Jak ciężko jest myśleć?

Uff, jak gorąco. Gdy piszę te słowa, przez Polskę przechodzi fala upału. Muszę się przyznać, że gdy robi się nieznośnie ciepło, trudno mi skupić myśli na czymkolwiek.

Nie tylko mnie, rzecz jasna. Nie bez powodu na południu Europy wymyślono siestę, czyli odpoczynek, gdy temperatury w ciągu dnia są najwyższe.

Jak pisałem dwa tygodnie temu w tekście „Upały kosztują nas zdrowie (psychiczne)”, podczas fal gorąca spadają wyniki studentów na egzaminach, wydajność pracowników. A do tego wszyscy czujemy się rozdrażnieni.

Organizm broni się przed upałem rozszerzając naczynia krwionośne skóry. A to sprawia, że mniej krwi napływa do kluczowych organów – w tym mózgu. To, że w upał gorzej nam się myśli nie powinno dziwić.

Zwłaszcza że ludzki mózg ma spore potrzeby. Stanowi około 2 procent masy ciała, ale zużywa około 20 procent energii organizmu. U noworodków jest to nawet do 50 procent (podaję za pracą opublikowaną w „Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism” w 2012 roku).

Te liczby sprawiają wrażenie, że mózg jest głównym energożercą organizmu. Tymczasem wcale tak nie jest.

Mięśnie spalają więcej niż mózg

Ludzka wątroba również stanowi 2 procent masy ciała (dochodząc niekiedy do 3 procent), czyli jest wielkości mózgu lub niewiele większa, zużywa około 20-30 proc. energii (proporcjonalnie więcej, gdy jej masa jest większa). Jej energożerność dorównuje mózgowi.

Nawet gdy siedzimy lub leżymy, pracują mięśnie szkieletowe. Zużywają 20 do 30 procent zasobów energii organizmu. Równie „kosztowne energetycznie” dla organizmu są mięśnie – i to w stanie spoczynku.

Podczas wysiłku fizycznego rzecz jasna to mięśnie stają się głównym odbiorcą energii naszych ciał. Także podczas umiarkowanego wysiłku jest to nawet pięćdziesiąt razy więcej niż w stanie spoczynku. Jednym słowem wystarczy wyjść na spacer, żeby „głównym energożercą” organizmu stały się mięśnie, nie mózg.

Nawiasem mówiąc, mięśnie w stanie spoczynku zużywają jako paliwo głównie węglowodany. Tłuszcze stanowią wtedy nieco ponad jedną czwartą źródła energii. Podczas wysiłku, nawet tego umiarkowanego, zaczynają spalać kwasy tłuszczowe, które stanowią nawet do 85 procent „paliwa” (pisali badacze we “Frontiers in Physiology” w 2022 roku).

(Nie ma jednak się co cieszyć, że podczas siedzenia na kanapie mięśnie spalają głównie węglowodany. To żadna wymówka, by jeść słodycze. Niespalone węglowodany organizm łatwo zamienia na kwasy tłuszczowe – a te na tkankę tłuszczową na brzuchu).

Jeśli chodzi o liczby bezwzględne – nie procent zużywanej przez ciało energii, lecz ilość kalorii w przeliczeniu na kilogram masy danego narządu – najbardziej aktywne metabolicznie są serce i nerki, które potrzebują 440 kilokalorii (w przeliczeniu na kilogram masy tkanki, dziennie).

Mózg jest pod tym względem drugi (240 kcal/kg), wątroba zaś trzecia (200 kcal/kg). Mięśnie szkieletowe potrzebują jedynie 13 kcal na kilogram dziennie. (Te liczby cytuję za pracą z “The American Journal of Clinical Nutrition” opublikowaną w 2010 roku).

Nerki i serce pochłaniają mniejszą część zasobów energii niż mózg (czy wątroba) tylko dlatego, że są lżejsze. Mięśnie z kolei pochłaniają niewiele w przeliczeniu na jednostkę masy, zużywają jednak jej całkiem sporo, bowiem mamy kilkadziesiąt kilogramów mięśni – stanowią od 30 do 40 procent masy ciała.

Czy wykorzystujemy 10 procent mózgu?

Obaliliśmy pierwszy mit, że mózg jest największym energożercą organizmu. Pora na drugi mit: że na co dzień wykorzystujemy jedynie niewielką część mózgu. To twierdzenie rozbrajaliśmy w OKO.press w ubiegłym roku.

Argumentów przeciwko mitowi 10 proc. jest wiele, pisała w tekście “Czy ludzie używają tylko 10 procent swojego mózgu?” Justyna Grzechocińska. Jednym z nich jest ten, że ewolucja nie pozwala na marnotrawstwo. Mózg, który wykorzystywałby jedynie 10 proc. swoich mocy, nie byłby wart wysokich kosztów utrzymania. Istoty z dużymi i rzadko używanymi w pełni mózgami zostałyby wyeliminowane przez mechanizm doboru naturalnego.

Mózg nie ma żadnych wielkich i uśpionych rezerw (na pewno nie jest to 90 procent mocy). Pewne rezerwy posiada, ale nie są one wielkie.

„Przy prostej czynności zaparzania kawy rano, czyli podejścia do ekspresu z kawą, wsypania ziaren, wciskania przycisku wyboru rodzaju kawy aktywują się: płat potyliczny i ciemieniowy, motoryczna kora czuciowa i czuciowo-ruchowa, zwoje podstawy, móżdżek i płaty czołowe. W ciągu kilku sekund niemal w całym mózgu pojawia się burza aktywności neuronalnej. Używamy pełnej mocy naszego mózgu, nawet jeśli nie jesteśmy tego świadomi” – pisała Justyna Grzechocińska.

Nawet podczas snu żaden obszar mózgu nie jest całkowicie nieaktywny. Jak dotąd elektryczna stymulacja części mózgu podczas neurochirurgii nie ujawniła żadnego uśpionego obszaru mózgu.

Ile „mocy obliczeniowej” idzie na myślenie

Załóżmy, że weszliśmy właśnie do domu po męczącym dniu pracy. Marzymy o wyciągnięciu się w fotelu lub na kanapie. Ten zasłużony odpoczynek wcale nie oznacza, że aktywność metaboliczna mózgu znacząco spadnie. Będzie niewiele niższa niż była podczas intensywnej pracy umysłowej.

Wiem, na pewno są Państwo zaskoczeni. Ja również. Tak jednak wynika z przeglądu badań na ten temat, które przeprowadził niedawno zespół Sharny Jamadar z australijskiego Monash University. Wykonywanie angażujących intelektualnie zadań zwiększa zużycie energii przez mózg jedynie o 5 procent, piszą autorzy pracy „The metabolic cost of cognition” (czyli „Metaboliczny koszt procesów poznawczych”) opublikowanej w „Trends in Cognitive Sciences” w czerwcu tego roku.

Innymi słowy, nasz mózg cały czas pracuje na wysokich obrotach, mniej więcej na 95 procentach swoich możliwości. Gdy zaś wydaje nam się, że włączamy najwyższy bieg, zużycie paliwa (czyli glukozy i tlenu) rośnie jedynie nieznacznie.

Na co idzie ta cała energia?

Całkiem aktywna „sieć spoczynkowa”

W 2001 roku amerykański neurolog Marcus Raichle zauważył, że gdy nasz mózg wykonuje zadania wymagające świadomej uwagi, włączają się obszary, które nazwał „siecią zadaniową” (task positive network, TPN).

Jednocześnie odkrył, że gdy nie jesteśmy zaangażowani w żadną konkretną czynność umysłową, aktywność mózgu wcale nie cichnie. Włączają się wtedy inne połączone ze sobą ośrodki. Raichle nazwał ten obszar „siecią spoczynkową” (po angielsku default mode network, DMN).

Sieć spoczynkowa wydawała się rodzajem odpowiednika jałowego biegu w samochodzie. Jednak nie jest tak do końca jałowa i spoczynkowa. Jak wykazały późniejsze badania, te „spoczynkowe” obszary mózgu są zaangażowane w niektóre ważne zadania.

Są nimi na przykład przetwarzanie informacji wzrokowych, konsolidacja wspomnień społecznych (o innych ludziach i relacjach międzyludzkich) oraz autobiograficznych (o sobie samym). W tych obwodach krążą informacje nie tylko o naszej przeszłości, lecz także przyszłości. To w nich powstają nasze marzenia, plany i pomysły.

Odpływanie myślami sprzyja kreatywności. Cóż, nie bez przyczyny Archimedes zakrzyknął „Eureka!” (jak głosi legenda) wyskakując z wanny. Czyli po dłuższym myśleniu o niebieskich migdałach w kąpieli.

Maszyna do zarządzania

Sieć spoczynkowa to, można powiedzieć, wierzchołek góry lodowej aktywności mózgu. Jest ona najbardziej aktywna, gdy niczym szczególnym się nie zajmujemy. Jednak inne ośrodki również pracują.

„Panuje przekonanie, że mózg służy do myślenia” – mówi magazynowi Quanta neurobiolog Jordan Theriault z Northeastern University (komentujący zaskakujące badania o niskim zapotrzebowaniu na energię podczas myślenia). „Tymczasem z metabolicznego punktu widzenia większość funkcji mózgu polega na zarządzaniu ciałem, regulowaniu i koordynowaniu pracy organów, kierowaniu tym kosztownym systemem, który połączony jest ze środowiskiem zewnętrznym i w nim się porusza”.

Nasze mózgi przede wszystkim sterują bardzo złożonymi mechanizmami fizjologicznymi. Kierują zasoby tam, gdzie są potrzebne, gdy świadomie i nieświadomie reagujemy na otoczenie.

Pamiętacie Państwo upał? Mózg, a konkretnie ośrodek termoregulacji, otrzymuje sygnał o wysokiej temperaturze otoczenia. Wysyła sygnały o rozpoczęciu intensywniejszej akcji chłodzenia organizmu. Trzeba rozszerzyć naczynia krwionośne, przyspieszyć akcję serca, ograniczyć filtrowanie krwi przez nerki i produkcję moczu, zwiększyć pocenie, skontrolować poziom nawodnienia i w razie niskiego wysłać sygnał o pragnieniu.

Wszystko to dzieje się bez udziału świadomości, do niej dociera tylko, że chce nam się pić i chętnie poszukalibyśmy zacienionego miejsca. Reagowanie na otoczenie to złożona sprawa.

Maszyna do przewidywania

Mózg nie tylko zarządza sytuacją na bieżąco. Bezustannie przewiduje również, co może się stać za chwilę. Jest „maszyną do przewidywania”. Czy ten szelest w krzakach to wiatr, czy drapieżnik? Czy ten człowiek to mój wróg, czy sprzymierzeniec? Na te pytania może odpowiedzieć analizując doświadczenia z przeszłości. Rzadko kiedy sytuacje, które mózg analizuje, są aż tak proste.

Niezwykle często musi rozważać różne alternatywne scenariusze i ich potencjalne skutki równolegle. Jeśli zacznę teraz wyprzedzać, czy zdążę zjechać z lewego pasa? A co, jeśli jadący z naprzeciwka przyspieszy? Jakie jest ryzyko, że nie zdążę i jakie mogą być konsekwencje?

Mózg nie oblicza, jaka jest droga hamowania przy tej prędkości, ryzyko zboczenia z jezdni czy skutki uderzenia w drzewo na poboczu, tylko znów przywołuje wcześniejsze doświadczenia i na tej podstawie stara się przewidzieć przyszłość.

My prowadzimy samochód sporadycznie. Mózg prowadzi ciało przez większość doby i bezustannie musi analizować różne scenariusze. Nic dziwnego, że jego działanie „w tle” zużywa sporo energii.

Zmęczenie myśleniem, czyli oszczędzaj energię

To każe nieco inaczej spojrzeć na zmęczenie umysłowe. Nie polega na tym, że mózgowi brakuje energii – przecież podczas aktywności umysłowej zużywa jej niewiele więcej.

Przyczyna umysłowego znużenia musi być inna. Naukowcy sugerują, że zmęczenie umysłowe to rodzaj sygnału, który ma nas skłonić do oszczędzania energii. To prawda, pięć procent zużycia energii zaoszczędzonej na „niemyśleniu” to różnica niewielka. Przekłada się raptem na jeden procent energii mniej zużywanej przez cały organizm.

Dziś raczej nie doświadczamy sytuacji, w których jeden procent wydatkowanej energii więcej mógłby nam zaszkodzić. Najwyraźniej jednak musiał czasem przesądzać o przeżyciu naszych przodków.

Nie musimy przy tym cofać się w czasy prehistoryczne. W zasadzie do początków ubiegłego stulecia przednówek stanowił na wsi synonim nędzy i głodu.

To nie spadek cukru

Ten sygnał o umysłowym wyczerpaniu bywa dotkliwy. Bywa czasem przypisywany pół żartem, pół serio, spadkowi poziomu glukozy we krwi.

Spadek poziomu glukozy rzeczywiście może zaczynać się od poczucia zmęczenia i problemu z zebraniem myśli (towarzyszy mu też wyrzut adrenaliny i wywołane nią objawy, na przykład odczucie niepokoju). Nie ma jednak powodu, by sądzić, że jeden procent więcej spalanej glukozy może przyczynić się do hipoglikemii u zdrowej osoby. Organizm szybko uruchomi rezerwy glukozy z mięśni, a potem glikogenu z mięśni i wątroby.

Zdecydowanie nie jest to “spadek cukru”. Mózg zużywa przecież raptem o jeden procent glukozy więcej na intensywne myślenie.

Dlaczego dłuższy intensywny wysiłek umysłowy nas męczy, dość długo pozostawało tajemnicą. Powstało kilka hipotez.

Jedną z nich było uszczuplenie mechanizmu samokontroli – w szczególności mechanizmu kontroli impulsów. Zwykle otacza nas wiele pokus, które mogą nam sprawić szybką przyjemność. Mechanizm samokontroli pozwala na hamowanie takich impulsów w celu realizacji bardziej odległego celu. Gdy jesteśmy zmęczeni umysłowo, zaczyna szwankować.

Jednak jak ten mechanizm mógłby ulegać wyczerpaniu, pozostawało niewyjaśnione. Nie bardzo wiadomo było także, dlaczego to samokontrola jest tak trudna do utrzymania. Inne procesy poznawcze nie ulegają “zmęczeniu” (lub ulegają w znacznie słabszym stopniu).

Powstała też hipoteza, która zmęczenie umysłowe tłumaczyła tym, że wysiłek intelektualny z czasem staje się zbyt męczący, by jego rezultat mógł pobudzić ośrodek nagrody. Zmęczenie byłoby rodzajem sygnału, że nie warto przedłużać aktualnej czynności umysłowej.

Z tą hipotezą jest zasadniczy problem – zwiększanie nagrody za ukończenie zadania ani nie usuwa, ani nie zmniejsza poczucia umysłowego znużenia. Poza tym, czemu mózg miałby dochodzić do takiego wniosku (“nie warto się męczyć”) po upływie dłuższego czasu – a nie wcześniej?

Podstępny glutaminian

Więcej sensu miały hipotezy, że za zmęczenie intelektualne odpowiadają jakieś związki chemiczne (inne niż glukoza), które ulegają wyczerpaniu lub powstają w nadmiarze w wyniku umysłowej aktywności.

Podejrzenia naukowców wzbudził jeden z neuroprzekaźników, czyli związków chemicznych pozwalających na komunikację neuronów między sobą: glutaminian (czyli jon kwasu glutaminowego). Zbyt wysokie stężenia glutaminianu są dla neuronów szkodliwe. Jego nadmiar wydawał się dobrą kandydaturą na przyczynę umysłowego wyczerpania.

W 2022 roku naukowcy udowodnili, że podczas wysiłku umysłowego w korze bocznej przedczołowej akumuluje się glutaminian (o czym donieśli w pracy opublikowanej w „Current Biology”).

(Dla dociekliwych, związki chemiczne w mózgu można badać za pomocą nieinwazyjnych technik obrazowych. Była to spektroskopia rezonansu magnetycznego. Aparat do tego rodzaju spektroskopii może odbierać sygnały rezonansowe jąder określonych pierwiastków, przez co można zidentyfikować sygnały wybranych związków chemicznych).

Glutaminian pobudza neurony do aktywności. Stąd może wynikać narastające ze zmęczeniem umysłowym poczucie problemu z zebraniem myśli i ogólnego niepokoju. Zapewne wielu z nas zdarzyło się dojść do takiego stanu wyczerpania umysłowego, że mieliśmy poczucie, że mózg nam staje.

To sygnał, że rzeczywiście za chwilę niektóre neurony przestaną działać. Zbyt wysokie stężenie glutaminianu prowadzi do fizycznego uszkodzenia komórek neuronów.

Nawiasem mówiąc, choć za zmęczenie umysłowe nie może odpowiadać spadek poziomu glukozy we krwi, to nadmierny jej spadek (hipoglikemia) prowadzi do wzrostu ilości glutaminianu.

Wysiłek fizyczny też męczy nas umysłowo

Ten sam zespół badał również sportowców. I odkrył, że glutaminian gromadzi się także przy dłuższym wysiłku fizycznym (tak), wymagającym świadomej kontroli ruchów (je również nadzoruje kora przednia przedczołowa). Nie jest więc to mechanizm charakterystyczny jedynie dla wysiłku umysłowego.

Męczy nas zatem każda aktywność, na której trzeba się koncentrować, także fizyczna. Mniej męczą jedynie zadania, które możemy wykonywać półautomatycznie i odruchowo.

W zasadzie nie powinno nas to dziwić. Obfitość pożywienia przez tysiąclecia była przywilejem najbardziej zamożnych. Zwierzęta doskonale wiedzą, czym jest głód. I przez tysiąclecia było to także udziałem większości ludzi. Nic dziwnego, że ewolucja nie promowała zużywania energii – wręcz przeciwnie.