A fi om este greu –
Moleculele de semnalizare ajută la modularea activității generale a creierului.
Elefanții indieni au creier mai mare decât noi (evident). Șoarecii au un raport de masă creier-corp mai mare, iar balenele pilot cu aripioare lungi au mai mulți neuroni. Deci, ce îi face pe oameni – și mai precis, creierul uman – speciali?
În ceea ce privește organele, creierul uman consumă cu siguranță o tonă de energie – aproape 50 de grame de zahăr, sau 12 bulgări, în fiecare zi. Aceasta este una dintre cele mai mari cereri de energie în raport cu metabolismul organismului cunoscut între specii. Dar ce consumă toată această energie? Dacă creierul uman are dimensiunea prezisă și are numărul prezis de neuroni pentru o primată de dimensiunea sa și fiecare neuron individual utilizează cantități comparabile de energie cu cele ale altor mamifere, atunci utilizarea sa de energie nu ar trebui să fie excepțională.
Costul semnalizării
Un grup de oameni de știință în neuroștiință a speculat că poate cantitatea de semnalizare care are loc în creierul uman explică nevoile sale de energie sporite. O consecință a acestui fapt ar fi că regiunile creierului care sunt mai puternic conectate și fac mai multă semnalizare vor folosi mai multă energie.
Pentru a-și testa ipoteza, oamenii de știință au început prin a imagistica creierul a 30 de voluntari sănătoși, dreptaci, între 20 și 50 de ani. Imagistica a avut loc la două instituții separate și a permis cercetătorilor să coreleze utilizarea energiei unei anumite regiuni a creierului (măsurată prin metabolismul glucozei) cu nivelul său de semnalizare și conectivitate. Ei au descoperit că utilizarea energiei și semnalizarea au crescut în tandem în toate cele 30 de creiere. Dar anumite regiuni au ieșit. Căile de semnalizare din anumite zone ale cortexului – partea din față a creierului – necesită aproape 70% mai multă energie decât cele din regiunile senzorio-motorii.
Cortexul frontal este una dintre regiunile care s-au extins cel mai mult în timpul evoluției umane. Conform Robert Sapolsky„Ce este cel mai mult cortexul prefrontal este de a crea greu decizii în fața ispitei — amânarea satisfacției, planificarea pe termen lung, controlul impulsurilor, reglarea emoțională. PFC este esențial pentru a te face să faci ceea ce trebuie atunci când este mai greu de făcut.” Acestea sunt lucrurile cu care oamenii trebuie să se lupte constant. Și din punct de vedere energetic, este extraordinar de costisitor.
Modulația crescută este, de asemenea, cheia pentru cunoaștere
Nu numai semnalizarea necesită energie; modulează acea semnalizare, asigurându-se că aceasta are loc la nivelurile adecvate și numai la momentele adecvate.
Folosind Atlasul creierului uman Allen, acești cercetători au analizat activitatea genelor în cortexul frontal. Ei au descoperit o activitate crescută a neuromodulatorilor și a receptorilor acestora. Autorii notează că „creierul uman cheltuiește energie excesivă pentru reglarea de lungă durată a neurotransmisiei (rapide) cu neuromodulatori (lenti) precum serotonina, dopamina sau noradrenalina”. Și, de asemenea, opiacee endogene. „Acest efect se referă mai mult la stabilirea tonului excitabilității generale decât la transferul de informații individuale”, scriu ei.
Odată ce au corelat utilizarea energiei cu semnalizarea și neuromodulația cu acțiune lentă în cortex, ultimul lucru pe care l-au făcut oamenii de știință a fost să se uite la proiectul Neurosynth, care mapează funcțiile cognitive în regiunile creierului. Iată, părțile care absorb energie, sunt extrem de conectate, puternic modulate și extinse evolutiv ale cortexului sunt aceleași implicate în funcții complexe precum procesarea memoriei, citirea și inhibarea cognitivă. Acest lucru le susține ideea că „o arhitectură de semnalizare costisitoare este dedicată cunoașterii umane”.
Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adi7632
Comentarii recente