Wie hängt der Energieverbrauch des Gehirns von der geistigen Aktivität ab?

Der Energieverbrauch variiert nicht so stark zwischen Ruhen und Ausführen von Aufgaben, wie in einer Rezension von Marcus Raichle und Mark A. Mintun diskutiert :

Beim durchschnittlichen erwachsenen Menschen stellt das Gehirn etwa 2 % des gesamten Körpergewichts, aber etwa 20 % der verbrauchten Energie dar (Clark & ​​Sokoloff 1999), das Zehnfache dessen, was allein durch sein Gewicht vorhergesagt wird. Im Verhältnis zu dieser hohen Rate des laufenden oder „basalen“ Stoffwechsels (normalerweise gemessen, während man ruhig und wach mit geschlossenen Augen ruht), ist die Menge, die den durch die Aufgabe hervorgerufenen regionalen Bildgebungssignalen gewidmet ist, bemerkenswert gering.

Die mit PET gemessenen regionalen Anstiege des absoluten Blutflusses in Verbindung mit bildgebenden Signalen betragen selten mehr als 5–10 % des Ruheblutflusses des Gehirns. Dies sind bescheidene Modulationen in der laufenden Kreislaufaktivität, die die Gesamtrate des Gehirnblutflusses selbst während der erregendsten Wahrnehmungs- und heftigsten motorischen Aktivität selten beeinflussen (Fox et al. 1987, Friston et al. 1990, Lennox 1931, Madsen et al. 1995, Roland ua 1987, Sokoloff ua 1955).

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Aus der Kenntnis dieser Beziehungen kann man abschätzen, dass, wenn der Blutfluss und die Glukoseverwertung um 10 % zunehmen, der Sauerstoffverbrauch jedoch nicht, der Anstieg des lokalen Energieverbrauchs aufgrund einer typischen aufgabenbezogenen Reaktion nur 1 % betragen könnte. Es wird also deutlich, dass das Gehirn auch ohne eine bestimmte Aufgabe (dh wenn eine Person wach und in Ruhe ist) kontinuierlich eine beträchtliche Menge an Energie verbraucht.

Techniken wie fMRI messen relativ kleine Unterschiede, ihre Existenz widerspricht nicht der Behauptung, dass sich der Energieverbrauch des Gehirns zwischen dem Ruhezustand und der Ausübung einer Aktivität nicht stark ändert.

1. Raichle ME, Mintun MA. GEHIRNARBEIT UND BILDGEBUNG DES GEHIRNS. Annual Review of Neuroscience 2006 Jul;29(1):449-476.

Ich habe auf die Fakten dieser Frage bereits auf skeptics.SE, hier und hier geantwortet . Sie sollten beide Papiere sehr sorgfältig lesen, ich habe die wichtigsten Fakten hervorgehoben, aber das ist eine sehr knifflige Frage, besonders. wenn es darum geht, zu definieren, was geistige Aktivität ist. Die Papiere geben auch eine Erklärung, wie das fMRI-Signal mit der neuronalen Aktivität verbunden ist, soweit ich mich erinnere, gibt es keine starke direkte Verbindung.

Sie gehen in Ihrer Frage davon aus, dass ein Mathematiker, der eine Differentialgleichung löst, eine höhere geistige Aktivität benötigt als ein Kind, das ein Buch liest. Ist das legitim? Es scheint intuitiv, aber auch sehr subjektiv. In dem Papier erwähnen sie, dass wir für den höchsten und niedrigsten Energieverbrauch das Bewusstsein verlieren.Daraus ziehe ich keine Schlüsse. Sie sprechen jedoch von bewussten mentalen Aktivitäten, sodass dies Ihre Frage beantworten kann. Für mich bedeutet es vielmehr, dass das Verständnis des menschlichen Gehirns in der Neurobiologie auf dem Niveau des Rutherford Atomic Model in der Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts liegt. Wir haben nicht wirklich eine Ahnung, wie Informationen verarbeitet werden und wie sie durch physikalische Gesetze und Prinzipien der Entropie und Energie eingeschränkt werden. Wenn man die 2 Artikel liest, sieht es eher so aus, als ob das menschliche Gehirn den Energieverbrauch nicht erhöht, wie es ein Computer tun würde (die Computeranalogie versagt ziemlich im Vergleich zum menschlichen Gehirn). Die meiste Energie wird im „Standby-Modus“ für unbewusste Prozesse verbraucht.

Wie in der Physik sind Extremfälle wie Gelehrte und geistig Behinderte wahrscheinlich der beste Ausgangspunkt, um mögliche Modelle des menschlichen Gehirns und physikalische Randbedingungen auszuschließen, da wir uns den Fragen des menschlichen Gehirns nicht reduktionistisch nähern können. Wie können Gelehrte wie Kim Peeksolche riesigen Mengen an Informationen verarbeiten UND speichern. Er kann Buchseiten nur einmal scannen und kennt sie danach auswendig. Sein Gehirn verbraucht jedoch nicht mehr Energie als ein durchschnittliches menschliches Gehirn. Geistige Aktivität ist also wahrscheinlich kein sehr guter Begriff, keine Quantität oder gar wirklich geeignet, um wissenschaftlich verwendet zu werden. Bedeutet neuronale Aktivität mentale Aktivität (im Sinne Ihrer Definition?) Wenn Sie die Papiere lesen, ist das Problem die Trennung von mentalen und neuronalen Aktivitäten. Zuerst müssen Sie wissen, welche grundlegenden Gehirnfunktionen und Prozesse die meiste Energie verbrauchen. Allerdings ist das Gehirn nicht modular aufgebaut wie ein Computer (die meiste Energie wird hier für das ständige Auffrischen des Arbeitsspeichers verbraucht). Es gibt also keinen wirklich objektiven Weg, diesen modularen Energieverbrauch zu analysieren und zu trennen,wenn es überhaupt modular ist .

Meiner Meinung nach sind die meisten Modelle zur Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn intuitives Raten (wiederum Rutherford). Wir brauchen viel detailliertere Experimente und Daten (Blue Brain Project). fMRi ist wie die Analyse eines Atoms mit einer Lupe. Auch der aus biophysikalischer Sicht erfolgreichere Ansatz ist wahrscheinlich nicht das Niveau der "geistigen Aktivität", sondern die Menge der vom menschlichen Gehirn verarbeiteten Informationen und der damit verbundene Energieverbrauch (Kim Peek). Aber dafür brauchen wir ein Modell, wie diese Informationen im menschlichen Gehirn gespeichert werden. Speichern normale Menschen die gleichen Informationen wie Kim Peek beim Scannen einer Seite oder können wir uns nur nicht bewusst daran erinnern? Beim Lösen einer Differentialgleichung Wie viel Energie verbrauchen Sie, wenn Sie sich an Fakten erinnern, und ist diese Erfahrung nicht vergleichbar mit dem Lesen eines Buches? Wie viel sind mentale logische Aufgaben und gibt es überhaupt einen Unterschied?

Ich höre hier auf und hoffe, Sie haben eine Einsicht gewonnen, dass die Frage natürlich wichtig ist, aber zu früh, um sie endgültig zu beantworten. Ich denke, wir werden viel mehr aus Projekten wie Blue Brain lernen als aus fMRI-Experimenten.

Diese Antwort hängt eng mit dem klassischen Mythos zusammen

Wir nutzen nur 10 % unserer Gehirnleistung

Wie viele Binsenweisheiten enthält es ein Körnchen Wahrheit. Große Bereiche des Gehirns sind auf Aufgaben wie den visuellen und motorischen Kortex spezialisiert. Andere Bereiche sind dafür bekannt, für das räumliche Gedächtnis (Hippocampus) und das emotionale Lernen (Amygdala) verantwortlich zu sein. Funktionen höherer Ordnung, wie Sie sie beschreiben, werden klassischerweise dem präfrontalen Kortex zugeordnet, aber das bedeutet wenig.

Da es im gesamten Gehirn ein gewisses Maß an funktioneller Spezifität gibt, betrachten die von Ihnen erwähnten fMRI-Studien im Allgemeinen viele Stellen im Gehirn (fast) gleichzeitig. Anschließend vergleichen sie die relative Aktivierung in verschiedenen Bereichen unter unterschiedlichen Bedingungen und sind geschickt darin, ihre Experimente zu gestalten, um festzustellen, welche Bereiche mit welchen Reaktionen verbunden sind.

Die gebräuchlichste Methode zur Messung der Aktivität ist die BOLD-Reaktion, die den Oxygenierungszustand des Hämoglobins als Proxy für die Blutmenge misst, die in den Bereich fließt, unter der Annahme, dass dort ein hoher Stoffwechselbedarf besteht. Für die Zwecke dieser Diskussion ist dies ziemlich nützlich, da die Glukoseabgabe ein angemessener Indikator für den Stoffwechselbedarf sein sollte, auch wenn sie Einschränkungen bei der Vorhersage neuraler Aktivität hat.

Welche Bereiche sind also während einer kognitiven Aktivität metabolisch aktiver? In dieser Studie testen sie genau das. Ihr grundlegendes Ergebnis ist, dass Schach die mentale Aktivität in bestimmten Bereichen des Gehirns erhöht, insbesondere in den Parietal- und Okzipitallappen unter realen Spielbedingungen, und dass die Aktivierung relativ bilteral zwischen der linken und der rechten Hemisphäre war. Ich habe es gerade durchgesehen, aber es sieht so aus, als wären die Autoren überrascht gewesen, dass die Aktivierung weniger präfrontal und mehr visuell-räumlich war.

Ich glaube, das stützt die logische Schlussfolgerung: Denken kostet Energie . Aber Ihr Gehirn wird für viele Dinge verwendet, daher ist die Änderung der Aktivierung am besten in einem relativen Sinne zu verstehen. Auch Fernsehen kostet Energie, vorzugsweise im visuellen Kortex. Genauso wie das Spielen von Ultimate Frisbee im motorischen Kortex.

Verweise:

1. Logothetis, Nikos K., 2008. Was wir mit fMRI tun können und was nicht, Nature 453, 869-878
2. Atherton M, Zhuang J, Bart WM, Hu X, He S, 2003. Eine funktionelle MRT-Studie zur Kognition auf hoher Ebene. I. Das Schachspiel, Cognitive Brain Research 16.