Perché il potere cerebrale cerebrale ingurgita tanta energia?

Secondo un nuovo studio degli antropologi evolutivi dell'Università di Cambridge, il cervello umano dà la priorità alle proprie esigenze energetiche prima di deviare l'energia per alimentare i bisogni di altri organi e muscoli che guidano le prestazioni fisiche. Il loro ultimo lavoro, "Un trade-off tra prestazioni cognitive e fisiche, con relativa conservazione della funzione cerebrale", è stato pubblicato il 20 ottobre nella rivista Scientific Reports .

Fonte: Pixabay / dominio pubblico

Il cervello umano rappresenta circa il 2% del peso corporeo, ma divora giornalmente circa il 20% delle riserve energetiche disponibili del corpo. Per Homo sapiens , avere grandi cervelli ha un costo energetico elevato. Infatti, i ricercatori di Cambridge hanno scoperto che quando dobbiamo pensare velocemente mentre lavoriamo sodo, ci siamo evoluti per mettere le nostre esigenze di energia cerebrale cerebrale al di sopra dei requisiti energetici per le massime prestazioni fisiche. I ricercatori ipotizzano che affinché l' Homo clade possa sopravvivere e prosperare, la nostra specie si è evoluta per dare la priorità al pensiero rapido rispetto al movimento rapido, fornendo una "allocazione preferenziale di glucosio al cervello".

Come cacciatori-raccoglitori, la nostra padronanza dei metodi di acquisizione del cibo è migliorata in tandem con il nostro cervello che si ingrandisce attraverso l'encefalizzazione, che è l'aumento evolutivo della complessità e delle dimensioni relative del cervello umano. L'encefalizzazione comporta anche uno spostamento della funzione cognitiva da parti non corticali del cervello alla corteccia cerebrale.

Quando stai spendendo energia durante un allenamento vigoroso o una competizione atletica, che è simile ai nostri antenati che cacciano i muscoli scheletrici, competono con il cervello per la disponibilità di glucosio e ossigeno. L'allenamento ad alta intensità o l'allenamento ad intervalli (HIIT) aumenta la richiesta metabolica dei muscoli scheletrici e del cervello in proporzione diretta al grado di sforzo fisico.

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"Un cervello ben alimentato potrebbe offrirci migliori possibilità di sopravvivenza rispetto ai muscoli ben alimentati quando affrontano una sfida ambientale", ha detto in una dichiarazione Daniel Longman, autore principale dello studio del team PAVE nel Dipartimento di Archeologia di Cambridge.

Per questo studio, Longman e colleghi del gruppo di ricerca PAVE (Phenotypic Adaptability, Variation ed Evolution) dell'Università di Cambridge hanno arruolato 62 studenti con un'età media di 21 anni dai membri dell'equipaggio all'università.

Durante le varie fasi di questo esperimento, i partecipanti hanno eseguito test di memoria e attività fisiche in modo indipendente e quindi simultaneamente. Innanzitutto, le capacità cognitive di base sono state testate durante un test di richiamo di parole di tre minuti a una scrivania. Quindi, il picco delle prestazioni atletiche è stato misurato durante un test di potenza di tre minuti su un vogatore. Infine, i rematori hanno dovuto svolgere il compito di memoria e contemporaneamente remare alla massima potenza.

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Come previsto, provare a richiamare un elenco di parole e contemporaneamente remare vicino a VO2max ha portato a punteggi più bassi sia sulle prestazioni mentali che fisiche. Tuttavia, il team di ricerca è rimasto sorpreso nel constatare che la diminuzione della potenza erogata era significativamente superiore al calo del ricordo. In effetti, il calo della potenza fisica è stato in media del 29,8% superiore al calo della funzione cognitiva.

Longman et al. credono che i risultati del loro nuovo studio confermino la "ipotesi del cervello egoista" che postula che il cervello umano si sia evoluto per dare la priorità ai propri bisogni energetici prima di quelli degli organi periferici e dei muscoli scheletrici.

"I compromessi tra organi e tessuti permettono a molti organismi di sopportare le condizioni di deficit energetico attraverso la priorità interna. Tuttavia, questo ha un costo ", ha detto Longman. "La natura egoistica del cervello è stata osservata nella conservazione unica della massa cerebrale mentre i corpi sprecano nelle persone che soffrono di malnutrizione a lungo termine o di fame, così come nei bambini nati con restrizioni di crescita".

Gli autori riassumono il punto di partenza di questi risultati nella loro conclusione: "Questo studio ha dimostrato un compromesso a livello acuto tra la funzione cognitiva e la potenza fisica durante la sfida simultanea. Ciò supporta l'ipotesi del cervello egoista dovuta alla conservazione relativa della funzione cognitiva rispetto alla produzione di energia fisica. Il meccanismo sottostante non è chiaro e richiede ulteriori indagini. "

La continua ricerca di Danny Longman si concentra sui trade-off che si verificano durante lo sforzo fisico prolungato che si verifica durante gli eventi atletici di ultra-resistenza, come le corse a piedi fino a 300 km negli ambienti più difficili del mondo. Come Longman descrive nella sua homepage: "Stiamo lavorando in collaborazione con il Dr. Dan Gordon presso l'Università Anglia Ruskin per eseguire analisi fisiologiche più dettagliate sugli atleti partecipanti. Questo progetto sta migliorando la comprensione dei trade-off della storia della vita che derivano dalla competizione interna per risorse che sorgono quando un individuo è stressato energeticamente, con implicazioni per l'adattamento e le prestazioni in ambienti estremi. "

Quando Christopher Bergland percorreva 153,76 miglia su un tapis roulant, doveva fare un compromesso tra un cervello pienamente funzionante o la forza muscolare necessaria per completare la distanza in 24 ore per battere un Guinness World Record.

Fonte: foto di Christopher Bergland

Aneddoticamente, ho imparato molto sui compromessi che si verificano durante le corse a distanza ultra da esperienze di prima mano. Ad esempio, nel 2004, ho rotto un Guinness World Record eseguendo 153,76 miglia in 24 ore. In particolare, al fine di realizzare questa impresa, i miei reni e il pensiero cerebrale si spensero nell'ultima ora dell'evento, così il mio corpo potrebbe reindirizzare risorse energetiche limitate ai muscoli delle gambe. Questo trade-off mi ha quasi ucciso. Dopo aver corso sei maratone in 24 ore, ho passato una settimana in terapia intensiva a riprendermi dal danno causato dal mio cuore che iniziava a mangiare da solo per mantenere il mio corpo in movimento. ( Sì, ero un atleta maniacalmente masochista e ultra-resistente che ha continuato a spingere se stesso sull'orlo dell'autoannientamento per vincere le gare.Per la cronaca: mi sono ritirato dalle competizioni sportive dopo questa esperienza di pre-morte .)

Detto questo, mi sentivo formidabile per le prime ventitre ore di corsa senza sosta. Durante questo periodo di tempo, ho corso per circa 146 miglia sul tapis roulant. Ma, mentre iniziavo l'ultima ora della "treadathon" nel tentativo di battere un Guinness World Record, la mia corteccia cerebrale sembrava andare offline. Sfortunatamente, dovevo ancora correre 7 miglia per rompere il record mondiale esistente di 153 miglia in 24 ore. Attraverso la pura forza di volontà, il mio corpo ha iniziato a derubare il mio "cervello egoista" di energia per continuare ad andare avanti. Questo era il compromesso che il mio corpo e il mio cervello dovevano fare per correre più lontano di quanto qualsiasi essere umano avesse mai corso su un tapis roulant in un solo giorno. Come descrivo in The Athlete's Way: Sweat and the Biology of Bliss :

"Quando il mio cervello si è spento dopo ventitré ore di corsa senza sosta, mi sembrava di essere in Jurassic Park. Questo effimero momento atletico spostò i tumbler nel mio cervello e si aprì a un mondo primordiale surreale. Ricordo l'angolazione della luce quella mattina e l'energia di un mare di persone che mi incoraggiavano, ma non le loro personalità individuali. Tutto era solo un enorme caleidoscopio di colori. Eppure, stavo ancora correndo. Ho perso tutto il senso del tempo. Potevo solo raccogliere frammenti sparsi di stimoli esterni e impulsi di energia dalla folla. Nemmeno la musica è penetrata. Niente veniva elaborato dal mio cervello cosciente.

Dalle 7:00 circa, ventitré ore di corsa, fino alla fine, non ricordo davvero nulla. Ma ho corso per un'altra ora a sette miglia all'ora. Credo di essere stato in grado di continuare a correre da tanti anni di memoria muscolare depositati nelle cellule di Purkinje del mio cervelletto. L'innata memoria implicita della corsa immagazzinata nel mio cervelletto mi ha permesso di correre senza un cervello completamente funzionante. Ho messo un piede davanti all'altro in un modo puramente istintivo. "

'Ipotesi del cervello egoista' aiuta a spiegare "Paralisi per analisi" nello sport

La leggenda del tennis Arthur Ashe ha osservato, " C'è una sindrome nello sport chiamata 'paralisi per analisi'. "Come atleta ultra-endurance, ho imparato attraverso prove ed errori che il pensiero eccessivo ha prosciugato risorse energetiche preziose necessarie per correre, andare in bicicletta e / o nuotare a distanze estreme, come la suddetta treadathon di 24 ore o vincere il triathlon Triple Ironman, che è una nuotata di 7,2 miglia, una bici da 336 miglia e una corsa di 78,6 miglia fatta senza sosta, che ho completato in 38 ore e 46 minuti.

Questo modello a cervello diviso di The Athlete's Way illustra un'ipotesi altamente speculativa secondo cui il cervelletto potrebbe essere la sede dell'apprendimento implicito e il cervello potrebbe facilitare l'apprendimento esplicito.

Fonte: foto e illustrazione di Christopher Bergland (Circa 2005)

Il mio defunto padre, Richard Bergland, era un neurochirurgo, neuroscienziato e autore di The Fabric of Mind . Come tennista e neurochirurgo a base di neuroscienze, mio ​​padre ebbe l'impressione che le cellule di Purkinje nel cervelletto giocassero un ruolo centrale nella memoria muscolare. Come tennista adolescente, mio ​​padre mi allenava dicendo: " Chris, pensa a martellare e forgiando la memoria muscolare contenuta nel tuo cervelletto ad ogni colpo ." Nel 2005, mio ​​padre mi ha aiutato a creare un modello radicalmente nuovo di cervello diviso per The Athlete's Way: Sweat e la biologia della beatitudine (St. Martin's Press) che è radicata nella sua ipotesi che l'apprendimento esplicito è principalmente seduto nel cervello e l'apprendimento implicito è seduto nel cervelletto. Naturalmente, questo quadro è troppo semplificato per fare un punto ipotetico. Chiaramente, l'ippocampo e altre regioni cerebrali svolgono anche un ruolo chiave nella memoria dichiarativa e nell'apprendimento esplicito. Tuttavia, come atleta, il mio allenamento e la mia competizione sono sempre stati guidati dall'ipotesi che pratica, pratica, pratica abituale facilitava la codifica neurale dell'apprendimento implicito e della memoria muscolare nel mio cervelletto in un modo che riduceva al minimo la fuga di cervelli e la "paralisi" analisi "di troppi pensieri cerebrali.

Dalla morte di mio padre, nel 2007, ho mantenuto le mie antenne per qualsiasi ricerca sui correlati neurali e sulla meccanica cerebrale dell'apprendimento implicito ed esplicito. Lungo questa linea, un recente studio di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology, "Una meta-analisi suggerisce differenti correlazioni neurali per l'apprendimento implicito ed esplicito", è stato pubblicato l'11 ottobre sulla rivista Neuron. Questa analisi ha trovato   che l'apprendimento esplicito (come i rematori che memorizzano un elenco di parole nello studio Longman) ha una firma neurale distinta che oscilla a una frequenza superiore rispetto all'apprendimento implicito.

Anche se è troppo presto per sapere con certezza se il cervelletto è, di fatto, la sede dell'apprendimento implicito, la ricerca futura aiuterà a rispondere a queste domande. Detto questo, gli autori dello studio del MIT hanno dichiarato:

"Una volta si credeva che l'apprendimento fosse un processo unitario. Come si è scoperto, tuttavia, il paziente HM e altri pazienti con amnesia hanno conservato l'apprendimento delle abilità nonostante l'incapacità di conservare e richiamare nuovi fatti ed episodi (Scoville e Milner, 1957, Milner ed altri, 1968, Cohen e Squire, 1980). Ciò ha portato all'idea che esistono almeno due forme principali di apprendimento: una, ippocampale-dipendente e episodica nei contenuti (apprendimento esplicito) e, un'altra, non ippocampale e in gran parte inconscia (apprendimento implicito). . . Mentre è chiaro che l'apprendimento esplicito e implicito coinvolge sistemi cerebrali distinti, le differenze nei loro meccanismi neurali sono state meno chiare. "

In una dichiarazione, Earl K. Miller, il professore di Neuroscienze del Picower all'Istituto Picower per l'apprendimento e la memoria e il Dipartimento del cervello e delle scienze cognitive e autore senior di questo documento del MIT hanno dichiarato: "Queste distinte firme neurali potrebbero guidare gli scienziati mentre studia la neurobiologia di base su come entrambi impariamo le capacità motorie e lavoriamo attraverso complesse attività cognitive. "

Miller descrive l'apprendimento esplicito come "apprendimento di una consapevolezza cosciente, quando pensi a ciò che stai imparando e puoi articolare ciò che hai imparato, come memorizzare un lungo passaggio in un libro o imparare i passi di un gioco complesso come scacchi. "Il rovescio della medaglia, dice," L'apprendimento implicito è il contrario. Potresti chiamarlo apprendimento delle abilità motorie o memoria muscolare, il tipo di apprendimento a cui non hai accesso coscientemente, come imparare ad andare in bicicletta oa fare juggling. In questo modo si migliora e si migliora, ma non si può davvero esprimere ciò che si sta imparando. "

Più specificamente, Miller ei suoi colleghi del MIT hanno scoperto che durante i compiti di apprendimento esplicito si verificava un aumento delle onde cerebrali alfa2-beta (oscillanti a 10-30 hertz) a seguito di una scelta corretta e un aumento delle onde delta-theta (3-7 hertz) dopo una scelta sbagliata. È interessante notare che le onde alfa2-beta sono aumentate con l'apprendimento durante attività esplicite, ma sono diminuite con l'avanzare dell'apprendimento. Miller ipotizza che l'aumento delle onde cerebrali alfa-2-beta durante l'apprendimento esplicito "potrebbe riflettere la costruzione di un modello del compito. E poi, dopo che l'animale ha imparato il compito, i ritmi alfa-beta si interrompono, perché il modello è già stato costruito. "

Viceversa, i ritmi delta-theta sono aumentati solo con risposte corrette durante un compito di apprendimento implicito. Hanno anche diminuito la frequenza di oscillazione man mano che l'apprendimento progrediva. Questo modello potrebbe riflettere il "ricablaggio" neurale semplificato che codifica le abilità motorie nella memoria muscolare durante l'apprendimento implicito per aiutare l'intero cervello a diventare più efficiente dal punto di vista energetico. Miller conclude: "Questo ci ha mostrato che ci sono diversi meccanismi in gioco durante l'apprendimento esplicito rispetto all'implicito".

Sebbene siano necessarie molte più ricerche prima di comprendere appieno le firme neurali che circondano l'apprendimento e la memoria espliciti e impliciti, il mondo dell'allenamento sportivo e della competizione atletica contribuirà inevitabilmente a informare i neuroscienziati e gli antropologi evoluzionisti sulla meccanica cerebrale di questi processi. Rimanete sintonizzati!