Ich denke , die Antwort von Chris Dennet ist etwas irreführend, und ich würde eher zitierte Abschnitte für eine so komplexe Frage als einige einsame Links sehen. Meiner Meinung nach besteht kein direkter Zusammenhang zwischen dem fMRT-Signal und der neuronalen Aktivität .

Ich suchte nach Forschungsergebnissen zu den Veränderungen der Gehirnaktivität (Schlaf, Ruhe, kognitive Aufgaben ...) und dem Gesamtenergieverbrauch des Gehirns. Ich habe zwei sehr gute Artikel gefunden, die Ihre Frage in ein größeres Bild rücken, ziemlich akademisch geschrieben, aber sie konzentrieren sich auf die Aussagen zum Energieverbrauch. Die Artikel diskutieren auch, was tatsächlich aus Bildgebungsdaten des Gehirns (fMRI, PET) abgeleitet werden kann und wie höhere bewusste Gehirnfunktionen mit physiologischen Veränderungen zusammenhängen, die durch diese Techniken gemessen werden.

Die grundlegende Schlussfolgerung ist, dass das Gehirn seinen Energieverbrauch nicht stark variiert, ob in Ruhe oder bei Belastung . Vielmehr braucht es eine hohe durchschnittliche Aktivität (hoher Stoffwechsel, Energieverbrauch), um eine bestimmte Funktionalität überhaupt zu ermöglichen. Es ist also nicht wie bei einem Computer, wo man ein Programm startet (analog zu höheren bewussten Gehirnfunktionen, zB Schach spielen) und dann steigt der Prozessor- und Speicherverbrauch. Stattdessen liegt der Energieverbrauch bereits und konstant auf einem hohen Durchschnittsniveau, sonst könnte das Betriebssystem (Gehirn) bestimmte Software (Funktion) gar nicht ausführen.**

Ich habe die wichtigsten Teile zitiert, aber beide Artikel geben einen ziemlich guten Überblick und zeichnen das Gesamtbild um Ihre Frage herum.

Das Gehirn macht etwa 2 % des Körpergewichts aus. Bemerkenswert ist, dass das Gehirn trotz seiner relativ geringen Größe etwa 20 % des Sauerstoffs und damit der vom Körper verbrauchten Kalorien ausmacht. Diese hohe Stoffwechselrate ist bemerkenswert konstant trotz sehr unterschiedlicher geistiger und motorischer Aktivität

was zeigt, dass die Maximalwerte des Sauerstoffverbrauchs und der Spike-Frequenz, die während der Stimulation erreicht wurden, von beiden Grundlinien (dh beiden Anästhesieniveaus) ungefähr gleich waren. Die Autoren behaupten, dass ein Gesamtniveau an laufender Aktivität erreicht werden muss, damit eine bestimmte Funktion auftreten kann

Diese hohe Stoffwechselaktivität ist sowohl vorhanden, wenn wir vollkommen passiv und ruhend sind, als auch wenn wir merklich etwas tun . In ihrer Analyse der Nutzung dieser Energie sind kürzlich zwei Forschungsrichtungen zusammengeführt worden. Beide haben sich auf die Stoffwechselanforderungen konzentriert, die mit der Glutamat-Signalübertragung im Gehirn verbunden sind. Dieser Fokus erscheint vernünftig, wenn man bedenkt, dass mehr als 80 % der Neuronen erregend sind und mehr als 90 % der Synapsen Glutamat freisetzen (6, 7). Attwell und Laughlin (8) haben einen Bottom-up-Modellierungsansatz gewählt, indem sie vorhandene Daten über die Netzhaut der Schmeißfliege und die Großhirnrinde von Säugetieren verwendet haben.Schätzungen aus ihrem Ansatz zeigen, dass der größte Teil der im Gehirn verbrauchten Energie für die Ausbreitung von Aktionspotentialen und für die Wiederherstellung postsynaptischer Ionenflüsse benötigt wird, nachdem Rezeptoren durch den Neurotransmitter stimuliert wurden . Im Gegensatz dazu macht die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials in Neuronen und Gliazellen weniger als 15 % des gesamten Energieverbrauchs aus. Shulman und seine Kollegen (9, 10) haben in einem ganz anderen Ansatz unter Verwendung von MRS bei anästhesierten Ratten bemerkenswert konvergierende Beweise dafür gezeigt, dass ein sehr großer Teil (≈80%) des Energieverbrauchs im Gehirn mit dem Glutamatkreislauf korreliert und daher aktive Signalisierungsprozesse

Es hat sich eine faszinierende Hypothese herausgebildet, dass die Reaktionsfähigkeit von Neuronen auf Änderungen in ihrem Input von einem kontinuierlichen, hochgradigen, aber ausgewogenen Input von sowohl erregender als auch hemmender Aktivität abhängt (für eine Übersicht siehe Lit. 29). Wichtig ist, dass es das Gleichgewicht zwischen diesem kontinuierlichen exzitatorischen und inhibitorischen Input ist, das die Verstärkung oder Reaktionsfähigkeit der Neuronen auf Korrelationen in ihrem Input bestimmt. In dieser Formulierung wird spontane fortlaufende Aktivität zu einem entscheidenden Faktor bei der Schaffung funktionaler Verbindungen innerhalb von Schaltkreisen, die für bestimmte Verhaltensweisen verantwortlich sind. Darüber hinaus kann diese korrelationsinduzierte funktionelle Konnektivität modifiziert werden, ohne Variationen in den mittleren Feuerungsraten der beteiligten Zellen zu verursachen. Wie Salinas und Sejnowski in ihrem Übersichtsartikel (29) aufgezeigt haben, haben balancierte Neuronen eine reichhaltige Dynamik und können auf effektive Zeitskalen auf externe Stimuli reagieren, die viel kleiner sind als die Membranzeitkonstante eines einzelnen Neurons.

Wie könnte dies also mit unserer Analyse des Energiehaushalts des Gehirns zusammenhängen? Es sollte beachtet werden, dass der größte Teil der oben diskutierten Neurophysiologie die synaptische Aktivität am Eingang zu Neuronen betrifft. Da die energieintensivsten Prozesse im Gehirn an diesen Stellen zentriert sind (27, 28), deutet dies darauf hin, dass ein Großteil des laufenden oder Grundstoffwechsels den dort stattfindenden Prozessen gewidmet ist. Wir könnten daher postulieren, dass im Gehirn ein Großteil seiner Stoffwechselaktivität laufenden synaptischen Prozessen gewidmet ist, die mit der Aufrechterhaltung eines angemessenen Gleichgewichts zwischen erregender und hemmender Aktivität verbunden sind. Die Aufrechterhaltung dieses Gleichgewichts ermöglicht es Neuronen, angemessen auf Korrelationsänderungen in ihrem Input zu reagieren und die für eine bestimmte Aufgabe erforderliche funktionelle Konnektivität herzustellen.

Daher können wir die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass die sehr hohe Grundlinie oder andauernde metabolische Aktivität des Gehirns nicht nur Prozesse unterstützt, die für die Aufrechterhaltung der richtigen Reaktionsfähigkeit von Neuronen für die vorübergehenden und sich ständig ändernden Funktionen des Gehirns notwendig sind, sondern auch eine anhaltende Funktionalität instanziiert.

Quelle

Im Vergleich zu der hohen Rate des laufenden oder „basalen“ Hirnstoffwechsels6 ist die Menge, die den durch die Aufgabe hervorgerufenen regionalen Bildgebungssignalen gewidmet ist, bemerkenswert gering (geschätzt auf weniger als 5 %) . Das Gehirn verbraucht kontinuierlich eine beträchtliche Menge an Energie, sogar in Abwesenheit einer bestimmten Aufgabe (dh wenn eine Person wach und in Ruhe ist). Es wurde gezeigt, dass ein erheblicher Teil der vom Gehirn verbrauchten Energie (möglicherweise die Mehrheit) das Ergebnis funktionell signifikanter spontaner neuronaler Aktivität ist.7 Aus dieser kostenbasierten Analyse der funktionellen Aktivität des Gehirns scheint es vernünftig zu sein, auf eine intrinsische Aktivität zu schließen kann in Bezug auf die Gesamtfunktion des Gehirns genauso signifikant, wenn nicht sogar noch wichtiger sein als die evozierte Aktivität.

Quelle

fMRI-Scanner-Bilder zeigen erhöhte Bereiche des Blutflusses in Teilen des Gehirns während geistiger Arbeit. Erhöhte neuronale Aktivität verursacht einen erhöhten Sauerstoffbedarf, und das Gefäßsystem überkompensiert dies tatsächlich, indem es die Menge an sauerstoffreichem Hämoglobin relativ zu sauerstoffarmem Hämoglobin erhöht ¹ .

Da sauerstoffarmes Hämoglobin das MR-Signal dämpft, führt die vaskuläre Reaktion zu einem Signalanstieg, der mit der neuralen Aktivität in Zusammenhang steht ² .

Es ist jedoch nicht bekannt, ob dies genau mit der neuronalen Aktivität korreliert, und es ist ein laufendes Forschungsgebiet ³ .

1. Oxygenierungsabhängigkeit der transversalen Relaxationszeit von Wasserprotonen in Vollblut bei Hochfeld
2. Zelluläre Mechanismen des Energiestoffwechsels im Gehirn und ihre Relevanz für die funktionelle Bildgebung des Gehirns
3. Baseline-GABA-Konzentration und fMRI-Antwort

Bearbeiten: Ich habe erfahren, dass diesem Artikel aufgrund mehrerer Schwächen nicht vertraut werden sollte .

Vielleicht Gailliot et al. 's ¹ Arbeit über Blutzucker und Selbstkontrolle ist eine direktere Antwort als die fMRT-Ergebnisse (ich bin auch etwas skeptisch wie Fußnote 3). Ich denke, der Zusammenhang mit dem Blutzucker ist nicht spezifisch für die Selbstkontrolle.

Die vorliegende Arbeit legt nahe, dass die Selbstkontrolle auf Glukose als begrenzte Energiequelle angewiesen ist. Labortests zur Selbstkontrolle (d. h. die Stroop-Aufgabe, Gedankenunterdrückung, Emotionsregulation, Aufmerksamkeitskontrolle) und zu sozialem Verhalten (d. h. Hilfsverhalten, Umgang mit Todesgedanken, Unterdrückung von Vorurteilen während einer interrassischen Interaktion) zeigten, dass (a) Akte der Selbstkontrolle reduzierten den Blutzuckerspiegel, (b) niedrige Blutzuckerwerte nach einer anfänglichen Selbstkontrollaufgabe prognostizierten eine schlechte Leistung bei einer nachfolgenden Selbstkontrollaufgabe und (c) anfängliche Akte der Selbstkontrolle beeinträchtigten die Leistung bei nachfolgenden Selbstkontrollaufgaben, aber der Konsum eines Glukosegetränks beseitigte diese Beeinträchtigungen. Die Selbstkontrolle benötigt eine bestimmte Menge an Glukose, um ungestört zu funktionieren. Ein einziger Akt der Selbstkontrolle führt dazu, dass der Glukosespiegel unter das optimale Niveau fällt.

¹ Gailliot, Matthew T.; Baumeister, Roy F.; DeWall, C. Nathan; Maner, Jon K.; Pflanze, E. Ashby; Tice, Dianne M.; Brauer, Lauren E.; Schmeichel, Brandon J. Journal of Personality and Social Psychology , Band 92(2), Februar 2007, 325-336. doi: 10.1037/0022-3514.92.2.325