大脑燃烧卡路里?

发布时间:2022-01-15 2评论 1534阅读
大脑燃烧卡路里?-心理学文章-壹心理
作者:脑友记
来源:微信公众号:脑友记BrainUp(ID:naoyouji-BrainUp)


不像我们平时所做的运动,脑力劳动似乎不会比锻炼身体需要更多的能量。然而,如果我们已经相信自己耗尽了大脑能量,那么就会引起身体精神的双重疲劳。


从上一年九月到第二年六月,他们拖着脚走出礼堂、体育馆和教室,眼睛在适应阳光,手指在摸索着唤醒已经连续四个小时没有声音的手机。有些人把手放在额头上,仿佛能擦去头痛。其他人在停车场前徘徊,不知道下一步该做什么。


他们绝对筋疲力尽,但这并不是因为任何剧烈的体育活动。实际上,这些高中生刚刚参加了高考。有同学表示,自己一到家就睡得很熟。


暂时性精神疲惫是一种真实而普遍的现象,重要的是要注意,它不同于与经常性失眠和一些慢性精神疲劳。事实上,每天感到精神疲惫十分正常。


长时间复杂的思考问题和高度精神集中比一般性的心理活动需要消耗更多的能量。正如剧烈的运动会使我们的身体感到疲惫一样,脑力活动也会使我们的大脑感到疲惫。


然而,最新的科学表明,关于精神疲惫的观点过于简单。无论我们是在处理积分运算,还是在浏览一些热搜信息时,大脑都会持续地为其大小的器官吸收大量能量。


尽管激活的神经元会召唤额外的血液、氧气和葡萄糖,但与大脑的暴食基线摄入相比,任何局部能量消耗的增加都微不足道


因此,在大多数情况下,短时间的额外脑力劳动需要比平时多耗费一点大脑能量,但并不是很多。一定有什么东西可以解释精神疲惫的感觉,即使它的生理机能不同于身体疲劳。仅仅相信我们的大脑花费了大量精力就足以让我们昏昏欲睡。


01 脑力


虽然成人大脑的平均重量约为1.4公斤,仅占身体总重量的2%,但它需要我们休息时代谢率(RMR)的20%——即我们的身体在一个非常慵懒的不活动的日子里消耗的总能量。RMR因人而异,这取决于年龄、性别、体型和健康状况


如果我们假设静止时的平均代谢率为1300卡路里,那么大脑就会消耗其中的260卡路里来维持正常的新陈代谢。也就是每小时10.8卡路里或每分钟0.18卡路里。通过一些数学运算,我们可以将这个数字转换为一种度量:


- 静息代谢率:1300千卡,用于营养

- 1300千卡/ 24小时= 54.16千卡/小时= 15.04克/秒

-15.04克热量/秒= 62.93焦耳/秒=约63瓦

- 63瓦的20% = 12.6瓦


因此,一个典型的成年人的大脑需要大约12瓦的能量,这是一个标准的60瓦灯泡所需能量的五分之一。与大多数其他器官相比,大脑是贪婪的。与人造电子产品相比,它的效率高得惊人。


能量以葡萄糖的形式通过血管到达大脑,葡萄糖通过血脑屏障运输,用来产生三磷酸腺苷(ATP),这是细胞内化学能的主要流通货币。在动物和人类身上进行的实验已经证实,当大脑某一特定区域的神经元受到刺激时,局部毛细血管会扩张,从而比平时输送更多的血液,同时输送更多的葡萄糖和氧气


这种一致的反应使得神经成像研究成为可能:功能性磁共振成像(fMRI)依赖于在放电神经元之间流动的血液的独特磁特性。研究还证实,一旦扩张的血管输送额外的葡萄糖,脑细胞就会吸收。


延伸这些发现的逻辑,一些科学家提出如下观点:如果激活神经元需要额外的葡萄糖,那么特别具有挑战性的智力任务应该降低血液中的葡萄糖水平,同样,吃富含糖的食物应该提高在这些任务中的表现。


尽管相当多的研究已经证实了这些预测,但整体上的证据仍然有些混乱,血糖水平的大多数变化十分微小。例如,在诺森比亚大学(Northumbria University)的一项研究中,完成一系列口头和数字任务的志愿者的血糖下降幅度比重复按键盘的人要大。


在同一项研究中,含糖饮料提高了其中一项任务的表现,但对其他任务没有影响。


在利物浦约翰摩尔斯大学,志愿者们执行了两个版本的Stroop任务,在这个任务中,他们需要识别打印单词的墨水颜色,而不是阅读单词本身:在一个版本中,单词和颜色匹配。在复杂的版本中,单词BLUE以绿色或红色墨水出现。那些完成更具挑战性任务的志愿者的血糖下降幅度更大,研究人员认为这是他们脑力更强的直接原因。


一些研究发现,当人们不擅长某项特定任务时,他们会付出更多的脑力劳动,使用更多的葡萄糖,同样,你的技能越熟练,你的大脑就越高效,所需的葡萄糖就越少。更复杂的是,至少有一项研究表明了相反的结果——更熟练的大脑需要更多的能量


02 不是简单的糖


来自葡萄糖研究矛盾的发现强调了大脑的能量消耗不是一个更大的脑力劳动消耗更多的身体可用能量的简单问题。渥太华大学的克劳德·梅西(Claude Messier)回顾了许多这样的研究。他仍然不相信任何一项认知任务都能显著改变大脑或血液中的葡萄糖水平。


他表示,理论上讲,难度更大的脑力工作确实需要更多的能量,因为有更多的神经活动,但当人们进行一项脑力工作时,你不会看到葡萄糖消耗在整体速度中有很大比例的增加。


基本水平是相当多的能量,即使在活动很少的慢波睡眠中,葡萄糖的消耗基线仍然很高。大多数器官不需要那么多能量来做基本的家务。


大脑必须积极地保持适当浓度的带电粒子穿过数十亿神经元的细胞膜,即使这些细胞没有放电活动。由于这种昂贵且持续的维护,大脑通常有足够的能量来做一些额外的工作。


其他综述论文的作者也得出了类似的结论。宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的罗伯特·库兹班(Robert Kurzban)指出,有研究表明,适度锻炼可以提高人们的注意力


例如,在一项研究中,在跑步机上走20分钟的孩子在学术成绩测试中比考试前安静阅读的孩子表现得更好。


如果脑力和能力只是葡萄糖含量的简单关系,那么那些运动的孩子(消耗了更多的能量)应该比那些安静的同龄人表现得更差。


汉普顿大学的利·吉布森(Leigh Gibson在一篇关于碳水化合物和心理功能的评论中写道,智力任务的难度对能量消耗的影响似乎十分微妙,这或许取决于个人在所需努力投入可用资源方面的差异,而这可能与年龄、性格和血糖调节等变量有关。


吉布和梅西都得出结论,当一个人在调节葡萄糖方面有困难时——或者已经禁食很长一段时间——含糖饮料或食物可以改善他们随后在某些记忆任务中的表现。但对大多数人来说,身体很容易就能提供大脑需要的少量额外葡萄糖,以增加脑力活动。


03 身体和心灵


如果挑战性的认知任务只比平时多消耗一点能量,那么如何解释高考或类似的精神马拉松之后的精神疲惫感呢?


一种答案是,保持不间断的注意力或在要求很高的知识领域中航行几个小时确实消耗了足够的能量,让人感到筋疲力尽,但研究人员还没有证实这一点,因为他们只是对志愿者不够苛刻。


在大多数实验中,参与者执行一项中等难度的任务,很少超过一两个小时梅西建议道,如果我们能更努力地推动他们,让他们去做自己不擅长的事情,我们会看到更清晰的结果。


对精神活动的持续时间同样重要的是一个人对它的态度。观看一部有着复杂叙事的激动人心的传记片,会刺激大脑的多个不同区域长达两个小时,但人们通常不会步履蹒跚地走出影院,抱怨精神疲劳。


有些人经常蜷缩在书堆里,拿着别人可能会沮丧地扔到房间另一头的小说。在周日早上完成一项复杂的填字游戏或数独游戏通常不会破坏一个人一天中其余时间的注意力——事实上,有些人声称这能让他们的精神状态更加敏锐。简而言之,人们经常享受能提高智力的活动,而不会感到精神疲惫


这种疲劳似乎更有可能发生在持续的精神努力之后,而不是为了寻求乐趣——比如大型考试,尤其是当我们预计这种严酷的考验会耗尽我们的脑力时。如果我们认为考试或谜题很难,它通常就会很难。


研究表明,人们在锻炼和运动时也会发生类似的事情:身体疲惫的很大一部分是由我们的大脑所造成。


有相关研显示,在经过90分钟的电脑控制的持续注意力测试后,骑车锻炼的志愿者,比那些在锻炼前观看情绪中性的纪录片的参与者更快地因疲劳而停止蹬车。


即使注意力测试并没有比看电影消耗更多的能量,志愿者报告说他们感觉精力更少。这种感觉强大到足以限制他们的身体表现


在高考的具体情况中,除了纯粹的精神努力之外,还有一些状态可能会导致考试后的麻木:压力。毕竟,大脑并不是在真空中工作的。


其他器官也会消耗能量。参加一项在一定程度上决定了一个人未来四年将在何处度过的考试,是一件伤脑筋的事,足以让压力荷尔蒙在血液中穿梭,引起出汗、心跳加快、坐立不安和身体姿势扭曲。类似的考试不仅是精神上的苦差事,也是体力上的累人


一项规模不大但颇具启发性的研究表明,即使是轻微的智力挑战也会改变我们的情绪状态和行为,虽然它们并不会深刻地改变大脑的新陈代谢。14名加拿大女大学生在享用一顿自助餐前,要么坐在一起,总结一篇文章,要么完成一系列电脑注意力和记忆力测试。


那些锻炼大脑的学生比那些放松的学生多摄入了大约200卡路里。他们的血糖水平也比那些只是坐在那里的学生波动更大,但并不是以任何一致的方式。


然而,压力荷尔蒙皮质醇的水平在那些大脑很忙的学生中明显更高,他们的心率、血压和自我报告的焦虑也更高。十有八九,这些学生没有吃得更多,是因为他们憔悴的大脑迫切需要更多的能量,他们是在压力下进食。


梅西对日常精神疲劳有相关解释,他说,我一般假设大脑是一个懒虫。大脑很难长时间专注于一件事。持续的集中注意力可能会在大脑中产生一些变化,从而促进对这种状态的逃避。它可能像一个计时器,告诉你,好了,你现在完成了。也许大脑只是不喜欢长时间地努力工作。


参考资料:
1.https://www.scientificamerican.com/article/thinking-hard-calories/;
2.http://www.mayoclinic.com/health/fatigue/MY00120;
3.https://www.scientificamerican.com/article/why-does-the-brain-need-s;
4.https://www.slideshare.net/BMartinIBMLSE/ibm-power-7;
5.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811906006902


作者简介:本文转载自微信公众号“脑友记BrainUp”(naoyouji-BrainUp),聚焦脑科技前沿,创脑机接口未来。点击脑友记,了解脑科学。


原作者名: 脑友记

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