¿Cuál es el impacto de la actividad mental en el consumo de energía del cerebro humano?
Estoy más interesado en tareas intelectualmente exigentes (p. ej., partidas de ajedrez, resolver un rompecabezas, hacer un examen difícil) frente a tareas con una postura similar pero menos exigentes (p. ej., leer un periódico, mirar televisión).
Escuché que el consumo de energía se mantiene notablemente constante independientemente de la actividad mental (y el consumo de energía puede explicarse por la frecuencia cardíaca elevada debido al estrés). Sin embargo, parece contradecir técnicas como la fMRI, donde se mide el cambio en el metabolismo (a menos que el cambio relativo sea realmente pequeño).
El consumo de energía no varía mucho entre descansar y realizar tareas, como se analiza en una revisión de Marcus Raichle y Mark A. Mintun :
En el ser humano adulto promedio, el cerebro representa aproximadamente el 2% del peso corporal total pero aproximadamente el 20% de la energía consumida (Clark y Sokoloff 1999), 10 veces más que lo predicho por su peso solo. En relación con esta alta tasa de metabolismo en curso o “basal” (generalmente medido mientras descansa tranquilamente despierto con los ojos cerrados), la cantidad dedicada a las señales de imágenes regionales evocadas por tareas es notablemente pequeña.
Los aumentos regionales en el flujo sanguíneo absoluto asociados con las señales de imagen medidas con PET rara vez son más del 5% al 10% del flujo sanguíneo en reposo del cerebro. Estas son modulaciones modestas en la actividad circulatoria en curso que rara vez afectan la tasa general del flujo sanguíneo cerebral incluso durante la actividad motora más vigorosa y perceptual más excitante (Fox et al. 1987, Friston et al. 1990, Lennox 1931, Madsen et al. 1995, Roland et al. 1987, Sokoloff et al. 1955).
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A partir del conocimiento de estas relaciones, se puede estimar que si el flujo sanguíneo y la utilización de la glucosa aumentan en un 10 %, pero no el consumo de oxígeno, el aumento del consumo de energía local debido a una respuesta típica relacionada con la tarea podría ser tan pequeño como el 1 %. Queda claro, entonces, que el cerebro gasta continuamente una cantidad considerable de energía incluso en ausencia de una tarea en particular (es decir, cuando un sujeto está despierto y en reposo).
Técnicas como fMRI miden diferencias relativamente pequeñas, su existencia no contradice la afirmación de que el consumo de energía del cerebro no cambia mucho entre el estado de reposo y la realización de una actividad.
Ya respondí sobre los hechos de esta pregunta en skeptics.SE, aquí y aquí . Debe leer ambos documentos con mucho cuidado, destaqué los hechos más importantes, pero esta es una pregunta muy complicada, especialmente. a la hora de definir qué es la actividad mental. Los documentos también brindan una explicación de cómo la señal de fMRI está vinculada a la actividad NEURONAL, por lo que recuerdo, no existe un vínculo directo fuerte.
Usted asume en su pregunta que un matemático que resuelve una ecuación diferencial necesita una mayor actividad mental que un niño que lee un libro. ¿Es esto legítimo? Parece intuitivo pero también muy subjetivo. En el paper mencionan que por el mayor y menor consumo de energía perdemos el conocimiento.No sacaré conclusiones de esto. Sin embargo, está hablando de actividades mentales conscientes, por lo que esto puede responder a su pregunta. Para mí significa más que la comprensión del cerebro humano en neurobiología está al nivel del modelo atómico de Rutherford en física a principios del siglo XX. Realmente no tenemos idea de cómo se procesa la información y cómo está restringida por las leyes físicas y los principios de entropía y energía. Al leer los 2 documentos, parece que el cerebro humano no está aumentando el consumo de energía como lo haría una computadora (la analogía de la computadora falla en gran medida en comparación con el cerebro humano). La mayor parte de la energía se utiliza para procesos inconscientes en "modo de espera".
Al igual que en la física, los casos extremos, como los sabios y los discapacitados mentales, son probablemente el mejor punto de partida para excluir posibles modelos del cerebro humano y las condiciones límite físicas, ya que no podemos abordar las cuestiones del cerebro humano de manera reduccionista. ¿Cómo pueden los sabios como Kim Peekprocesar cantidades tan grandes de información Y guardarla. Es capaz de escanear las páginas de los libros una sola vez y saberlas de memoria a partir de entonces. Sin embargo, su cerebro no consume más energía que un cerebro humano promedio. Por lo tanto, la actividad mental probablemente no sea un término muy bueno, una cantidad o incluso no sea realmente adecuado para ser utilizado científicamente. ¿La actividad neuronal significa actividad mental (en el sentido de su definición?) Al leer los artículos, el problema es la separación de las actividades mentales y neuronales. Al principio hay que saber cuáles son las funciones y procesos cerebrales básicos que consumen la mayor parte de la energía. Sin embargo, el cerebro no está construido de forma modular como una computadora (la mayor parte de la energía se usa aquí para actualizar constantemente la RAM). Así que no hay realmente una forma objetiva de analizar y separar este consumo de energía modular,si aun es modular .
En mi opinión, la mayoría de los modelos sobre el procesamiento de la información en el cerebro humano son adivinanzas intuitivas (nuevamente Rutherford). Necesitamos experimentos y datos mucho más detallados (Blue Brain Project). fMRi es como analizar un átomo con una lupa. Además, el enfoque más próspero desde una perspectiva biofísica probablemente no sea el nivel de "actividad mental", sino la cantidad de información procesada por los cerebros humanos y el consumo de energía relacionado (Kim Peek). Pero, por lo tanto, necesitamos un modelo de cómo se guarda esta información en el cerebro humano. ¿Los humanos normales guardan la misma información que Kim Peek escaneando una página o simplemente no podemos recordarla conscientemente? Al resolver una ecuación diferencial, ¿Cuánta energía consume al recordar hechos y esa experiencia no es similar a leer un libro? ¿Cuánto son las tareas lógicas mentales y realmente hay alguna diferencia?
Me detendré aquí, espero que haya obtenido una idea de que la pregunta es, por supuesto, importante, pero demasiado pronto para ser respondida definitivamente. Creo que aprenderemos mucho más de proyectos como Blue Brain que de los experimentos con fMRI.
Esta respuesta se relaciona estrechamente con el mito clásico
Nosotros solo somos el 10% de nuestro poder cerebral
Como ocurre con muchas perogrulladas, contiene una pizca de verdad. Grandes áreas del cerebro están especializadas para tareas como las cortezas visual y motora. Se sabe que otras áreas son responsables de la memoria espacial (hipocampo) y el aprendizaje emocional (amígdala). Las funciones de orden superior como las que estás describiendo se asignan clásicamente a la corteza prefrontal, pero eso significa poco.
Debido a que existe cierto nivel de especificidad funcional en todo el cerebro, los estudios de fMRI que menciona generalmente analizan muchos lugares del cerebro (casi) simultáneamente. Luego comparan la activación relativa en diferentes áreas bajo diferentes condiciones, y son inteligentes sobre cómo enmarcan sus experimentos para determinar qué áreas están asociadas con qué respuestas.
El método más común para medir la actividad es a través de la respuesta BOLD, que mide el estado de oxigenación de la hemoglobina como indicador de la cantidad de sangre que fluye hacia el área bajo la suposición de que existe una alta demanda metabólica allí. A los efectos de esta discusión, esto es bastante útil ya que el suministro de glucosa debería ser un indicador razonable de la demanda metabólica, incluso si tiene limitaciones cuando se trata de predecir la actividad neuronal.
Entonces, ¿qué áreas son metabólicamente más activas mientras se realiza una actividad cognitiva? En este estudio prueban exactamente eso. Su hallazgo básico es que el ajedrez aumenta la actividad mental en ciertas áreas del cerebro, en particular los lóbulos parietal y occipital en condiciones reales de juego, y que la activación fue relativamente bilateral entre los hemisferios izquierdo y derecho. Solo lo hojeé, pero parece que los autores se sorprendieron de que la activación fuera menos prefrontal y más visuoespacial.
Creo que esto apoya la conclusión lógica: pensar requiere energía . Pero su cerebro se usa para muchas cosas, por lo que el cambio en la activación se entiende mejor en un sentido relativo. Ver la televisión también consume energía, preferentemente en la corteza visual. Al igual que jugar ultimate frisbee, en la corteza motora.
Referencias:
werner schmitt
Piotr Migdal
Vicente Vancalbergh