Пределы разумного — 5 %

Краткое изложение статьи «Сколько энергии требуется, чтобы думать?», опубликованной в журнале Quanta Magazine 4 июня 2025 года.

Исследование, проведённое нейробиологом Шарной Джамадар из Университета Монаша в Австралии, показало, что активный процесс мышления увеличивает потребление энергии мозгом всего на 5% по сравнению с состоянием покоя. Это означает, что большая часть энергии расходуется не на сознательные мыслительные процессы, а на поддержание базовых функций мозга. Наш мозг регулирует ключевые физиологические системы нашего организма, направляя ресурсы туда, где они необходимы, поскольку мы сознательно и подсознательно реагируем на требования постоянно меняющейся окружающей среды.

Мозг — это не просто когнитивная машина, а объект, созданный эволюцией, и, следовательно, ограниченный энергетическим бюджетом биологической системы. Таким образом, процесс мышления может вызывать у вас чувство усталости не потому, что у вас заканчивается энергия, а потому, что вы эволюционировали для сохранения ресурсов.

Управление человеческим мозгом обходится весьма дорого. Этот орган, составляющий примерно 2% от массы тела, потребляет 20% энергетических ресурсов организма. «Он чрезвычайно требователен к метаболизму», — утверждает Шарна Джамадар. У младенцев эта цифра приближается к 50%.

Энергия поступает в мозг в виде молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которую клетки вырабатывают из глюкозы и кислорода. Огромное количество капилляров — примерно 400 миль сосудистой сети — пронизывает ткани мозга, доставляя кровь, богатую глюкозой и кислородом, к нейронам и другим клеткам мозга. Синтезированный в клетках АТФ обеспечивает связь между нейронами, которые передают электрические сигналы в свои синапсы. Сила сигнала определяет, сработает ли система передачи сообщения к следующему нейрону. Известно, что поддержание так называемых мембранных потенциалов — стабильных напряжений на мембране нейрона, которые гарантируют, что клетка готова к активизации в случае необходимости, — составляет по меньшей мере половину общего энергетического баланса мозга.

Измерение потребления энергии мозгом напрямую затруднено, поэтому исследователи используют для оценки потребления глюкозы и кровотока косвенные методы, такие как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). При одновременном проведении ПЭТ и фМРТ можно получить дополнительную информацию о том, как глюкоза потребляется мозгом. Это не полный показатель использования энергии мозгом, поскольку нервные ткани также могут преобразовывать в АТФ некоторые аминокислоты, но подавляющее большинство АТФ в мозге вырабатывается в результате метаболизма глюкозы. Мозг, выполняющий активные задачи, потребляет всего на 5% больше энергии по сравнению с мозгом в состоянии покоя. Когда мы выполняем трудоемкую, целенаправленную задачу, например, изучаем расписание автобусов в новом городе, частота срабатывания нейронов в соответствующих областях мозга или сетях увеличивается — в данном случае, в областях обработки изображений и речи. Это составляет дополнительные 5%; остальные 95% идут на основную метаболическую нагрузку мозга.

Нейробиолог Джордан Терио из Северо-Восточного университета в Бостоне (США) считает, что мозг — это механизм прогнозирования: он постоянно моделирует будущие события для поддержания гомеостаза — стабильного внутреннего состояния организма. Это включает в себя регулирование температуры тела, уровня сахара в крови, сердечного ритма и других жизненно важных параметров. Таким образом, большая часть энергии мозга расходуется на предсказание и регулирование, а не на реакцию на внешние стимулы.

Исследователи не знают точно, как распределяется эта нагрузка, но за последние несколько десятилетий они выяснили, что делает мозг в фоновом режиме. «Примерно в середине 90-х мы как дисциплина начали осознавать, что на самом деле происходит целая куча всего, когда кто-то лежит в покое и явно не занят какой-либо задачей, — свидетельствует Шарма Джанадар. — Раньше мы думали о продолжающейся активности во время отдыха, которая не связана с текущей задачей, как о шуме, но теперь мы знаем, что в этом шуме содержится много сигналов». Большая их часть поступает в режиме сети по умолчанию, когда мы не проявляем видимой активности. Эта сеть задействована в мысленном переживании дрейфа между прошлым, настоящим и будущим сценариями — меню будущего ужина, воспоминаниями о прошлой неделе, болью в бедре. Кроме того, бессознательно наш мозг отслеживает физические переменные — температуру тела, уровень глюкозы в крови, частоту сердечных сокращений, дыхания и так далее, — которые должны оставаться стабильными в состоянии, известном как гомеостаз, чтобы поддерживать нашу жизнь. 

Нейробиолог Захид Падамси из Медицинского колледжа Вайля Корнелла в Катаре, не принимавший участие в исследовании, отмечает, что мозг эволюционировал в условиях ограниченных энергетических ресурсов, что привело к его высокой энергоэффективности. В мозге есть встроенные системы, предотвращающие перенапряжение. «Вы активируете механизмы усталости, которые предотвращают дальнейшее выгорание», — объясняет он. Например, хотя нейроны теоретически могут передавать сигналы со скоростью до 500 герц, оптимальный режим работы без перегрузки составляет около 250 герц, а на практике нейроны работают со средней частотой всего около 4 герц. Кроме того, многие синаптические передачи не приводят к дальнейшему распространению сигнала, что также способствует экономии энергии.

Мы эволюционировали не для того, чтобы максимизировать общее количество передаваемой информации, а для того, чтобы максимизировать передачу информации на единицу потраченного АТФ, считает Захид Падамси. При отправке максимального количества информации с минимальными затратами энергии (бит на единицу АТФ), оптимальная частота возбуждения нейронов составляет менее 10 Герц.

Полный текст статьи доступен по ссылке: Quanta Magazine (en).