Какой из наших органов потребляет больше всего энергии? Это не сердце, биение которого не прекращается ни днем, ни ночью. Это мозг — он берёт около 20% энергии, потребляемой организмом человека, хотя составляет только 2% от общего веса тела. Из потребляемого, как считают сейчас физиологи, 60-80% тратятся на обмен информацией между нейронами, а также между нейронами и астроцитами - звёздчатыми клетками, которые ещё недавно считались вспомогательными элементами, доставляющими нейронам пищу и опору. Их в десять раз больше, чем нейронов, и года два назад нейрофизиологам удалось доказать, что они участвуют в обработке и передаче информации.

Но появившиеся сравнительно недавно высокосовершенные приборы - позитронно-эмиссионные томографы и томографы на эффекте ядерно-магнитного резонанса позволили непосредственно видеть функционирование мозга на экране монитора. Собственно, томограф показывает, как распределяется и усиливается поток крови в разных частях мозга при работе его над различными задачами. Усиленная работа того или иного участка требует увеличенного поступления кислорода, и для этого растёт объём местного потока крови. Обычно увеличение составляет 5-10% от нормы. Бывает, что связанный с таким увеличением кровотока рост потребления энергии мозгом ограничивается всего одним процентом по сравнению с потреблением в покое. Так что на возникающий иногда вопрос: «Нуждается ли в усиленном питании ученик, решающий сложные математические задачи?» следует ответить: «Ну разве что лишнюю шоколадку можно выдать страдальцу».

Выходит, большую часть потребляемой энергии мозг тратит неизвестно на что. Может быть, он постоянно обрабатывает какую-то поступающую извне информацию, которая не осознаётся человеком? Или энергия идет на какие-то внутренние процессы, не зависящие от окружающего мира? Похоже, второй вариант ближе к истине. Так, в 1994 году американские физиологи показали, что лишь 10% связей между нейронами в зрительной коре обезьян (где, по идее, обрабатывается информация от глаз) задействованы для восприятия зрительных стимулов. Чем заняты остальные 90% - неизвестно. Причём у макак активность коры мозга остаётся даже под общей анестезией. А недавно бельгийские исследователи с помощью позитронно-эмиссионного томографа обнаружили, что активность зрительной коры у слепых от рождения не ниже, чем у зрячих.

По одной из гипотез, мозг постоянно находится в динамическом равновесии, балансируя между возбуждением и торможением. Вот на это и уходит львиная доля потребляемой энергии - на поддержание системы в рабочем состоянии, в постоянной готовности. По другой гипотезе, мозг всё время занят прогнозированием ближайшего будущего с учётом прошлого опыта, для чего перерабатывает большие массивы информации. Особенно интригует исследователей тот факт, что эта загадочная активность мозга неравномерна, в ней есть приливы и отливы, хотя внешне в поведении отдыхающего человека или животного ничего не меняется.

Итак, мы ещё не знаем, чем занят мозг, когда он вроде бы ничем не занят.

Этот пост для тех, кто впадает в тоску и уныние при мысли о спортзале или пробежке, больше всего любит сидеть за компом, и хочет при этом сбросить несколько килограмм. Конечно, ничего не приходит просто так, и для того чтобы худеть, не вставая с любимого компьютерного стула, придется что-то делать, а именно - думать.

Ученые из канадского университета проводили эксперименты на студентах, измеряя количество калорий, которые потребляет мозг. Три группы студентов получили разные задания, которыми надо было заниматься на протяжении 1,5 часов. Одна группа ничего не делала, вторая - заучивала тексты с бумажных носителей, третья - работала за компьютером. В результате группа, заучивающая тексты из книг потратила на 200 ккал больше, чем студенты-бездельники, а те, кто работал за компьютером, сожгли на целых 250 ккал больше.

Ученые выяснили, что больше всего калорий мозг потребляет во время концентрации внимания. Во время предельной концентрации в течение 20 минут мозг способен «съесть» такое количество энергии, которое не потратил бы и за весь день, проведенный без умственной деятельности. Поэтому бывает достаточно трудно сосредоточиться на чем-либо более 20-25 минут - тело просто вынуждено сохранить запасы энергии.

Сколько калорий можно сжечь, активно думая?

При отсутствии умственных нагрузок, мозг сжигает до 400-500 ккал в день, а во время активной деятельности его затраты возрастают в два раза. Принято считать, что когда человек напрягает мозг, он затрачивает 1,5 ккал в минуту, то есть, 90 ккал в час, а если при этом деятельность непривычная, его затраты возрастают ещё больше.

Ещё одна особенность - эмоциональные переживания увеличивают энергозатраты на 10-20%, а интеллектуальная деятельность, сопровождаемая эмоциями, на 30-40%. Ученые из НИИ физиологии им. П.К. Анохина провели ещё один эксперимент, в процессе которого измерялись энергозатраты студентов во время экзаменов. Оказалось, что за три дня до экзаменов на интеллектуальную деятельность студента уходило 750 ккал, а во время экзамена - 1000-1100 ккал.

Итак, учитывая всё вышесказанное, любителям сидячего образа жизни можно посоветовать следующее:

Больше думать

Просмотр пабликов в соцсетях, веселая переписка с друзьями или игрушки (кроме тех жанров, где надо включать мозг) не потратят лишних калорий. Чтобы худеть за компом, надо выполнять какую-то интеллектуальную деятельность, например, читать сложные для восприятия, интересные статьи и книги, решать какие-то задачи, разгадывать кроссворды. При этом желательно не отвлекаться, дольше сохранять концентрацию на предмете.

Чем дольше вы концентрируетесь, тем больше калорий сжигаете.

Убрать еду подальше от компа

Во время умственной деятельности в организме резко падает уровень глюкозы, вещества, которым питаются клетки мозга. Для восполнения потерь после мыслительной деятельности человеку очень хочется есть. При этом вовсе не значит, что организм действительно нуждается в дополнительных калориях, просто ему нужна глюкоза.

Ученые считают, что чашки сладкого чая будет достаточно, чтобы восполнить потери и дать мозгу необходимую подпитку, так что после своих интеллектуальных упражнений не торопитесь есть шоколадки или варить пельмени - сладкий чай, и чувство голода отпустит .

Эмоциональные переживания

Конечно, вы не сможете устраивать себе напряженные экзамены каждый день, однако что-то сделать всё-таки можно. Например, решать логические задачки на время или играть с кем-то в шахматы. Так к интеллектуальной деятельности прибавляется элемент азарта. Больше азарта, больше эмоций, больше сожженных калорий .

Что-нибудь новое

Больше энергии потребляет тот участок мозга, который находится в работе, поэтому потребление энергии можно увеличить, попеременно включая разные отделы мозга, то есть, решая многосоставные тесты или играя в игры-головоломки.

Кроме того, мозг потребляет больше энергии, решая нестандартные задачи . Если вы гуманитарий, попробуйте порешать логические задачи, вспомните школьный курс геометрии или алгебры. В общем, занимайтесь новыми видами интеллектуальной деятельности - это не только увеличивает энергозатраты, но и помогает развивать мозг .

Ну и напоследок, нельзя не упомянуть, что простая ходьба сжигает 4 ккал в минуту, так что если устали думать, сходите погуляйте.

Мозг человека даже в состоянии относительного покоя и сна потребляет необычайно много энергии - в 16 раз больше, чем мышечная ткань (в пересчете на единицу массы). «Мозг, имея массу не более 1,5-2% от массы тела, потребляет 25% всей энергии. При этом одной из самых энергозатратных операций является концентрация внимания. Человек не в состоянии удержать внимание на неизменно высоком уровне более 20-25 минут, потому что за это время мозг «съест» столько глюкозы, сколько не съел бы и за день относительного покоя. Так что задания на внимание и реакцию, да еще и в ситуации цейтнота, способны выжать всю энергию, - рассказал РБК daily кандидат биологических наук сотрудник Института нейрохирургии РАМН Игорь Лалаянц. - Снижается же потребность в энергии лишь во время сна, т.к. возрастает синхронизация левого и правого полушарий и мозгу не приходится тратить энергию на «согласование» их работы. Также нейроны снижают энергопотребление с возрастом, из-за чего замедляется синтез белковых молекул и, как следствие, ухудшается способность к запоминанию». У взрослого человека доля мозгового метаболизма от общих энергетических потребностей организма составляет 9% во время сна и 20-25% во время напряженного интеллектуального труда, что значительно больше, чем у других приматов (8-10%), не говоря уже о прочих млекопитающих (3-5%). Так, только на поддержание необходимых жизненных функций, передачу нервных сигналов и воспроизведение элементарных операций мозг человека в среднем нуждается примерно в 400-500 ккал. Между тем, по самым скромным оценкам, энергетические затраты мозга в активном состоянии возрастают более чем в два раза. «Больше всего энергии потребляет тот участок мозга, который сильнее всего напрягается. Поэтому при решении многосоставных тестов и головоломок, где поочередно задействованы все типы мышления, потребление энергии резко возрастает. Больше калорий придется потратить и на непривычные задания. Так, если заставить гуманитария решать задачку по геометрии, энергозатраты его мозга сильно возрастут. Однако довести себя умственными упражнениями до степени физического истощения может далеко не каждый. Как правило, такой реакцией на умственную работу обладают ученые, математики, шахматисты», - пояснил кандидат биологических наук старший научный сотрудник Института биологии развития РАН Александр Ревищин. Кроме того, интеллектуальная работа непременно сопровождается активизацией нервной системы и под влиянием эмоциональных переживаний энергетические затраты увеличиваются на 10-20%. А непривычно большие интеллектуальные нагрузки вкупе со стрессом, сопровождающим любой экзамен или тестирование, по данным РАМН, повышают энергозатраты организма на все 30-40%. Так, ученые из НИИ нормальной физиологии имени П.К. Анохина РАМН рассчитали энергозатраты 75 студентов за несколько дней до экзамена и непосредственно во время тестирования. Оказалось, что потребность в калориях повышалась по мере приближения экзаменов, и если за трое суток до дня «Х» студент тратил сверх основного обмена примерно 750 ккал, то в день экзамена - 1000-1100 ккал.

Этот пост о том сколько калорий необходимо мозгу, а сколько мышцам, как рассчитывается базовый обмен веществ и как определить затраты энергии на ту или иную активность. Разберем некоторые исследования и полученные факты.

Начну без долгих предисловий и воды, а перейду сразу к исследованиям, табличкам и фактам 🙂

К «Прочим» относятся кости, кожа, кишечник, железы. Легкие не были измерены по методологическим обстоятельствам, но были оценены на уровне 200 ккал/кг (примерно также, как и печень).

Забавный факт – жировые клетки также расходуют калории. Да, это значение не столь велико (около 4,5 ккал/кг), но полагать, что жировые клетки полностью инертны – не верно. Адипоциты производят большое количество гормонов (например, лептин о котором я уже говорила в видео), и это требует энергозатрат.

Адипоцит, секреторная ф-ция:

В состоянии «покоя» 70-80% энергозатрат приходится на органы, которые занимают не более 7% от общей массы тела (печень, сердце, почки, мозг). В то же время мышцы могут занимать около 40% от общей массы тела, но при этом расходуют в состоянии «покоя» 22% энергии, что как-то маловато.

Вот хорошая иллюстрация соотношения массы органов и тканей к энергозатратам организма в состоянии «покоя»:

Вот еще одно любопытное исследование, оно показывает, как изменяется вес составных компонентов тела (жира, мышц, прочих органов) при общем изменении веса тела.

Ссылка на исследование : Peters A, Bosy-Westphal A, Kubera B, Langemann D, Goele K, Later W, Heller M, Hubold C, Müller MJ. Why doesn’t the brain lose weight, when obese people diet? Obes Facts. 2011;4(2):151-7. doi: 10.1159/000327676. Epub 2011 Apr 7.

Скажу сразу, диета на размер мозга не влияет 😉 Масса мозга у взрослого человека остается практически неизменной при похудение или наборе веса. А вот масса мышц, жира, почек, печени зависит от изменения веса тела.

Посмотрите как мало весят кости! Так что отговорка — «Да у меня просто кость тяжелая!» не пройдет 🙂

Получается, что уровень базового обмена веществ или обмен веществ в состоянии «покоя» можно грубо оценивать на уровне 22-24 ккал на кг веса тела . Все это очень индивидуально и зависит от размера определенных органов, тканей, активной клеточной массы. Но в среднем это 22-24 ккал (у мужчин чуть больше, т.к. средний процент жировой ткани у них чуть меньше, а мышц больше), так что для женщины весом 55 кг базовый обмен равен примерно 1265 ккал. Но это БАЗОВЫЙ обмен, то есть физическая активность минимальна.

Physical activity ratios (PAR) или коэффициент физической активности.

Наверное, слышали, что час интенсивного бега это 300-400 ккал, но как мы выяснили, уровень базового обмена зависит от размера определенных органов, тканей, активной клеточной массы, так и расход калорий для одинакового рода физической активности у разных людей отличается.

На графике ниже представлены коэффициент физической активности (PAR). В чем суть, например, наш вес 55 кг и базовый обмен (BMR) составляет 1 265 ккал или 0,87 ккал в минуту, значит для расчета общей нормы энергозатрат надо умножить BMR на PAR и на время той или иной активности. Пример, мы спим 8 часов в день (480 минут * 0,87 BMR * 0.93 PAR = 388 ккал на сон), гуляли 2 часа (120 минут * 0,87 BMR * 3,9 PAR = 407 ккал) и т.д.

Ссылка на исследование : Stefano Lazzer, Grace O’Malley, Michel Vermorel Metabolic And Mechanical Cost Of Sedentary And Physical Activities In Obese Children And Adolescents

Вряд ли кто-то будет все это рассчитывать, лично я для цели определения энергозатрат от физической активности использую спортивные часы, ну а базовый обмен веществ посчитать не сложно.

Напоследок, информация для тех, кто любит в офисе пить чай вприкуску с шоколадкой и горсткой печенюшек, дескать умственная деятельность очень энергозатратна.

Средний показатель энергозатрат мозга 0,23-0,25 ккал в минуту. В то время как увеличение энергозатрат мозга на «мыслительный процесс» добавляет около 1% к общим энергозатратам, а максимальный уровень энергозатрат не больше 10% от общих энергозатрат мозга.

«Event-related changes in cerebral blood flow and glucose uptake are no more than 10% of the physiologic baseline in typical cognitive paradigms. Concomitant changes in energy utilization are on the order of 1%»

Ссылка на исследование: Raichle , M . E ., and Mintun , M . A . (2006). Brain work and brain imaging . Annual Review of Neuroscience , 29, 449-476

Получается, что для решение суперсложных задач весь рабочий день (8 часов * 0,25 ккал * 60 мин. * 1,10) мозгу необходимо аж 132 ккал , а это целых 1,5 банана! 😉

Вот такая статья. Ну а я желаю Всем хорошего настроения, здоровья, классной фигуры и суперэффективных мозгов!)

Как на самом деле работает мозг

• GTD

На хабре довольно популярны статьи о различных техниках повышения работоспособности, улучшения памяти, самомотивации и т.д. и т.п. Увы, зачастую авторы этих статей совершенно не представляют себе, что такое мозг, как он работает и почему всё устроено именно так.

Прежде всего, необходимо понять вот что:

Думать - дорого

Изложенные ниже сведения почёрпнуты, большей частью, из книги С.В.Савельева «Происхождение мозга», которую я настоятельно рекомендую к прочтению, наряду с трудами Ричарда Докинза и Конрада Лоренца.

Мозг возник в результате эволюции как гибкий, универсальный и быстрый решатель. Обладание мозгом делает животное значительно более приспособленным, особенно в экстремальных ситуациях. Однако за все приходится платить: мозг - чрезвычайно затратный орган. У человека интенсивно работающий мозг потребляет четверть (!) ресурсов всего организма. Проблема заключается ещё и в том, что мозг никогда не находится в состоянии покоя; даже отдыхающий мозг потребляет 10% энергии организма, при этом составляя всего 2% от его массы. Кроме того, организм элементарно не в состоянии поддерживать интенсивную работу мозга в течение длительного времени, через какое-то время неизбежно наступает нервное истощение. Ко всему прочему, мозг, лишенный нужных ресурсов (кислорода прежде всего), практически мгновенно (в течение 5 минут) погибает.

Оптимизация

Полагаю, большинство хабровчан к данному моменту уже представили себе, каким образом можно оптимизировать энергетические затраты мозга. ИТ-специалисты в этом плане ничего лучше природы не придумали.

Вариант А: ограничить активность мозга только действительно экстремальными ситуациями. На человеческом языке этот механизм называется «лень». Человек инстинктивно стремится не думать , до тех пор, пока в этом нет необходимости. Многие животные, например, кошки, вообще постоянно пребывают в одном из двух состояний: либо сонной дрёмы, либо гиперактивности. Лень является двигателем прогресса в самом что ни на есть буквальном смысле.

Вариант Б: кэш. Заложить как можно больше предопределенных моделей поведения и включать мозг только тогда, когда автопилот не может разрешить проблему сам. Такая оптимизация свойственна прежде всего мелким животным, но, как нетрудно заметить, проявив минимум наблюдательности, человек ей тоже пользуется вовсю.

Кстати, отсюда идет знаменитый несуразный миф о том, что человек, якобы, использует десять (пять, два - нужное подчеркнуть) процентов своего мозга. В конкретный момент времени и в состоянии покоя - в каком-то приближении, да. Потому что использовать мозг целиком без необходимости - дорого и неразумно. Но держать 90% мозга не используемыми вообще - ещё более дорого и неразумно.

Реальность

Часто кажется, что поведение человека глупо и нелогично. Однако в свете предыдущего параграфа вполне очевидно, что поведение человека абсолютно умно и логично. Вопрос «о чем ты вообще думал», как правило, имеет простой ответ: ни о чём. Человеку свойственно ни о чем не думать, и это с эволюционной точки зрения самая выгодная программа.

Конечно, в современном мире у большей части человечества не возникает проблем с питательными веществами и механизмы оптимизации энергопотребления не нужны. Но, увы, изменить собственную генетическую программу мы не в состоянии; да и нет никакой гарантии, что иная схема работы мозга окажется для homo sapiens более оптимальной.

Помнить - дорого

От мышления перейдём к памяти. Для понимания процессов запоминания и вспоминания полезно, прежде всего, усвоить одну простую вещь: человеческая память - энергозависимая. На хранение информации непрерывно расходуются ресурсы организма. Думаю, вы уже поняли, что это означает:-).

Во-первых, память разделяется на кратковременную и долговременную. В долговременную память попадает только небольшая часть потока информации.

Во-вторых, воспоминания непрерывно утрачиваются. Чем больше проходит времени, тем меньше информации о событии остается в памяти.

Запоминание случайно

На эти, и без того нерадостные для студентов:-) процессы накладывается ещё и вероятностная сущность запоминания. Дело в том, что запоминание - это образование в нейронной сети устойчивых циклических сетей, содержащих нужную информацию. Этот процесс не очень быстр и довольно непредсказуем. Нельзя сколько-нибудь точно предугадать, в какой момент изменится конфигурация нейронов. Именно поэтому человек частенько запоминает на всю жизнь совершенно бессмысленную и ненужную информацию - потому что так сложилось, что в момент образования новой конфигурации нейронов он думал именно об этой ерунде. Для того, чтобы гарантировать запоминание приходится постоянно обновлять информацию в течение довольно длительного периода времени.

Память врёт

Как было сказано в предыдущем разделе, память нужна человеку прежде всего для того, чтобы не думать. Запомненные решения и модели поведения позволяют не напрягать мозг, а действовать на автопилоте. Это - фактически главная функция памяти.

Однако в силу того, что память энергозависима, запомнить всю нужную информацию нельзя. С одной стороны, постоянно поступает новая информация, которая потенциально может быть важной. С другой стороны, старая информация постоянно утрачивает актуальность. Таким образом, старые воспоминания постоянно конкурируют с новыми за место в памяти. Более того, в целях масимально полного использования доступного ресурса, новые и старые информационные сигналы циркулируют по одним и тем же путям. В результате, старые воспоминания постоянно искажаются, что со временем приводит к довольно неожиданным эффектам вплоть до полного несоответствия старого воспоминания реальности, причем старые воспоминания со временем становятся всё более идеализированными. Это характерно не только для людей, но и для других животных тоже.

Welcome to the Real World

Не знаю, как вы, а я значительно лучше стал понимать поведение людей, когда всё это прочитал. Представления о том, почему мозг ведёт себя именно так, а не иначе, на мой взгляд, гораздо более полезно, чем абстрактные рекомендации про то, как повысить работоспособность и улучшить память. Надеюсь, и вам они окажутся полезными.