Мозг расходует в сутки от всей энергии. Факты о мозге: Вселенная, которую мы носим в себе. Масса и энергопотребление

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.

Какой из наших органов потребляет больше всего энергии? Это не сердце, биение которого не прекращается ни днем, ни ночью. Это мозг — он берёт около 20% энергии, потребляемой организмом человека, хотя составляет только 2% от общего веса тела. Из потребляемого, как считают сейчас физиологи, 60-80% тратятся на обмен информацией между нейронами, а также между нейронами и астроцитами - звёздчатыми клетками, которые ещё недавно считались вспомогательными элементами, доставляющими нейронам пищу и опору. Их в десять раз больше, чем нейронов, 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 энергии 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 энергии мозг тратит неизвестно на что. Может быть, он постоянно обрабатывает какую-то поступающую извне информацию, которая не осознаётся человеком? Или энергия 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 нейронами 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 энергии - на поддержание системы в рабочем состоянии, в постоянной готовности. По другой гипотезе, 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.

1. Мозг, как и мышцы, чем больше его тренируешь, тем больше он растет. Мозг среднего взрослого мужчины весит 1424 г, к старости масса мозга уменьшается до 1395 г. Самый большой по весу женский мозг - 1565 г. Рекордный вес мужского мозга - 2049 г. Мозг И. С. Тургенева весил 2012 г. Мозг эволюционирует: в 1860 году средний вес мужского мозга составлял 1372 г. Наименьший вес нормального неатрофированного мозга принадлежал 31-летней женщине - 1096 г. Динозавры, достигавшие 9 м в длину, имели мозг величиной с грецкий орех и весом всего 70 г.

2. Самое бурное развитие мозга происходит в возрасте от 2 до 11 лет.

3. Регулярное моление снижает частоту дыхания и нормализует волновые колебания головного мозга, способствуя процессу самоизлечения организма. Верующие люди ходят на 36% реже к врачу, чем остальные.

4. Чем образованее человек, тем меньше вероятность заболеваний мозга. Интеллектуальная активность вызывает производство дополнительной ткани, компенсирующей заболевшую.

5. Занятие незнакомой деятельностью - лучший способ развития мозга. Общение с теми, кто превосходит вас по интеллекту, также является сильнодействующим средством развития мозга.

6. Сигналы в нервной системе человека достигают скорости 288 км/ч. К старости скорость снижается на 15 процентов.

7. Самым крупным в мире донором мозга является монашеский орден сестер-педагогов в Манкато, штат Миннесота. Монахини в своих посмертных завещаниях пожертвовали науке около 700 единиц мозга.

8. Самый высокий уровень интеллектуального развития (IQ) продемонстрировала Мэрлин Мач Вос Савант из штата Миссури, которая в возрасте десяти лет уже имела средний показатель IQ для 23-х летних. Ей удалось пройти сложнейший тест для вступления в привилигированное Общество Мега, куда входит лишь около трех десятков человек, имеющих такой высокий показатель IQ, который встречается лишь у 1 человека из миллиона.

9. Самый высокий средний национальный показатель IQ в мире у японцев -111. У 10 процентов японцев показатель выше 130.

10. Сверхфотографическая память принадлежит Крейтону Карвелло, способному с одного взгляда запомнить последовательность карт сразу в шести отдельных колодах (312 штук). Обычно в нашей жизни мы используем 5-7 процентов возможностей мозга. Трудно себе представить, сколько всего совершил и открыл бы человек, задействуй он еще хотя бы столько же. Зачем нам такой запас прочности ученые пока не выяснили.

11.Умственная работа не утомляет мозг. Обнаружено, что состав крови, протекающий через мозг неизменен на протяжение его активной деятельности, сколько бы она не продолжалась. При этом кровь, которую берут из вены человека, проработавшего целый день, содержит определенный процент «токсинов утомления». Психиатры установили, что чувство утомления мозга обуславливается нашим психическим и эмоциональным состоянием.

12. Молитва благотворно влияет на деятельность мозга. Во время молитвы восприятие информации человеком идет, минуя мыслительные процессы и анализ, т.е. человек уходит от реальности. В этом состоянии (как и при медитациях) в мозге возникают дельта-волны, которые обычно фиксируются у младенцев в первые шесть месяцев его жизни. Возможно, именно этот факт влияет на то, что люди, регулярно отправляющие религиозные обряды, болеют реже и выздоравливают быстрее.

13. Для полноценной работы мозга нужно выпивать достаточное количество жидкости. Мозг, как и весь наш организм, состоит приблизительно на 75% из воды. Поэтому, чтобы держать его в здоровом и рабочем состоянии, нужно выпивать положенное Вашему организму количество воды. Тем же, кто пытается похудеть с помощью таблеток и чая, выгоняющих из организма воду, следует быть готовым к тому, что одновременно с потерей веса они потеряют и в работоспособности мозга. Поэтому им стоит поступать, как положено – принимать любые таблетки по назначению врача.

14. Мозг просыпается дольше тела. Интеллектуальные способности человека сразу после пробуждения ниже, чем после бессонной ночи или в состоянии средней тяжести опьянения. Очень полезно, кроме утренней пробежки и завтрака, усиливающих метаболические процессы, происходящие в Вашем теле, сделать и маленькую разминку мозга. Это значит, что не стоит с утра включать телевизор, а лучше что-то немного почитать или разгадать кроссворд.

15. Мозгу легче понимать речь мужчин, чем женщин. Мужские и женские голоса действуют на разные участки мозга. Женские голоса – более музыкальные, звучат на более высоких частотах, диапазон частот при этом шире, чем у мужских голосов. Человеческому мозгу приходится «расшифровывать» смысл того, что говорит женщина, используя свои дополнительные ресурсы. Кстати, люди, страдающие слуховыми галлюцинациями, чаще слышат именно мужскую речь.

16. Мозг потребляет больше энергии, чем все остальные органы. Он составляет от общей массы тела только 2%, но забирает около 20% энергии, вырабатываемой телом. Энергия поддерживает нормальное функционирование мозга и передается нейронами для создания нервных импульсов.

17. Мозг содержит примерно 100 миллиардов нейронов (клеток, генерирующих и передающих нервные импульсы), а это примерно в 16 раз больше, чем людей на Земле. Каждый из них связан еще с 10 000 других нейронов. Передавая нервные импульсы, нейроны обеспечивают непрерывную работу мозга.

18. Люди пользуются только 10% своего мозга. Это миф. Даже при том, что не все тайны и возможности мозга раскрыты, утверждать такое глупо - мозг всегда использует столько ресурсов, сколько ему в данный момент нужно. Говорить о том, что мы используем мозг на 10% - то же самое, что говорить, что мы используем возможности радио на один процент - слушаем мы только одну волну, а ведь их в диапазоне еще сто.

19. Каждую минуту через мозг проходит 750 миллилитров крови, что составляет 15-20 процентов всего кровотока.

20. Мозг во время бодрствования потребляет 25 ватт энергии. Этого количества достаточно для небольшой лампочки.

Этот пост для тех, кто впадает в тоску и уныние при мысли о спортзале или пробежке, больше всего любит сидеть за компом, и хочет при этом сбросить несколько килограмм. Конечно, ничего не приходит просто так, и для того чтобы худеть, не вставая с любимого компьютерного стула, придется что-то делать, а именно - думать.

Ученые из канадского университета проводили эксперименты на студентах, измеряя количество калорий, которые потребляет мозг. Три группы студентов получили разные задания, которыми надо было заниматься на протяжении 1,5 часов. Одна группа ничего не делала, вторая - заучивала тексты с бумажных носителей, третья - работала за компьютером. В результате группа, заучивающая тексты из книг потратила на 200 ккал больше, чем студенты-бездельники, а те, кто работал за компьютером, сожгли на целых 250 ккал больше.

Ученые выяснили, что больше всего калорий мозг потребляет во время концентрации внимания. Во время предельной концентрации в течение 20 минут мозг способен «съесть» такое количество энергии, которое не потратил бы и за весь день, проведенный без умственной деятельности. Поэтому бывает достаточно трудно сосредоточиться на чем-либо более 20-25 минут - тело просто вынуждено сохранить запасы энергии.

Сколько калорий можно сжечь, активно думая?

При отсутствии умственных нагрузок, мозг сжигает до 400-500 ккал в день, а во время активной деятельности его затраты возрастают в два раза. Принято считать, что когда человек напрягает мозг, он затрачивает 1,5 ккал в минуту, то есть, 90 ккал в час, а если при этом деятельность непривычная, его затраты возрастают ещё больше.

Ещё одна особенность - эмоциональные переживания увеличивают энергозатраты на 10-20%, а интеллектуальная деятельность, сопровождаемая эмоциями, на 30-40%. Ученые из НИИ физиологии им. П.К. Анохина провели ещё один эксперимент, в процессе которого измерялись энергозатраты студентов во время экзаменов. Оказалось, что за три дня до экзаменов на интеллектуальную деятельность студента уходило 750 ккал, а во время экзамена - 1000-1100 ккал.

Итак, учитывая всё вышесказанное, любителям сидячего образа жизни можно посоветовать следующее:

Больше думать

Просмотр пабликов в соцсетях, веселая переписка с друзьями или игрушки (кроме тех жанров, где надо включать мозг) не потратят лишних калорий. Чтобы худеть за компом, надо выполнять какую-то интеллектуальную деятельность, например, читать сложные для восприятия, интересные статьи и книги, решать какие-то задачи, разгадывать кроссворды. При этом желательно не отвлекаться, дольше сохранять концентрацию на предмете.

Чем дольше вы концентрируетесь, тем больше калорий сжигаете.

Убрать еду подальше от компа

Во время умственной деятельности в организме резко падает уровень глюкозы, вещества, которым питаются клетки мозга. Для восполнения потерь после мыслительной деятельности человеку очень хочется есть. При этом вовсе не значит, что организм действительно нуждается в дополнительных калориях, просто ему нужна глюкоза.

Ученые считают, что чашки сладкого чая будет достаточно, чтобы восполнить потери и дать мозгу необходимую подпитку, так что после своих интеллектуальных упражнений не торопитесь есть шоколадки или варить пельмени - сладкий чай, и чувство голода отпустит .

Эмоциональные переживания

Конечно, вы не сможете устраивать себе напряженные экзамены каждый день, однако что-то сделать всё-таки можно. Например, решать логические задачки на время или играть с кем-то в шахматы. Так к интеллектуальной деятельности прибавляется элемент азарта. Больше азарта, больше эмоций, больше сожженных калорий .

Что-нибудь новое

Больше энергии потребляет тот участок мозга, который находится в работе, поэтому потребление энергии можно увеличить, попеременно включая разные отделы мозга, то есть, решая многосоставные тесты или играя в игры-головоломки.

Кроме того, мозг потребляет больше энергии, решая нестандартные задачи . Если вы гуманитарий, попробуйте порешать логические задачи, вспомните школьный курс геометрии или алгебры. В общем, занимайтесь новыми видами интеллектуальной деятельности - это не только увеличивает энергозатраты, но и помогает развивать мозг .

Ну и напоследок, нельзя не упомянуть, что простая ходьба сжигает 4 ккал в минуту, так что если устали думать, сходите погуляйте.

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.