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Quanta energia spendiamo pensando e usando il nostro cervello?

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Dopo una lunga giornata di lavoro o di studio, il tuo cervello potrebbe sentirsi come se fosse stato prosciugato di energia. Ma il nostro cervello brucia più energia quando si impegna nell’atletica mentale o durante altre attività, come guardare la TV?

Per rispondere a questa domanda, dobbiamo guardare alla sala macchine del nostro cervello: le cellule nervose. La principale valuta energetica delle nostre cellule cerebrali è una molecola chiamata adenosina trifosfato (o ATP), che il nostro corpo ricava dallo zucchero e dall’ossigeno.

Il monitoraggio del consumo di energia cerebrale può essere effettuato utilizzando sia lo zucchero che l’ossigeno, ma l’ossigeno è l’opzione più accessibile.

Tracciando il consumo di ossigeno, il cervello rappresenta circa il 20% del consumo energetico del corpo, nonostante rappresenti solo il 2% del suo peso.

Si tratta di circa 0,3 chilowattora (kWh) al giorno per un adulto medio, più di 100 volte il fabbisogno giornaliero di un tipico smartphone. Ed è equivalente a 260 calorie o 1.088 kilojoule (kJ) al giorno (l’apporto energetico totale di un adulto medio è di circa 8.700 kJ al giorno).

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Come lo sappiamo?

Nel 2012, il neuroscienziato britannico David Attwell e colleghi hanno misurato il consumo di ossigeno in fette di cervello di ratto.

Hanno determinato che mentre il 25% del fabbisogno energetico viene utilizzato per attività di pulizia, come la manutenzione delle pareti cellulari, la maggior parte del 75% viene utilizzata per l’elaborazione delle informazioni, come l’elaborazione e la trasmissione di segnali neurali.

Non possiamo misurare il consumo di energia cerebrale negli esseri umani in questo modo, ma possiamo seguire l’ossigeno, poiché una maggiore attività cerebrale richiede più ossigeno.

Un approccio per misurare le variazioni del consumo di ossigeno del nostro corpo consiste nel misurare i livelli di CO₂ tramite un dispositivo capnografico (dove l’aria entra in un tubo). Ciò richiede ai partecipanti di indossare una maschera, ma per il resto non è invasivo.

La ricerca mostra infatti che un aumento del carico mentale (come l’esecuzione di calcoli mentali, ragionamento o multitasking) è collegato all’aumento del consumo di ossigeno (misurato tramite il rilascio di CO₂).

Tuttavia, l’aumento del consumo di ossigeno potrebbe anche essere dovuto al fatto che tutto il corpo reagisce a una situazione emotiva e stressante e non riflette i cambiamenti effettivi nell’attività cerebrale.

Possiamo misurare l’uso di ossigeno solo nel cervello?

È complicato. L’aumento dell’attività cerebrale innesca un maggiore apporto di sangue ricco di ossigeno. Quella fornitura extra di sangue ricco di ossigeno è specifica per regione e può essere (letteralmente) incanalata con precisione micrometrica verso i neuroni attivi.

Poiché il sangue e il suo ossigeno sono debolmente attratti dai campi magnetici, possiamo utilizzare la risonanza magnetica (RM), uno strumento privo di radiazioni, per ottenere una misura, seppur indiretta, dell’attività cerebrale.

Ma sfortunatamente, non possiamo usare la risonanza magnetica per dirci quanta energia usa il nostro cervello per diverse attività mentali. Gli studi di risonanza magnetica possono identificare solo differenze relative nell’attività cerebrale e nel consumo di energia piuttosto che valori assoluti.

Questo ha senso, però, dato che il nostro cervello è sempre acceso e quindi ha sempre bisogno di energia. Anche in momenti, potremmo considerare casualmente stati mentali inattivi, elaboriamo ancora grandi quantità di informazioni.

Innanzitutto, c’è l’input sensoriale sempre presente: in genere non trascorriamo la nostra giornata in una vasca di galleggiamento buia.

In secondo luogo, la nostra attività mentale, anche in uno stato apparentemente privo di compiti, rimbalzerà da noi ricordando eventi passati e pianificando il nostro futuro.

Infine, ci sono le nostre emozioni, che, anche se sottili (come sentimenti di serenità o incertezza), sono il prodotto dell’attività cerebrale e quindi comportano un costo energetico continuo.

Quindi, quanto aumenta l’attività cerebrale?

Prendiamo qualcosa di semplice, come prestare attenzione. Studi di risonanza magnetica hanno dimostrato che il monitoraggio attento degli oggetti in movimento rispetto alla loro osservazione passiva aumenta l’attività cerebrale nella nostra corteccia visiva di circa l’1%.

Non sembra molto, soprattutto considerando che il lobo occipitale, che ospita la corteccia visiva (che dà un senso a ciò che vediamo), costituisce solo circa il 18% della nostra massa cerebrale.

Ma è interessante notare che l’elaborazione delle informazioni visive porta a una riduzione dell’attività nelle aree uditive, il che significa che spendiamo meno energia per elaborare i suoni nel nostro ambiente. Funziona anche al contrario: quando ci occupiamo di informazioni uditive, riduciamo la nostra attività di elaborazione visiva.

A livello dell’intero cervello, il costo dell’attenzione a uno stimolo visivo è probabilmente già compensato dai risparmi nell’elaborazione uditiva.

Quindi, in poche parole, la ricerca ci dice che l’attività mentale è effettivamente correlata all’aumento del consumo di energia. Tuttavia, l’aumento è minimo, specifico per regione e spesso compensato da diminuzioni di energia in altre aree.

Allora perché ci sentiamo esausti dopo troppa attività mentale?

Probabilmente è il risultato di stress mentale. Compiti mentali complessi sono in genere anche emotivamente impegnativi e portano a una maggiore attivazione del nostro sistema nervoso simpatico, portando infine all’affaticamento mentale e fisico.

La buona notizia è che non dobbiamo preoccuparci che troppa attività mentale prosciughi la nostra energia cerebrale. Ma è comunque una buona idea mantenere il ritmo per evitare il sovraccarico mentale, lo stress e l’affaticamento.

Autore

Oliver BaumannBond University