¿Cómo depende el consumo de energía del cerebro de la actividad mental?

¿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).

Respuestas (3)

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.


1. Raichle ME, Mintun MA. TRABAJO CEREBRAL E IMÁGENES CEREBRAL. Revisión anual de neurociencia 2006 julio; 29 (1): 449-476.

bueno, parece haber evidencia de que hay un límite inferior y superior de consumo de energía para realizar tareas cognitivas CONSCIENTE/CONSCIENTE . que el consumo de energía no puede aumentar una y otra vez, ya que entonces perdemos la conciencia. Parece más que necesitamos un marco distinto de actividad energética para permitir la conciencia. Que fMRI es un método bastante inexacto principalmente útil para visualizar correlatos neuronales no es una gran noticia.
Encontré ¿Pensar realmente duro quema más calorías? - Scientific American va de la misma manera - "A diferencia del ejercicio físico, los entrenamientos mentales probablemente no demandan mucha más energía de lo habitual. Creer que hemos agotado nuestros cerebros, sin embargo, puede ser suficiente para inducir el cansancio".
Lo que quiero saber, dado que el consumo de energía del cerebro es a) constante y b) alto para un órgano de su tamaño, es: ¿Cómo podemos AUMENTAR su consumo de energía y adelgazar sin necesidad de hacer ejercicio?

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.

Gracias, aunque estoy lejos de hacer una analogía con la computadora, especialmente cuando se trata de la información procesada. En realidad, el uso de energía (al menos, en principio) se puede medir por la generación de calor, incluso si no se sabe nada sobre el proceso. "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. ¿Está esto legitimado?" - Difícil de decir; mejor comparar a un matemático durante unas pocas horas de competencia vs control.
@PiotrMigdal, entonces, ¿qué respuesta estás buscando? ¿Alguna correlación entre "actividad mental" y energía, aunque realmente no defines cuál es la diferencia entre actividad neuronal y mental? Estoy un poco confundido ahora. La medición del calor generado es mucho más imprecisa que el consumo de oxígeno por fMRI. Aún más factores desconocidos. También en estos artículos compararon las tareas cognitivas con el cerebro en reposo. No estoy seguro de dónde debería señalarte. Tal vez debería preguntar primero en cognisci.SE si leer un libro y resolver un rompecabezas es realmente de un tipo muy diferente. traté de señalar
a algunos hechos neurobiológicos. Pero esperemos otras respuestas, seguro que es una pregunta difícil, pero en mi humilde opinión, actualmente hay demasiados defectos terminológicos para una respuesta clara.
@WernerSchmitt, es posible que desee participar en esta meta discusión =)
Esto suena insípido. De hecho, tenemos una comprensión bastante sólida de "cómo se procesa la información y cómo está restringida por las leyes físicas y los principios de entropía y energía". Es posible que carezcamos del poder computacional para construir buenos modelos predictivos, pero la base biológica física, química y molecular es bien conocida. Toda la discusión de "no entendemos el cerebro" es realmente una pista falsa. hacemos _ _ Es solo que el cerebro modela una red muy compleja con ciertas propiedades emergentes, cuya remodelación es extremadamente costosa.
@Konrad: si no conoce las propiedades emergentes, entonces no comprende el cerebro en un sentido significativo. Más importante aún, si no cree que los modelos predictivos son el estándar de lo que significa saber algo en ciencia, ¿cuál es su estándar?
@Christian No estoy de acuerdo. La mayor parte de la ciencia clásica es lo suficientemente simple como para ser captada por nosotros, pero este es un paradigma del pasado. Los modelos de sistemas biológicos, ya sea el cerebro, una sola célula, un ecosistema o la sociología, son simplemente demasiado complejos para ser vistos en su totalidad , hasta el más mínimo detalle. Tienes que acercar y alejar. Siempre que comprendamos un nivel determinado y sepamos cómo se interconectan los niveles, comprenderemos el sistema. Si exige que podamos examinar todos los niveles a la vez , predigo que la ciencia moderna fracasará. En todos los ejemplos enumerados.
@KonradRudolph Sí, la ciencia moderna es un fracaso. El descubrimiento de fármacos sigue siendo principalmente una cuestión de componentes de fuerza bruta a través de enormes bibliotecas de detección y luego esperar que algunos componentes que golpean pasen por ensayos clínicos. Casi todas las drogas fallan. El número que acierta es estadísticamente insignificante (p<0,05). Ni siquiera hacemos un proceso para mejorar, sino para descubrir nuevos medicamentos. Como cada año pasa exponencialmente más caro descubrir nuevos fármacos a través de la ley de Eroom. Entonces ni siquiera sabemos realmente cómo funcionan esas drogas que sí funcionan.
@Christian Note Hablé sobre el principio . Si no cree que la ciencia pueda comprender estos temas, entonces, ¿por qué estudia bioinformática? El descubrimiento de fármacos es una cosa completamente diferente: simplemente no tenemos buenos modelos aquí (pero tenga en cuenta que esto está cambiando , cambiará ).
@Konrad: (1) Cuando elegí estudiar bioinformática, tenía un poco más de fe en ella. No creo que el campo de la biología molecular produzca el retorno que promete. Mis apuestas personales están en QS/Health2.0 . (2) No estoy diciendo que la ciencia nunca entenderá el tema. Soy agnóstico acerca de si lo hará. Sin embargo, si desea afirmar que entiende algo en un sentido científico, debe hacer predicciones con su modelo. Redefinir el éxito es una tontería.

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:

  1. Logothetis, Nikos K., 2008. Qué podemos hacer y qué no podemos hacer con fMRI, Nature 453, 869-878
  2. Atherton M, Zhuang J, Bart WM, Hu X, He S, 2003. Un estudio de resonancia magnética funcional de la cognición de alto nivel. I. El juego de ajedrez, Cognitive Brain Research 16.