Warum verschlingt Gehirn-Hirn-Energie so viel Energie?

Das menschliche Gehirn priorisiert seinen eigenen Energiebedarf, bevor es Energie umleitet, um die Bedürfnisse anderer Organe und Muskeln zu erfüllen, die die körperliche Leistung antreiben, so eine neue Studie von evolutionären Anthropologen an der Universität von Cambridge. Ihre neueste Arbeit, "Ein Kompromiss zwischen kognitiver und körperlicher Leistung, mit relativer Erhaltung der Gehirnfunktion", wurde am 20. Oktober in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht .

Quelle: Pixabay / Public Domain

Das menschliche Gehirn macht etwa 2 Prozent des Körpergewichts aus, verschlingt aber täglich etwa 20 Prozent der verfügbaren Energiereserven des Körpers. Für Homo sapiens kommt es bei hohen Gehirnen zu hohen Energiekosten. In der Tat haben die Cambridge-Forscher festgestellt, dass, wenn wir schnell arbeiten müssen, wir uns weiterentwickelt haben, um unseren Hirnleistungsbedarf über den Energiebedarf für maximale körperliche Leistungsfähigkeit zu stellen. Die Forscher stellen die Hypothese auf, dass, damit der Homo- Clade überleben und gedeihen kann, unsere Spezies so entwickelt wurde, dass sie schnellem Denken Vorrang einräumt, indem sie eine "bevorzugte Zuordnung von Glukose zum Gehirn" vorsieht.

Als Jäger und Sammler verbesserte sich unsere Beherrschung der Methoden zur Nahrungsaufnahme, während unsere Gehirne durch die Enzephalisierung größer wurden. Dies ist die evolutionäre Zunahme der Komplexität und der relativen Größe des menschlichen Gehirns. Die Enzephalisierung beinhaltet auch eine Verschiebung der kognitiven Funktion von nicht-kortikalen Teilen des Gehirns zur Großhirnrinde.

Wenn Sie während eines anstrengenden Trainings oder eines sportlichen Wettkampfs Energie aufwenden – ähnlich wie unsere Vorfahren Jagd auf Beute sind – konkurrieren Skelettmuskeln mit dem Gehirn um verfügbare Glukose und Sauerstoff. Intensives Training oder Intervalltraining (HIIT) erhöht den Stoffwechselbedarf der Skelettmuskulatur und des Gehirns im direkten Verhältnis zum Grad der körperlichen Anstrengung.

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"Ein gut betanktes Gehirn könnte uns bessere Überlebenschancen bieten als gut ausgelastete Muskeln, wenn wir uns einer ökologischen Herausforderung stellen", sagte Daniel Longman, der Hauptautor der Studie des PAVE-Teams in der Abteilung für Archäologie in Cambridge.

Für diese Studie haben Longman und seine Kollegen von der PAVE-Forschungsgruppe (Phänotypische Anpassungsfähigkeit, Variation und Evolution) der Universität Cambridge 62 Studenten mit einem Durchschnittsalter von 21 Jahren aus den Elite-Rudercrews der Universität angeworben.

Während verschiedener Phasen dieses Experiments führten die Teilnehmer Gedächtnisuntersuchungen und körperliche Aufgaben unabhängig voneinander und dann gleichzeitig durch. Zunächst wurden kognitive Grundfähigkeiten während eines dreiminütigen Wortrückruftests an einem Schreibtisch getestet. Dann wurde die sportliche Spitzenleistung während eines dreiminütigen Krafttests an einem Rudergerät gemessen. Zuletzt mussten die Ruderer die Speicheraufgabe ausführen, während sie gleichzeitig mit maximaler Ausgabe ruderten.

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Wie zu erwarten war, führte der Versuch, sich eine Liste von Wörtern zu merken, während gleichzeitig in der Nähe von VO2max gerudert wurde, zu niedrigeren Werten bei der mentalen und körperlichen Leistung. Das Forschungsteam stellte jedoch überrascht fest, dass der Rückgang der abgegebenen Leistung signifikant höher war als der Rückgang des Erinnerungsvermögens. In der Tat war der Rückgang der physischen Leistungsabgabe um durchschnittlich 29,8 Prozent größer als der Rückgang der kognitiven Funktionen.

Longmanet al. glauben, dass die Ergebnisse ihrer neuen Studie die "egoistische Gehirnhypothese" bestätigen, die postuliert, dass das menschliche Gehirn sich entwickelt hat, um seinen eigenen Energiebedarf vor denen der peripheren Organe und Skelettmuskeln zu priorisieren.

"Kompromisse zwischen Organen und Geweben ermöglichen es vielen Organismen, Energiedefizite durch interne Prioritätensetzung zu ertragen. Das hat jedoch seinen Preis ", sagte Longman. "Die selbstsüchtige Natur des Gehirns wurde in der einzigartigen Bewahrung der Gehirnmasse beobachtet, da Körper bei Menschen, die an chronischer Mangelernährung oder Hunger leiden, ebenso wie bei Kindern, die mit Wachstumsbeschränkung geboren wurden, verschwendet werden."

Die Autoren fassen die Ergebnisse in ihrer Schlussfolgerung zusammen: "Diese Studie hat einen akuten Ausgleich zwischen kognitiver Funktion und körperlicher Leistung bei gleichzeitiger Herausforderung gezeigt. Dies unterstützt die egoistische Gehirnhypothese aufgrund der relativen Erhaltung der kognitiven Funktion gegenüber der physischen Leistungsabgabe. Der zugrundeliegende Mechanismus ist unklar und erfordert weitere Untersuchungen. "

Danny Longmans laufende Forschung konzentriert sich auf die Kompromisse, die während der anhaltenden körperlichen Anstrengung auftreten, die während extremer Ausdauersportveranstaltungen, wie Fußrennen von bis zu 300 km in den schwierigsten Umgebungen der Welt auftritt. Longman beschreibt auf seiner Homepage: "Wir arbeiten mit Dr. Dan Gordon von der Anglia Ruskin University zusammen, um detailliertere physiologische Analysen der teilnehmenden Athleten durchzuführen. Dieses Projekt fördert das Verständnis der Life-History-Trade-Offs, die sich aus dem internen Wettbewerb um Ressourcen ergeben, die entstehen, wenn ein Individuum energetisch belastet wird, mit Implikationen für Anpassung und Leistung in extremen Umgebungen. "

Wenn Christopher Bergland 153,76 Meilen auf einem Laufband lief, musste er einen Kompromiss zwischen einem voll funktionsfähigen Gehirn oder der Muskelkraft machen, die benötigt wurde, um die Strecke in 24 Stunden zu beenden, um einen Guinness-Weltrekord zu brechen.

Quelle: Foto von Christopher Bergland

Anekdotisch habe ich viel über die Kompromisse gelernt, die bei Ultra-Distanz-Rennen aus erster Hand auftreten. Zum Beispiel habe ich 2004 einen Guinness-Weltrekord gebrochen, indem ich in 24 Stunden 153,76 Meilen gefahren bin. Vor allem, um dieses Kunststück zu vollbringen, schlossen meine Nieren und mein Gehirngedanken in der letzten Stunde des Ereignisses ab, sodass mein Körper begrenzte Energieressourcen auf meine Beinmuskeln umlenken konnte. Dieser Kompromiss hat mich fast umgebracht. Nachdem ich sechs Marathons in 24 Stunden absolviert hatte, verbrachte ich eine Woche auf der Intensivstation und erholte mich von den Schäden, die mein Herz verursachte, um sich selbst zu essen, um meinen Körper vorwärts zu bewegen. ( Ja, ich war ein manisch-masochistischer Ultra-Ausdauer-Athlet, der sich ständig an den Rand der Selbstvernichtung stellte, um Rennen zu gewinnen. Zur Erinnerung: Ich habe mich nach dieser Nahtoderfahrung von Sportwettkämpfen zurückgezogen .)

Davon abgesehen fühlte ich mich großartig für die ersten 23 Stunden nonstop Laufen. Während dieser Zeit lief ich ungefähr 146 Meilen auf dem Laufband. Aber als ich die letzte Stunde des "Tretathon" begann, um einen Guinness-Weltrekord zu brechen, schien meine Hirnrinde offline zu gehen. Leider musste ich noch 7 Meilen laufen, um den bestehenden Weltrekord von 153 Meilen in 24 Stunden zu brechen. Durch bloße Willenskraft begann mein Körper mein "selbstsüchtiges Gehirn" Energie zu rauben, um weiter voranzukommen. Das war der Kompromiss, den mein Körper und mein Gehirn machen mussten, um weiter zu rennen, als jemals ein Mensch auf einem Laufband an einem einzigen Tag gelaufen wäre. Wie ich auf dem Athlet's Way beschreibe: Schweiß und die Biologie der Glückseligkeit :

"Als mein Gehirn nach dreiundzwanzig Stunden ununterbrochenen Betriebs stillstand, fühlte es sich an, als wäre ich in Jurassic Park. Dieser kurzlebige athletische Moment hat die Zuhälter in meinem Gehirn verschoben und sich einer surrealen Urwelt geöffnet. Ich erinnere mich an den Lichtwinkel an diesem Morgen und die Energie eines Meeres von Menschen, die mich ermutigten, aber nicht ihre individuellen Persönlichkeiten. Alles war nur ein massives Kaleidoskop von Farben. Aber ich rannte immer noch. Ich habe jedes Zeitgefühl verloren. Ich konnte nur vereinzelte äußere Reize und Energieimpulse von der Menge aufnehmen. Nicht einmal Musik drang durch. Nichts wurde von meinem bewussten Gehirn verarbeitet.

Von ungefähr 7 Uhr morgens, 23 Stunden nach dem Rennen, bis zum Ende, kann ich mich an nichts erinnern. Aber ich lief noch eine Stunde mit sieben Meilen pro Stunde. Ich glaube, dass ich in der Lage war, nach so vielen Jahren des Muskelgedächtnisses, das in den Purkinje-Zellen meines Kleinhirns festgelegt wurde, weiter zu laufen. Die angeborene implizite Erinnerung an Laufen, die in meinem Kleinhirn gespeichert ist, erlaubte mir, ohne ein voll funktionsfähiges Großhirn zu laufen. Ich setze rein instinktiv einen Fuß vor den anderen. "

"Selfish Brain Hypothesis" hilft, "Lähmung durch Analyse" im Sport zu erklären

Die Tennislegende Arthur Ashe bemerkte: " Im Sport gibt es ein Syndrom, das man Lähmung durch Analyse nennt. "Als extrem ausdauernder Athlet lernte ich durch Versuch und Irrtum, dass übermäßiges Denken wertvolle Energieressourcen ableitete, die zum Laufen, Radfahren und / oder Schwimmen auf extremen Distanzen notwendig waren – wie der bereits erwähnte 24-stündige Treathathon oder der Gewinn des Triple Ironman Triathlons ein 7,2-Meilen-Schwimmen, 336-Meilen-Bike und 78,6-Meilen-Lauf nonstop gemacht, die ich in 38 Stunden und 46 Minuten absolvierte.

Dieses Split-Brain-Modell von The Athletes Way illustriert eine hochspekulative Hypothese, dass das Kleinhirn der Sitz des impliziten Lernens sein könnte und das Großhirn das explizite Lernen erleichtern könnte.

Quelle: Foto und Illustration von Christopher Bergland (Circa 2005)

Mein verstorbener Vater, Richard Bergland, war Neurochirurg, Neurowissenschaftler und Autor von The Fabric of Mind . Als neurowissenschaftlicher Tennisspieler und Gehirnchirurg hatte mein Vater den Verdacht, dass Purkinje-Zellen im Kleinhirn eine zentrale Rolle im Muskelgedächtnis spielen. Als junger Tennisspieler trainierte mein Vater mich mit den Worten: " Chris, denk daran, das Muskelgedächtnis in deinem Kleinhirn mit jedem Schlag zu hämmern und zu fälschen ." 2005 half mir mein Vater, ein radikal neues Split-Brain-Modell zu entwickeln Der Athlet's Way: Schweiß und die Biologie der Glückseligkeit (St. Martin's Press), die in seiner Hypothese wurzelt, dass explizites Lernen hauptsächlich im Großhirn sitzt und implizites Lernen im Kleinhirn sitzt. Natürlich wird dieser Rahmen zu sehr vereinfacht, um einen hypothetischen Punkt zu bilden. Natürlich spielen auch der Hippocampus und andere Hirnregionen eine Schlüsselrolle für das deklarative Gedächtnis und das explizite Lernen. Nichtsdestoweniger war mein Training und Wettkampf als Athlet immer von der Hypothese geleitet, dass gewohnheitsmäßiges "Üben, Üben, Üben" die neuronale Codierung des impliziten Lernens und des Muskelgedächtnisses in mein Kleinhirn in einer Art und Weise erleichterte, die den Brain Drain und "Lähmung durch" minimierte Analyse "von zu viel zerebralem Denken.

Seit dem Tod meines Vaters im Jahr 2007 habe ich meine Fühler für Forschung über die neuronalen Korrelate und die Gehirnmechanik des impliziten und expliziten Lernens behalten. Entlang dieser Linie wurde am 11. Oktober in der Zeitschrift Neuron ein kürzlich veröffentlichtes Papier von Forschern des Massachusetts Institute of Technology veröffentlicht, "Eine Meta-Analyse schlägt verschiedene neurale Korrelate für implizites und explizites Lernen vor" . Diese Analyse gefunden   dieses explizite Lernen (wie die Ruderer, die sich eine Liste von Wörtern in der Longman-Studie merken) hat eine deutliche neuronale Signatur, die mit einer höheren Frequenz oszilliert als das implizite Lernen.

Obwohl es noch zu früh ist, um sicher zu sein, ob das Kleinhirn tatsächlich der Ort des impliziten Lernens ist, wird zukünftige Forschung helfen, diese Fragen zu beantworten. Das heißt, die Autoren der MIT-Studie festgestellt:

"Früher wurde das Lernen als ein einheitlicher Prozess betrachtet. Wie sich jedoch herausstellte, haben Patienten mit HM und anderen Amnesie-Patienten trotz der Unfähigkeit, neue Fakten und Episoden zu behalten und sich daran zu erinnern, ihr Lernen behalten (Scoville und Milner, 1957, Milner et al., 1968, Cohen und Squire, 1980). Dies führte zu der Annahme, dass es mindestens zwei Hauptformen des Lernens gibt: eine hippocampalabhängige und episodische Inhalte (explizites Lernen) und eine weitere, nicht hippocampale und weitgehend unbewusstes (implizites Lernen). . . Während klar ist, dass explizites und implizites Lernen unterschiedliche Gehirnsysteme einbezieht, waren die Unterschiede in ihren neuralen Mechanismen weniger klar. "

In einer Stellungnahme sagte Graf K. Miller, der Picower-Professor für Neurowissenschaften am Picower Institut für Lernen und Gedächtnis und der Abteilung für Gehirn- und Kognitionswissenschaften und leitender Autor dieses MIT-Papiers: "Diese unterschiedlichen neuronalen Signaturen könnten Wissenschaftler als solche führen studiere die zugrunde liegende Neurobiologie, wie wir beide motorische Fähigkeiten erlernen und komplexe kognitive Aufgaben lösen. "

Miller beschreibt das explizite Lernen als "Lernen, dass du dir bewusst bist, wenn du darüber nachdenkst, was du lernst, und du kannst das, was du gelernt hast, artikulieren, zum Beispiel eine lange Passage in einem Buch auswendig lernen oder die Schritte eines komplexen Spiels lernen Schach. "Auf der anderen Seite sagt er:" Implizites Lernen ist das Gegenteil. Man könnte es Motoriklernen oder Muskelgedächtnis nennen, die Art von Lernen, zu der man keinen bewussten Zugang hat, wie Fahrrad fahren lernen oder jonglieren. Dadurch wirst du besser und besser darin, aber du kannst nicht wirklich artikulieren, was du lernst. "

Genauer gesagt fanden Miller und seine MIT-Kollegen heraus, dass es bei expliziten Lernaufgaben zu einer Zunahme der alpha2-beta-Gehirnwellen (oszillierend bei 10-30 Hertz) kam, nachdem eine korrekte Wahl getroffen und die Delta-Theta-Wellen (3-7 Hertz) erhöht wurden. nach einer falschen Wahl. Interessanterweise nahmen die Alpha2-Beta-Wellen mit dem Lernen während expliziter Aufgaben zu, nahmen jedoch mit fortschreitendem Lernen ab. Miller spekuliert, dass der Anstieg der Alpha-2-Beta-Gehirnwellen während des expliziten Lernens "die Entwicklung eines Modells der Aufgabe widerspiegeln könnte. Und dann, nachdem das Tier die Aufgabe gelernt hat, fallen die Alpha-Beta-Rhythmen ab, weil das Modell bereits gebaut ist. "

Umgekehrt nahmen Delta-Theta-Rhythmen nur mit korrekten Antworten während einer impliziten Lernaufgabe zu. Mit fortschreitendem Lernen nahmen auch die Oszillationsfrequenzen ab. Dieses Muster könnte eine stromlinienförmige neurale "Neuverkabelung" widerspiegeln, die motorische Fähigkeiten während des impliziten Lernens in das Muskelgedächtnis kodiert, um dem gesamten Gehirn zu helfen, energieeffizienter zu werden. Miller schließt: "Dies hat uns gezeigt, dass beim expliziten gegenüber dem impliziten Lernen verschiedene Mechanismen im Spiel sind."

Obwohl viel mehr Forschung erforderlich ist, bevor wir die neuronalen Signaturen, die explizites und implizites Lernen und Gedächtnis umgeben, vollständig verstehen, wird die Welt des Sporttrainings und des athletischen Wettbewerbs unweigerlich dazu beitragen, Neurowissenschaftler und evolutionäre Anthropologen über die Gehirnmechanik dieser Prozesse zu informieren. Bleib dran!