能源需求限制了我们大脑的信息处理能力

根据一项使用大脑成像方法测量细胞代谢的最新UCL研究,由于能量恒定但有限,我们的大脑在一次可以处理的数量上有上限。

这项发表在《神经科学杂志》上的研究发现,注意可以改变大脑分配有限能量的方式。由于大脑在处理我们所关注的事物时使用了更多的能量,因此在关注焦点之外的处理中所消耗的能量也就更少了。

高级作者Nilli Lavie教授(UCL认知神经科学研究所)在解释这项研究时说:“运行人脑需要大量能量。我们知道,即使我们休息,大脑仍会不断消耗大约20%的代谢能。我们的思想,然而,人们普遍认为,当我们还有更多需要处理的思想时,这种持续不断但有限的能源供应不会增加。

“如果对大脑的能量供应有严格的限制,我们怀疑大脑可能会通过将能量从其他功能转移出去,并优先关注我们的注意力来处理具有挑战性的任务。

“我们的研究结果表明,当我们的工作变得更加困难时,大脑确实会向神经元分配更少的能量,这些神经元会响应我们关注的焦点以外的信息。这解释了为什么我们对真正想要成为关键信息的人会出现注意力不集中和失聪的现象意识到。”

认知神经科学家和生物医学工程师的研究团队使用无创光学成像方法测量了大脑的新陈代谢。通过这种方式,他们可以看到人们将注意力集中在一项任务上时大脑区域使用了多少能量,以及当任务对精神的要求更高时,大脑区域会如何变化。他们使用宽带近红外光谱仪来测量参与脑细胞线粒体能量代谢的酶的氧化水平,线粒体是为每个细胞的生化反应提供动力的能量发生器。

研究人员利用他们的技术来测量18个人大脑中视觉皮层不同区域的大脑代谢,因为他们执行了复杂或简单的视觉搜索任务,而有时还会出现与该任务无关的视觉干扰。

他们发现,由于任务较复杂,大脑区域对伴随的任务刺激作出反应的细胞代谢升高,而这些增加直接反映了对无人值守刺激做出反应的区域中细胞代谢水平的降低。这种推挽模式紧密同步,显示了有人值守和无人值守处理之间有限的能源供应之间的权衡。

合著者Ilias Tachtsidis教授(UCL医学物理与生物医学工程)说:“通过使用我们内部开发的宽带近红外光谱技术,我们在UCL开发的一种光学脑部监测技术,我们能够更好地测量线粒体(细胞的动力工厂)在新陈代谢中起着不可或缺的作用。”

第一作者,博士。UCL认知神经科学研究所的学生Merit Bruckmaier说:“与过去使用功能磁共振成像成像方法(测量脑血氧水平而不是代谢的细胞内标记物)的研究相比,使用这些方法得出的关于脑能量使用的结论更为直接和明确。 ”

拉维教授说:“通过这种方式,我们设法将人们的大脑超负荷经验与神经元内部发生的事情联系起来,因为一种目的的高能量需求可以通过减少与其他目的有关的能量消耗来平衡。如果我们尝试处理太多的信息,由于我们的大脑能力受到严格限制,我们可能会感到负担过重。

“近几个月来,我们听到了很多人的声音,他们感到不知所措,不断的新闻更新和需要克服的新挑战。当您的大脑处于最大能力时,您很可能无法处理某些信息。您可能甚至没有注意到重要的电子邮件是因为您的孩子在跟您说话,或者您可能因为您接到意外的工作电话而错过了烤箱计时器。我们的发现可能解释了这些经常令人沮丧的盲目或耳聋的经历。”

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