Come tutte le altre parti del tuo corpo, il nostro cervello ha bisogno di energia per funzionare.
Simon Laughlin, professore presso il dipartimento di zoologia dell’Università di Cambridge, spiega perché il cervello ha bisogno di così tanta energia, come usa l’energia e come questi bisogni hanno influenzato la nostra evoluzione.
Quanta energia richiede il cervello?
Per l’adulto medio in uno stato di riposo, il cervello consuma circa il 20 percento dell’energia del corpo. La funzione primaria cerebrale – l’elaborazione e la trasmissione di informazioni attraverso segnali elettrici – è molto, molto costosa in termini di consumo di energia. Le percentuali esatte sono difficili da accertare, ma abbiamo stime abbastanza buone, anche se il consumo varia a seconda dell’area cerebrale.
Nella corteccia cerebrale dei topi, circa un quarto dell’energia del cervello va a mantenere i neuroni e le stesse cellule gliali, i processi che tutte le cellule attraversano per rimanere in vita. Il restante 75 percento viene utilizzato per la segnalazione, l’invio e l’elaborazione di segnali elettrici attraverso i suoi circuiti. Questi numeri sembrano essere molto simili negli esseri umani.
Il consumo di energia cerebrale non è stimato con precisione. Ci vogliono tutti i mitocondri di tutto il corpo per far funzionare il cervello. Quando dici che un computer utilizza 500 watt ti riferisci all’alimentatore non solo alla potenza che entra nella cpu e nella memoria. Tutto il tuo corpo è lì per alimentare il tuo cervello. Secondo uno scienziato, Watson: “Il cervello umano richiede solo 20 watt di potenza per funzionare”.
La maggior parte di quell’energia viene consumata nelle sinapsi, i minuscoli spazi tra le cellule cerebrali in cui i segnali vengono inviati e ricevuti. Lì, le cellule pompano costantemente ioni nello spazio tra le cellule, scambiando potassio e sodio per creare cariche elettriche. Questa azione di pompaggio è fondamentale per il funzionamento dei circuiti cerebrali che sono molto energivori.
Alcune parti o aree del cervello richiedono più energia di altre?
Tra i due principali tipi di tessuto nel cervello – materia grigia e materia bianca – la materia grigia richiede molta più energia della materia bianca. La sostanza bianca, costituita da fasci di assoni, contiene grandi quantità di mielina, la sostanza grassa che avvolge gli assoni per isolarli e favorire la conduzione di elettricità. A causa di questo isolamento, la materia bianca utilizza circa il 20-25% dell’energia della materia grigia, che è costituita da dendriti, corpi cellulari e siti di sinapsi.
Il cervello degli astronauti viene ricablato durante le missioni spaziali
Alcune funzioni richiedono più energia di altre. Le aree cerebrali responsabili dell’elaborazione uditiva richiedono più energia del sistema olfattivo o delle aree cerebrali responsabili della memoria. L’udito richiede una segnalazione molto rapida e precisa: non sarebbe vantaggioso ritardare in alcun modo il suono del pericolo. Processi relativamente lenti come l’olfatto non hanno lo stesso intenso fabbisogno energetico.
Usiamo più energia quando pensiamo intensamente o eseguiamo compiti complessi?
Ci sono due fattori importanti da tenere a mente. Il cervello richiede costosa energia elettrica per funzionare. E il cervello non si spegne mai. Anche quando dorme, consuma all’incirca la stessa quantità di energia che consuma durante la veglia. Mentre riposi, i tuoi neuroni comunicano costantemente, aggiornandosi a vicenda su ciò che sta accadendo. La loro costante vigilanza è dove viene consumata la maggior parte dell’energia.
Se un’attività specifica richiede una certa area cerebrale, il fabbisogno energetico dell’area aumenta. Puoi vedere l’aumento su una scansione con risonanza magnetica: l’area sarà di colore rosso vivo dove i circuiti sono particolarmente attivi. Se stai parlando con un’altra persona, la zona di Broca- l’area associata alla creazione del discorso – diventerà più attiva.
Nonostante quello che potresti supporre dai colori vivaci, l’aumento di energia è minimo, circa l’otto percento al massimo. A differenza dei muscoli delle gambe, dove il consumo di energia può aumentare da tre a quattro volte quando cammini rispetto a quando sei seduto, il cervello richiede una quantità relativamente costante, sia che tu stia facendo qualcosa di complesso come risolvere un difficile problema di matematica o fissando lo spazio. L’aumento è minore, rispetto alla grande quantità di energia di cui ha bisogno come riferimento.
C’è un mito secondo cui usi solo il 10 percento del tuo cervello e una pillola magica potrebbe sbloccare il restante 90 percento. La maggior parte dei tuoi neuroni rimane relativamente silenziosa per lunghi periodi di tempo, in attesa di entrare in azione quando viene attivata. Ma lo fanno per rimanere efficienti dal punto di vista energetico. Se in qualche modo triplicassi il numero di neuroni attivati contemporaneamente, il suo fabbisogno di ossigeno aumenterebbe notevolmente, forse consumandone tanto quanto farebbero i muscoli delle gambe durante uno sprint.
Il fabbisogno energetico del cervello ha influito sull’evoluzione umana?
Il cervello non ha una riserva di energia da immagazzinare per quando ne ha bisogno. A differenza dei muscoli, che possono immagazzinare i carboidrati in eccesso, ha bisogno di essere costantemente rifornito di ossigeno ed energia per funzionare correttamente. Se l’afflusso di sangue al cervello viene interrotto, come durante un ictus o un trauma cranico i neuroni iniziano a spegnersi rapidamente.
Questo può sembrare un difetto, ma è parte integrante del funzionamento del cervello. Se contenesse cellule che immagazzinano energia di riserva, quelle cellule occuperebbero spazio tra i neuroni. Ciò aumenterebbe le lunghezze che i segnali elettrici dovrebbero percorrere e avrebbero bisogno di più energia per farlo. I primi organismi possono aver avuto sistemi nervosi che includevano questo tipo di dispositivi di sicurezza, ma nel corso di milioni di anni di evoluzione, abbiamo sacrificato questa potenza di riserva per l’efficienza. Ci rende suscettibili alle lesioni, ma ci permette anche di sfruttare i complessi circuiti cerebrali.
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