У индийских слонов, очевидно, мозг больше, чем у нас. У мышей соотношение массы мозга и тела выше, а у гринд с длинными плавниками больше нейронов. Так что же отличает людей, а точнее, человеческий мозг?
Что касается органов, то энергия, потребляемая человеческим мозгом, несомненно, огромна — каждый день потребляется около 50 граммов сахара, или 12 кусочков сахара. У него одна из самых высоких энергетических потребностей по сравнению с метаболизмом тела среди всех известных видов. Но что потребляет эту энергию? Если размер и количество нейронов в человеческом мозге соответствуют предсказаниям приматов, а энергия, потребляемая одним нейроном, сопоставима с потреблением энергии у других млекопитающих, то энергопотребление человеческого мозга не должно быть уникальным.
Стоимость сигнализации
Группа нейробиологов предполагает, что количество сигналов в человеческом мозге может быть ответственным за его повышенные энергетические потребности. Одним из результатов этого является то, что области мозга, которые более тесно связаны и передают больше сигналов, будут использовать больше энергии.
Чтобы проверить свою гипотезу, ученые сначала визуализировали мозг 30 здоровых добровольцев-правшей в возрасте от 20 до 50 лет. Визуализация проводилась в двух разных учреждениях, и исследователи использовали ее для корреляции расхода энергии (измеряемого метаболизмом глюкозы) определенных областей мозга с их уровнями передачи сигналов и связи. Они обнаружили, что во всех 30 мозгах расход энергии и передача сигналов происходили одновременно. Но некоторые области выделяются. Сигнальные пути в определенных областях коры головного мозга (передняя часть мозга) требуют почти на 70% больше энергии, чем сигнальные пути в сенсомоторных областях.
Лобная кора — одна из наиболее быстро расширяющихся областей в ходе эволюции человека. Роберт Сапольски считает: «Самая важная роль префронтальной коры — принимать трудные решения перед лицом отсроченного удовлетворения искушения, долгосрочного планирования, контроля импульсов, эмоциональной регуляции. Префронтальная кора имеет решающее значение для того, чтобы позволить вам поступать правильно в более сложных вещах. Это проблема, с которой люди должны постоянно сталкиваться. С точки зрения энергии это требует огромных затрат».
Усиление регулирования также является ключом к познанию
Энергия требуется не только для передачи сигналов, но и для регуляции передачи сигналов, чтобы гарантировать, что передача сигналов происходит на соответствующем уровне и в нужное время.
Исследователи использовали Атлас мозга Аллена для изучения активности генов в лобной коре. Они обнаружили повышенную активность нейромодуляторов и их рецепторов. Авторы отмечают: «Человеческий мозг тратит слишком много энергии на долговременную регуляцию (быстрых) нейротрансмиттеров с помощью (медленных) нейромодуляторов, таких как серотонин, дофамин или норадреналин. Существуют также эндогенные опиаты. Этот эффект больше связан с установкой тона общей возбудимости, чем с доставкой отдельных битов информации».
Связав использование энергии с передачей сигналов и медленнодействующей нейромодуляцией в коре головного мозга, последнее, что сделали ученые, — это исследовали проект нейронной сети, которая сопоставляет когнитивные функции с областями мозга. Было обнаружено, что энергоемкие, тесно связанные, высокорегулируемые и эволюционно расширенные части коры головного мозга участвуют в сложных функциях, таких как обработка памяти, чтение и когнитивное торможение. Это подтверждает их мнение о том, что «дорогая сигнальная архитектура предназначена для человеческого познания».
Достижения науки, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adi7632.