Мозг человека даже в состоянии относительного покоя и сна потребляет необычайно много энергии - в 16 раз больше, чем мышечная ткань (в пересчете на единицу массы). «Мозг, имея массу не более 1,5-2% от массы тела, потребляет 25% всей энергии. При этом одной из самых энергозатратных операций является концентрация внимания. Человек не в состоянии удержать внимание на неизменно высоком уровне более 20-25 минут, потому что за это время мозг «съест» столько глюкозы, сколько не съел бы и за день относительного покоя. Так что задания на внимание и реакцию, да еще и в ситуации цейтнота, способны выжать всю энергию, - рассказал РБК daily кандидат биологических наук сотрудник Института нейрохирургии РАМН Игорь Лалаянц. - Снижается же потребность в энергии лишь во время сна, т.к. возрастает синхронизация левого и правого полушарий и мозгу не приходится тратить энергию на «согласование» их работы. Также нейроны снижают энергопотребление с возрастом, из-за чего замедляется синтез белковых молекул и, как следствие, ухудшается способность к запоминанию». У взрослого человека доля мозгового метаболизма от общих энергетических потребностей организма составляет 9% во время сна и 20-25% во время напряженного интеллектуального труда, что значительно больше, чем у других приматов (8-10%), не говоря уже о прочих млекопитающих (3-5%). Так, только на поддержание необходимых жизненных функций, передачу нервных сигналов и воспроизведение элементарных операций мозг человека в среднем нуждается примерно в 400-500 ккал. Между тем, по самым скромным оценкам, энергетические затраты мозга в активном состоянии возрастают более чем в два раза. «Больше всего энергии потребляет тот участок мозга, который сильнее всего напрягается. Поэтому при решении многосоставных тестов и головоломок, где поочередно задействованы все типы мышления, потребление энергии резко возрастает. Больше калорий придется потратить и на непривычные задания. Так, если заставить гуманитария решать задачку по геометрии, энергозатраты его мозга сильно возрастут. Однако довести себя умственными упражнениями до степени физического истощения может далеко не каждый. Как правило, такой реакцией на умственную работу обладают ученые, математики, шахматисты», - пояснил кандидат биологических наук старший научный сотрудник Института биологии развития РАН Александр Ревищин. Кроме того, интеллектуальная работа непременно сопровождается активизацией нервной системы и под влиянием эмоциональных переживаний энергетические затраты увеличиваются на 10-20%. А непривычно большие интеллектуальные нагрузки вкупе со стрессом, сопровождающим любой экзамен или тестирование, по данным РАМН, повышают энергозатраты организма на все 30-40%. Так, ученые из НИИ нормальной физиологии имени П.К. Анохина РАМН рассчитали энергозатраты 75 студентов за несколько дней до экзамена и непосредственно во время тестирования. Оказалось, что потребность в калориях повышалась по мере приближения экзаменов, и если за трое суток до дня «Х» студент тратил сверх основного обмена примерно 750 ккал, то в день экзамена - 1000-1100 ккал.
Осознанное поведение поддерживается высоким общим энергопотреблением мозга, а не работой каких то определенных его долей, считают ученые.
Факторы, определяющие осознанность поведения людей и животных до сих пор оставались загадочными. Осознанность в поведении, в самом простом понимании, определяется как способность осмысленно реагировать на внешние раздражители. Многие научные группы в сериях экспериментов по запоминанию или решению каких либо умственных задач уже довольно продолжительное время пытаются выявить ключевые доли головного мозга, активность которых отвечает за осмысленный отклик на внешние стимулы.
Все эти попытки, как с участием подопытных животных, так и добровольцев из числа людей, не принесли сколько-нибудь значимого результата. Оказалось, что в проявлении осмысленной реакции на внешние раздражители может быть задействовано сразу большое количество отделов мозга. При этом увеличение их активности, в сравнении с фоновой активностью головного мозга, незначительно - оно составляет едва ли 1% от всей энергии, которую потребляет головной мозг.
"Поэтому до сих пор исследователи, использовавшие функциональную магнитно-резонансную томографию для изучения состояния осознанности поведения, смотрели лишь на верхушку айсберга. Мы же попытались разглядеть остальное", - сказал профессор Роберт Шульман (Robert Shulman) из Йельского университета, ведущий автор публикации, слова которого приводит пресс-служба университета.
Шульман и его коллеги предположили, что 99% энергии, которую потребляет головной мозг необходима этому органу именно на постоянное поддержание состояния осознанности поведения, которое складывается именно из своевременного включения в решение тех или иных интеллектуальных задач всех областей головного мозга. Свои догадки группа ученых подкрепила наблюдением за людьми, находящимся под воздействием сильных обезболивающих средств, побочным эффектом которых является затуманенный рассудок.
В своих экспериментах на крысах ученые использовали две группы животных, одна из которых подверглась легкой анестезии, а вторая испытывала очень сильное анестезирующее воздействие. При этом легкие удары по лапам первой группы подопытных животных приводили к заметной активизации всех отделов сенсорной коры головного мозга и многих других его участков, тогда как аналогичное стимулирование крыс второй группы приводило только к возбуждению отделов сенсорной коры.
При этом уровень фонового шума, определяющийся фоновой активностью головного мозга и, соответственно, объемами энергии, потребляемой мозгом, у крыс, подверженных мощной анестезии был почти в два раза ниже, чем у второй группы. "Поэтому мы считаем, что способность проявлять осознанное поведение является не столько свойством мозга, сколько свойством конкретного человека или животного, обладающего этим мозгом", - подытожил Шульман.
Мы расходуем калории на дыхание, поддержание температуры, пищеварение, интеллектуальную деятельность, физическую активность, восстановление после неё и на множество незаметных процессов, происходящих в нашем организме (калоризатор). Никто не может точно . Таблицы расхода калорий, тренажеры, гаджеты и мобильные приложения дают только приблизительные, а иногда и вовсе завышенные цифры.
Восстановление после спортивных занятий тоже отнимает энергию. Этот процесс называют метаболическим откликом или эффектом EPOC. В интернете можно прочитать, что во время восстановления скорость метаболизма повышается на 25% и больше, но реальные исследования показывают, что после силовых тренировок и ВИИТ эффект EPOC составляет 14% от затраченных калорий, а после низкоинтенсивного кардио - 7%.
Длительность восстановления зависит от интенсивности тренировки. После кардио вы восстанавливаетесь несколько десятков минут, когда восстановление после силовых длится часы. Эти данные тоже усреднены, но принцип остается - чем интенсивнее тренировка, тем больше калорий дожжете потом.
Переваривание пищи требует энергии, а ее расход называется термическим эффектом пищи (ТЭП). . Усваивая белок, мы тратим на 20-30% от калорийности съедаемой порции. Переваривание углеводов требует - 5-10% от калорийности порции, а траты на переваривание жиров составляют 0-3%. Но не стоит обольщаться, поскольку организм каждого человека индивидуален, поэтому диапазон между предполагаемыми затратами на ТЭП настолько широк.
Существует миф, что мозг - главный потребитель калорий, что сахар улучшает умственные способности, а интеллектуальный труд тяжелее физического. Недавние исследования показали, что затраты на умственную деятельность среднего человека равны 0,25 ккал в минуту, а при интенсивной интеллектуальной деятельности они могут повышаться до 1%. Таким образом, за пять минут умственной деятельности можно сжечь 1,25 ккал, а за час - всего 15 ккал.
Реальные энергозатраты при выполнении повседневных дел посчитать практически нереально. Они тоже зависят от веса, пола, возраста, физической подготовки, климата, частоты пульса и дыхания. Здесь можно использовать лишь приблизительные упрощенные оценки. Однако требует внимания, поскольку в условиях диеты организм стремится снизить излишнюю подвижность - больше отдыхать и тратить меньше калорий на выполнение рутинных занятий, делая их более эффективно.
Пусть мы не можем точно высчитать сожженные калории, но мы можем увеличить их расход. Очевидно, что тренироваться нужно тяжело. Силовые занятия необходимо строить на основе базовых упражнений, адекватно подбирать рабочий вес и диапазон повторений (calorizator). даст дополнительные преимущества. Помните, что кардиотренировки должны учащать пульс и дыхание, иначе энергозатраты во время занятий и после них будут незначительными.
В питании следует сделать акцент на белок, съедая порцию с каждым приемом пищи. Да, жиры и углеводы вкуснее, но в рационе поможет укрепить мышцы и увеличит расход калорий.
Теперь вы знаете, что умственная деятельность не вносит существенный вклад в сжигание калорий, поэтому можно смело понизить значимость сахара в своей жизни и , которую мы привыкли недооценивать. Считать нетренировочную активность необязательно, но двигаться необходимо.
Таблицы расхода калорийности, приложения и гаджеты - неплохой ориентир для оценки суточной активности, но они не точны, поэтому к этим цифрам не стоит привязываться. Просто требуйте от себя большего и стремитесь сделать больше, чем вчера.
В материалах рубрики использованы сообщения следующих изданий: «New Scientist», «Economist» и «Fortean Times» (Англия), «Bild der Wissenschaft» и «Na-tur und Kosmos» (Германия), «Discover», «Psychology Today», «Skeptical Inquirer» и «Wired» (США), «Qa m"interesse», «Le Journal du CNRS», «La Recherche», «Science et Vie» и «Science et Vie Junior» (Франция), а также сообщения агентств печати и информация из Интернета.
Какой из наших органов потребляет больше всего энерги и? Это не сердце, биение которого не прекращается ни днем, ни ночью. Это мозг — он берёт около 20% энерги и, потребляемой организмом человека, хотя составляет только 2% от общего веса тела. Из потребляемого, как считают сейчас физиологи, 60—80% тратятся на обмен информацией между нейрон ами, а также между нейрон ами и астроцитами — звёздчатыми клетками, которые ещё недавно считались вспомогательными элементами, доставляющими нейрон ам пищу и опору. Их в десять раз больше, чем нейрон ов, и года два назад нейрофизиологам удалось доказать, что они участвуют в обработке и передаче информации.
Но появившиеся сравнительно недавно высокосовершенные приборы — позитронно-эмиссионные томографы и томографы на эффекте ядерно-магнитного резонанса позволили непосредственно видеть функционирование мозга на экране монитора. Собственно, томограф показывает, как распределяется и усиливается поток крови в разных частях мозга при работе его над различными задачами. Усиленная работа того или иного участка требует увеличенного поступления кислорода, и для этого растёт объём местного потока крови. Обычно увеличение составляет 5—10% от нормы. Бывает, что связанный с таким увеличением кровотока рост потребления энерги и мозгом ограничивается всего одним процентом по сравнению с потреблением в покое. Так что на возникающий иногда вопрос: «Нуждается ли в усиленном питании ученик, решающий сложные математические задачи?» следует ответить: «Ну разве что лишнюю шоколадку можно выдать страдальцу».
Выходит, большую часть потребляемой энерги и мозг тратит неизвестно на что. Может быть, он постоянно обрабатывает какую-то поступающую извне информацию, которая не осознаётся человеком? Или энерги я идет на какие-то внутренние процессы, не зависящие от окружающего мира? Похоже, второй вариант ближе к истине. Так, в 1994 году американские физиологи показали, что лишь 10% связей между нейрон ами в зрительной коре обезьян (где, по идее, обрабатывается информация от глаз) задействованы для восприятия зрительных стимулов. Чем заняты остальные 90% — неизвестно. Причём у макак активность коры мозга остаётся даже под общей анестезией. А недавно бельгийские исследователи с помощью позитронно-эмиссионного томографа обнаружили, что активность зрительной коры у слепых от рождения не ниже, чем у зрячих.
По одной из гипотез , мозг постоянно находится в динамическом равновесии, балансируя между возбуждением и торможением. Вот на это и уходит львиная доля потребляемой энерги и — на поддержание системы в рабочем состоянии, в постоянной готовности. По другой гипотез е, мозг всё время занят прогнозированием ближайшего будущего с учётом прошлого опыта, для чего перерабатывает большие массивы информации. Особенно интригует исследователей тот факт, что эта загадочная активность мозга неравномерна, в ней есть приливы и отливы, хотя внешне в поведении отдыхающего человека или животного ничего не меняется.
Итак, мы ещё не знаем, чем занят мозг, когда он вроде бы ничем не занят.
Все наши органы сжигают калории, когда они выполняют свои функции, правильно? Значит, так как мозг — это орган, мышление сжигает калории, а усиленное мышление сжигает больше калорий?
Вспомните, в мультфильмах, когда герой думает, большое количество пара выходит у него из ушей? Хорошо, немного преувеличенно, но серьезная встряска там действительно происходит, когда мы делаем умственное усилие. Мозг сжигает много калорий в состоянии покоя, и по внешним признакам мы можем с легкостью заключить, что концентрация способствует использованию энергии для потенциальных действий. Действительность, однако, более сложна, и, на мой взгляд, намного более интересна.
Наш мозг составляет только 2 процента всей нашей массы тела, но потребляет примерно 20 процентов всего нашего потребления калорий. Процент еще выше у детей, мозг которых все еще развивается. Мозг среднестатическо го новорожденного использует около 75 процентов доступной энергии, 11-летнего – одну треть, а взрослого человека, если перевести в единицы энергии, — около 20 ватт.
Около 60 — 80 процентов энергии мозга используется для «нейронной передачи сигналов» - думаю, так это называют обычные обыватели, посвящающие свою жизнь ремонту и пополнению припасов. Так же как и любая физическая материя, мозг «сжигает» глюкозу, которая взаимодействует с кислородом для выработки «топлива». Глюкозу и кислород несет кровь, таким образом, во время напряженной умственной деятельности мы можем почувствовать повышение мозгового кровотока и увеличение использования глюкозы и кислорода, и как следствие, большее потребление энергии.
И вот, что обнаружили ученые в процессе своих исследований:
В 1878 году итальянский ученый, работающий с пациентом с повреждением черепа, обнаружил, что мозг пульсировал быстрее, когда подопытный решал арифметические задачи.
В исследовании 1995 года, потребление глюкозы и мозговой кровоток волонтеров, проходивших тест сортировки карточек, увеличились на 12 процентов.
Исследование 1987 года, которое требовало от волонтеров думать о дневной прогулке, увеличило их метаболизм мозга на 10 процентов.
Исследование 1992 года игроков в тетрис показало, что, если они играли в игру 5 дней в неделю в течении месяца или двух, потребление мозгом глюкозы значительно увеличивалось, предполагалось, что их мышление становилось более эффективным с практикой.
Однако, при детальном рассмотрении не все просто. Например, вернемся к тесту сортировки карточек, в то время как мозговой кровоток и потребление глюкозы повысились, использование кислорода — нет, это значит, что не было никакого увеличения сгорания - мозг не «сжег» заметно большего количества «топлива». Именно это и пытаются выяснить нейробиологи до сих пор. Мозговой кровоток не увеличивается настолько быстро, чтобы обеспечить мгновенное увеличение потребления энергии; исследователи теперь предполагают, что скорость течения крови увеличивается, чтобы охладить мозг или унести ненужные продукты. Распад глюкозы усиливается, но без сгорания (окисления) энергетический скачок невелик, возможно, менее 1-го процента.
Тем не менее, факт остается фактом: мозг потребляет непропорциональн о большую долю энергии, большая часть которой тратится на мышление. При этом некоторые ученые, изучающие мозг, говорят, что мы должны придерживаться иного мнения о том, что там происходит. Ранее считалось, что мозг чрезвычайно пассивно реагирует на внешние стимулы. Теперь, когда мы понимаем, что внешние события не влияют настолько сильно на изменение в потреблении мозгом энергии, вырисовывается другая картина: большая часть нашей умственной деятельности происходит строго в наших головах.
«Ну и что», — скажете вы. Секунду. Невропатолог Маркус Рэйчл, пишущий для журнала «Science», называет мозг «механизмом логического вывода Байеса, разработанным, чтобы делать предсказания о будущем». Другими словами, мозг сам создает воспоминания, заключения и желания, из которых и состоит наша личность. Вся эта энергия идет на то, чтобы накормить команду «курящих трубу карликов» между нашими ушами, которые принимают все наши чувства, обдумывают их и организуют наши дальнейшие действия.
И эти карлики работают достаточно эффективно. В человеческом мозге содержится приблизительно 86 миллиардов нейронов, занимающих объем соизмеримый с грейпфрутом (у горилл и орангутангов, самых близких к нам по размеру мозга приматов, их около 33 миллиардов). Самый мощный электронный мозг в мире в настоящее время — суперкомпьютер Titan, расположенный в Окриджской национальной лаборатории в Теннесси, который может выполнить 17.6 квадрильонов операций с плавающей запятой в секунду или 17.6 петафлоп. Принимая во внимание, что ум и компьютеры не совсем сопоставимы, считается, что вычислительная мощность человеческого мозга составляет 1 эксафлоп (в 57 раз больше компьютерной).
Конечно, с точки зрения чисто вычислительной мощности машины несомненно превзойдут людей, некоторые полагают, что в течение десятилетия. Но давайте отнесем это к будущему. Помните, взрослый мозг использует приблизительно 20 ватт, это значит, что его производительнос ть — приблизительно 50 петафлоп на ватт. Производительнос ть обычного суперкомпьютера — 2.5 гигафлоп на ватт. Это 1/20 миллионных эффективности мозга. Другими словами, суперкомпьютер Titan – 8.2. мега ваттный монстр жидкостного охлаждения, размером с большой пригородный дом. Более мощная человеческая модель работает на хлопьях Cheerios может поместиться в шляпу.
Вконтакте