیام‌های یکدیگر را تشخیص دهند، حدود ۲۵۰ هرتز است.

از نظر تئوری بیشینه سرعت انتقال سیگنال یک نورون حدود ۵۰۰ هرتز است

بااین‌حال، نورون‌های ما به‌طور متوسط فقط با نرخ ۴ هرتز فعال می‌شوند؛ یعنی ۵۰ تا ۶۰ برابر کمتر از آنچه برای انتقال بهینه اطلاعات مناسب است. فراتر از این، بسیاری از انتقال‌های سیناپسی با شکست مواجه می‌شوند. حتی زمانی 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 دلیل این مسئله 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 متفاوتی 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، اساس چگونگی انتقال اطلاعات، دلیل خستگی ذهنی ما پس از تمرکز و تلاش بی‌وقفه‌ی مغز برای زنده نگه‌داشتن ما است. اینکه مغز، با وجود این محدودیت‌ها، هنوز این‌همه کار انجام می‌دهد، واقعاً جای شگفتی دارد.