Proč lidský mozek spotřebuje tolik energie a nezastaví se ani ve spánku
Foto: Pexels
5 min
Lidský mozek představuje pouhá dvě procenta tělesné hmotnosti, ale přesto spotřebuje pětinu veškeré energie, kterou tělo v klidu potřebuje. Tato mimořádná spotřeba souvisí s nepřetržitým vysíláním elektrických signálů mezi neurony. Co přesně dělá náš mozek tak energeticky náročným orgánem a jak tato skutečnost ovlivnila evoluci člověka?
Reklama
Mozek patří mezi nejnáročnější orgány z hlediska spotřeby energie v celém lidském těle. V klidovém stavu u průměrného dospělého člověka spotřebovává přibližně 20 procent celkové energie organismu. Hlavní funkcí mozku je zpracovávání a přenos informací prostřednictvím elektrických impulzů, což představuje z energetického hlediska mimořádně nákladný proces.
Kam mizí energie v mozku
Přesná procenta jsou obtížně měřitelná, nicméně vědci disponují poměrně přesnými odhady distribuce energie v různých částech mozku. Výzkumy provedené na myších mozkové kůře ukazují zajímavé rozložení: zhruba čtvrtina mozkové energie směřuje k udržování samotných neuronů a gliových buněk při životě – jde o základní buněčné procesy nezbytné pro fungování každé živé buňky. Zbývajících 75 procent energie se využívá na signalizaci – tedy odesílání a zpracovávání elektrických signálů napříč mozkovými okruhy. Tyto hodnoty jsou pravděpodobně velmi podobné i u lidí.
Největší část této energie se spotřebovává v synapsích – miniaturních mezerách mezi mozkovými buňkami, kde dochází k odesílání a přijímání signálů. Buňky zde neustále pumpují ionty do prostoru mezi jednotlivými buňkami – vyměňují draslík a sodík, čímž vytvářejí elektrické náboje. Tato pumpovací aktivita je fundamentální pro fungování mozkových okruhů, ale zároveň extrémně energeticky náročná.
Rozdíly mezi šedou a bílou hmotou
Mezi dvěma hlavními typy mozkové tkáně existují výrazné rozdíly v energetické náročnosti. Šedá hmota vyžaduje podstatně více energie než bílá hmota. Bílá hmota, složená ze svazků axonů, obsahuje velké množství myelinu – tukové látky, která obaluje axony a izoluje je, aby nedocházelo k úniku elektřiny. Díky této izolaci využívá bílá hmota pouze 20-25 procent energie ve srovnání se šedou hmotou, která se skládá z dendritů, buněčných těl a míst synapsí.
Jednotlivé funkce mozku mají odlišné energetické nároky. Oblasti zodpovědné za zpracování sluchových podnětů potřebují více energie než čichový systém nebo části mozku odpovědné za paměť. Sluch vyžaduje velmi rychlou a přesnou signalizaci – není žádoucí, aby se zvuk nebezpečí jakkoliv opozdil. Relativně pomalé procesy jako čich nemají stejně intenzivní energetické potřeby.
Mytus o zvýšené spotřebě při intenzivním myšlení
Pro pochopení energetické náročnosti mozku jsou klíčové dva faktory. Mozek vyžaduje nákladnou elektrickou energii pro své fungování a nikdy se nevypíná. Dokonce i během nočního spánku spotřebovává mozek přibližně stejné množství energie jako během dne. Během odpočinku neurony neustále komunikují a vzájemně si aktualizují informace o tom, co se děje. Právě jejich neustálá bdělost je místem, kde se spotřebovává většina energie.
„Pokud konkrétní úkol vyžaduje aktivitu určité oblasti mozku, energetické potřeby této oblasti se skutečně zvyšují. Tento nárůst lze pozorovat na fMRI snímku – oblast bude jasně červená tam, kde jsou obvody obzvláště aktivní. Pokud například mluvíte s jinou osobou, Brocova oblast spojená s tvorbou řeči se stane aktivnější. Navzdory tomu, co byste mohli z jasných barev předpokládat, je nárůst energie minimální – maximálně asi osm procent“, vysvětluje Simon Laughlin z cambridgeské univerzity.
Na rozdíl od svalů v noze, kde se spotřeba energie může při chůzi ve srovnání se sezením zvýšit třikrát až čtyřikrát, mozek vyžaduje relativně stabilní množství energie – ať už řešíte složitý matematický problém, nebo zíráte do prázdna. Tento nárůst je minimální v porovnání s velkým množstvím energie, kterou potřebuje jako základní úroveň.
Deseti procentní mozek – pouze mýtus
Existuje rozšířený mýtus, že využíváte pouze 10 procent svého mozku a kouzelná pilulka by mohla odemknout zbývajících 90 procent. Většina vašich neuronů je po dlouhou dobu relativně tichá a čeká, až bude aktivována. Dělají to však proto, aby zůstaly energeticky efektivní. Kdybyste nějakým způsobem ztrojnásobili počet neuronů aktivovaných současně, potřeba mozku po kyslíku by se dramaticky zvýšila a pravděpodobně by využíval tolik energie, kolik vaše nohy při sprintu.
Vliv energetických potřeb na evoluci
Mozek nemá zásobu energie, kterou by mohl uschovat pro případ potřeby. Na rozdíl od svalů, které mohou ukládat přebytečné sacharidy, musí být mozek neustále zásobován kyslíkem a energií, aby správně fungoval. Pokud je přívod krve do mozku přerušen nebo narušen – například během mrtvice nebo úrazu hlavy – neurony začnou rychle vypínat.
To se může zdát jako nedostatek, ale je to integrální součást fungování mozku. Kdyby mozek obsahoval buňky, které ukládají záložní energii, tyto buňky by zabíraly místo mezi neurony. To by zvýšilo vzdálenosti, které by elektrické signály musely překonat, a potřebovaly by k tomu více energie. Rané organismy mohly mít nervové systémy zahrnující tyto druhy pojistek, ale během milionů let evoluce jsme obětovali tuto záložní energii ve prospěch efektivity. To nás sice činí náchylnějšími k poranění, ale také nám to umožňuje využívat výhod složitých mozkových obvodů.
