Por que o poder cerebral cerebral engarrafa tanto energia?

O cérebro humano prioriza seus próprios requisitos de energia antes de desviar energia para alimentar as necessidades de outros órgãos e músculos que impulsionam o desempenho físico, de acordo com um novo estudo realizado por antropólogos evolutivos da Universidade de Cambridge. Seu último artigo, "Um trade-off entre o desempenho cognitivo e físico, com preservação relativa da função cerebral", foi publicado no dia 20 de outubro na revista Scientific Reports .

Fonte: Pixabay / Public Domain

O cérebro humano é responsável por cerca de 2 por cento do peso corporal, mas devora cerca de 20 por cento das reservas de energia disponíveis no corpo diariamente. Para o Homo sapiens , ter grandes cérebros vem com um alto custo de energia. Na verdade, os pesquisadores de Cambridge descobriram que quando devemos pensar rápido enquanto trabalhamos duro, evoluímos para colocar as necessidades de energia do cérebro cerebral acima dos requisitos de energia para o desempenho físico máximo. Os pesquisadores levantam a hipótese de que, para que o homo clade possa sobreviver e prosperar, nossa espécie evoluiu para priorizar o pensamento rápido sobre o movimento rápido, fornecendo uma "alocação preferencial de glicose ao cérebro".

Como caçadores-coletores, nosso domínio dos métodos de aquisição de alimentos melhorou em conjunto com o nosso cérebro aumentando através da encefalalização, que é o aumento evolutivo da complexidade e do tamanho relativo do cérebro humano. A inclusão também envolve uma mudança na função cognitiva das partes não corticais do cérebro para o córtex cerebral.

Quando você está gastando energia durante um exercício vigoroso ou competição atlética – que é semelhante aos nossos antepassados ​​que caçam músculos presas e esqueléticos competem com o cérebro para obter glicose e oxigênio disponíveis. Exercício de alta intensidade ou treinamento de intervalo (HIIT) aumenta a demanda metabólica dos músculos esqueléticos e do cérebro em proporção direta ao grau de esforço físico.

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"Um cérebro bem alimentado pode ter nos oferecido melhores chances de sobrevivência do que os músculos bem alimentados quando enfrentam um desafio ambiental", disse Daniel Longman, principal autor do estudo da equipe PAVE no Departamento de Arqueologia de Cambridge, em um comunicado.

Para este estudo, Longman e colegas do grupo de pesquisa PAVE (Adaptação, variação e evolução) da Universidade de Cambridge alistaram 62 estudantes com uma idade média de 21 das equipes de remo da Elite da universidade.

Durante vários estágios deste experimento, os participantes realizaram testes de memória e tarefas físicas de forma independente e simultaneamente. Primeiro, as habilidades cognitivas iniciais foram testadas durante um teste de recall de palavras de três minutos em uma mesa. Então, o desempenho esportivo máximo foi medido durante um teste de potência de três minutos em uma máquina de remo. Por fim, os remeros tiveram que executar a tarefa de memória ao mesmo tempo que rowing na saída máxima.

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Como esperado, tentar recuperar uma lista de palavras ao mesmo tempo que rowing perto de VO2max resultou em menores pontuações em desempenho mental e físico. No entanto, a equipe de pesquisa ficou surpreso ao descobrir que a diminuição da produção de energia foi significativamente mais do que a queda no recall de memória. De fato, a queda na potência física foi uma média de 29,8 por cento maior do que a queda na função cognitiva.

Longman et al. acredito que os resultados de seu novo estudo corroboram a "hipótese egoísta do cérebro", que postula que o cérebro humano evoluiu para priorizar suas próprias necessidades de energia antes dos órgãos periféricos e músculos esqueléticos.

"Os trade-offs entre órgãos e tecidos permitem que muitos organismos sofram condições de déficit de energia através da priorização interna. No entanto, isso tem um custo ", disse Longman. "A natureza egoísta do cérebro tem sido observada na preservação única da massa cerebral, à medida que os corpos desaparecem em pessoas que sofrem de desnutrição ou fome a longo prazo, bem como nas crianças nascidas com restrição de crescimento".

Os autores resumem o ponto de partida desses achados em sua conclusão: "Este estudo demonstrou um equilíbrio de nível agudo entre a função cognitiva e a produção de energia física durante o desafio simultâneo. Isso suporta a hipótese do cérebro egoísta devido à preservação relativa da função cognitiva sobre a potência física. O mecanismo subjacente não está claro e requer uma investigação mais aprofundada ".

A pesquisa em andamento de Danny Longman está focada em trade-offs que ocorrem durante o esforço físico prolongado que ocorre durante os eventos atléticos de ultra-resistência, como corridas a pé de até 300 km nos ambientes mais desafiadores do mundo. Como Longman descreve em sua página inicial: "Estamos trabalhando em colaboração com o Dr. Dan Gordon na Anglia Ruskin University para realizar análises fisiológicas mais detalhadas sobre atletas participantes. Este projeto está promovendo a compreensão dos trade-offs da vida que resultam da competição interna por recursos que surgem quando um indivíduo está estressado energicamente, com implicações para adaptação e desempenho em ambientes extremos ".

Quando Christopher Bergland executou 153.76 milhas em uma esteira, ele teve que fazer um trade-off entre um cérebro totalmente funcional ou o poder muscular necessário para completar a distância em 24 horas para quebrar um recorde mundial da Guinness.

Fonte: Foto de Christopher Bergland

Anecdotalmente, aprendi muito sobre os trade-offs que ocorrem durante as corridas de ultra-distância da experiência de primeira mão. Por exemplo, em 2004, eu quebrei um Recorde Mundial da Guinness executando 153.76 milhas em 24 horas. Notavelmente, para realizar esta façanha, meus rins e pensamento cerebral desligaram na última hora do evento para que meu corpo pudesse redirecionar recursos energéticos limitados para os músculos das pernas. Esse trade-off quase me matou. Depois de correr seis maratonas em 24 horas, passei uma semana na UTI recuperando dos danos causados ​​pelo meu coração começando a se alimentar para manter meu corpo em frente. ( Sim, eu era um atleta de ultra-resistência masoquista e maníaco que continuamente empurrou-se à beira da auto-aniquilação para ganhar corridas. Para o registro: eu me aposentei de competições esportivas após essa experiência de quase-morte .)

Dito isto, senti-me ótimo durante as primeiras 23 horas de corrida sem parar. Durante este período de tempo, eu corri aproximadamente 146 milhas na esteira. Mas, quando comecei a hora final do "treadathon" na tentativa de quebrar um recorde mundial do Guinness, meu córtex cerebral parecia ficar offline. Infelizmente, ainda tive que correr 7 milhas para quebrar o recorde mundial existente de 153 milhas em 24 horas. Através de pura força de vontade, meu corpo começou a roubar meu "cérebro egoísta" de energia para continuar avançando. Este foi o trade-off que meu corpo e meu cérebro tiveram que fazer para correr mais longe do que qualquer ser humano já tinha corrido em uma esteira em um único dia. Como descrevo em The Athlete's Way: Sweat e Biology of Bliss :

"Quando meu cérebro desligou após vinte e três horas de correr sem parar, senti como se estivesse no Jurassic Park. Este momento atlético efêmero mudou os tumblers no meu cérebro e abriu-se para um mundo primordial surreal. Lembro-me do ângulo da luz naquela manhã e da energia de um mar de pessoas que me encorajam, mas não de suas personalidades individuais. Tudo era apenas um enorme caleidoscópio de cores. No entanto, eu ainda estava correndo. Perdi toda sensação de tempo. Eu só poderia absorver pedaços dispersos de estímulos externos e impulsos de energia da multidão. Nem mesmo a música penetrou. Nada estava sendo processado pelo meu cérebro consciente.

De cerca de 7 da manhã, vinte e três horas corridas, até o final, não lembro de nada. Mas eu corri por mais uma hora a sete milhas por hora. Eu acredito que eu poderia continuar correndo de tantos anos de memória muscular colocados nas células Purkinje do meu cerebelo. A memória implícita inata de funcionamento armazenada no meu cerebelo me permitiu correr sem um cérebro totalmente funcional. Coloco um pé na frente do outro de uma maneira puramente instintiva ".

"Hipótese do cérebro egoísta" ajuda a explicar a "paralisia por análise" em esportes

A lenda do tênis, Arthur Ashe, observou: " Existe uma síndrome em esportes chamada" paralisia por análise ". "Como um atleta de ultra-endurance, aprendi por tentativa e erro que pensava demais para drenar recursos de energia valiosos necessários para correr, andar de bicicleta e / ou nadar distâncias extremas – como o treadathon de 24 horas acima mencionado ou ganhar o Triathlon Triple Ironman, que é um mergulho de 7,2 milhas, uma bicicleta de 336 milhas e uma corrida de 78,6 milhas executadas sem parar, que completei em 38 horas e 46 minutos.

Este modelo de cérebro dividido de The Athlete's Way ilustra uma hipótese altamente especulativa de que o cerebelo pode ser o lugar da aprendizagem implícita e o cérebro pode facilitar o aprendizado explícito.

Fonte: Foto e ilustração de Christopher Bergland (Circa 2005)

Meu falecido pai, Richard Bergland, era neurocirurgião, neurocientista e autor de The Fabric of Mind . Como um jogador de tenis e um cirurgião cerebral com base na neurociência, meu pai teve uma convicção de que as células de Purkinje no cerebelo desempenham um papel central na memória muscular. Como um jogador de tênis adolescente, meu pai iria me treinar dizendo: " Chris, pense em martelar e forjar a memória muscular realizada em seu cerebelo com todos os derrames ". Em 2005, meu pai me ajudou a criar um novo modelo radical de cérebro dividido para O Caminho do Atleta: Suor e a Biologia da Felicidade (imprensa de St. Martin), que está enraizada em sua hipótese de que o aprendizado explícito está primariamente sentado no cérebro e a aprendizagem implícita está sentada no cerebelo. Claro, esse quadro é excessivamente simplificado para fazer um ponto hipotético. Claramente, o hipocampo e outras regiões cerebrais também desempenham um papel fundamental na memória declarativa e na aprendizagem explícita. No entanto, como atleta, meu treinamento e competição sempre foram guiados pela hipótese de que a "prática, prática e prática" habituais facilitou a codificação neural da aprendizagem implícita e da memória muscular no meu cerebelo de forma a minimizar a fuga de cérebros e a "paralisia por análise "de muito pensamento cerebral.

Desde a morte do meu pai em 2007, mantive minhas antenas para qualquer pesquisa sobre os correlatos neurais e a mecânica cerebral de aprendizado implícito e explícito. Ao longo desta linha, um artigo recente de pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology, "Uma meta-análise sugere diferentes correlações neurais para a aprendizagem implícita e explícita", foi publicado no dia 11 de outubro na revista Neuron. Esta análise encontrou   que a aprendizagem explícita (como os rowers que memorizam uma lista de palavras no estudo de Longman) possui uma assinatura neural distinta que oscila em uma freqüência maior do que a aprendizagem implícita.

Embora seja muito cedo para saber com certeza se o cerebelo é, de fato, o lugar da aprendizagem implícita, a pesquisa futura ajudará a responder a essas perguntas. Dito isto, os autores do estudo do MIT declararam:

"A aprendizagem já se acreditava ser um processo unitário. Contudo, como aconteceu, no entanto, a paciente HM e outros pacientes com amnésia preservaram a aprendizagem de habilidades apesar da incapacidade de reter e lembrar novos fatos e episódios (Scoville e Milner, 1957, Milner et al., 1968, Cohen and Squire, 1980). Isso levou à noção de que existem pelo menos duas formas principais de aprendizagem: uma, dependente do hipocampo e conteúdo episódico (aprendizagem explícita) e, outra, não hipocampo e, em grande parte, inconsciente (aprendizado implícito). . . Embora seja claro que a aprendizagem explícita e implícita envolve sistemas cerebrais distintos, as diferenças em seus mecanismos neurais foram menos claras ".

Em uma declaração, Earl K. Miller, Professor Picower de Neurociências no Instituto Picower para Aprendizagem e Memória e do Departamento de Ciências Cênicas e Cognitivas, e autor principal deste documento do MIT, disse: "Essas assinaturas neurais distintas poderiam orientar os cientistas como eles estudar a neurobiologia subjacente de como ambos aprendemos habilidades motoras e trabalhamos através de tarefas cognitivas complexas ".

Miller descreve a aprendizagem explícita como "aprendendo que você tem consciência consciente, quando você pensa sobre o que está aprendendo e pode articular o que aprendeu, como memorizar uma longa passagem em um livro ou aprender os passos de um jogo complexo como xadrez ". Por outro lado, ele diz:" O aprendizado implícito é o oposto. Você pode chamá-lo de aprendizagem de habilidade motora ou memória muscular, o tipo de aprendizagem que você não tem acesso consciente, como aprender a andar de bicicleta ou a fazer malabarismos. Ao fazê-lo, você fica melhor e melhor nisso, mas você realmente não pode articular o que está aprendendo ".

Mais especificamente, Miller e seus colegas do MIT descobriram que, durante tarefas de aprendizagem explícitas, houve um aumento nas ondas cerebrais alfa2-beta (oscilando entre 10-30 hertz) seguindo uma escolha correta e um aumento das ondas delta-theta (3-7 hertz) depois de uma escolha incorreta. Curiosamente, as ondas alfa2-beta aumentaram com a aprendizagem durante tarefas explícitas, mas diminuíram à medida que a aprendizagem avançava. Miller especula que o aumento das ondas cerebrais alfa-2-beta durante a aprendizagem explícita "poderia refletir a construção de um modelo da tarefa. E então, depois que o animal aprende a tarefa, os ritmos alfa-beta caem, porque o modelo já está construído ".

Por outro lado, os ritmos delta-theta só aumentaram com respostas corretas durante uma tarefa de aprendizado implícita. Eles também diminuíram na freqüência de oscilação à medida que a aprendizagem progrediu. Esse padrão poderia refletir o "recarregamento" neural simplificado que codifica as habilidades motoras na memória muscular durante a aprendizagem implícita para ajudar o cérebro inteiro a se tornar mais eficiente em energia. Miller conclui: "Isso nos mostrou que existem diferentes mecanismos em jogo durante a aprendizagem explícita versus a implícita".

Embora seja necessária muita pesquisa antes de entender completamente as assinaturas neurais envolvendo aprendizagem e memória explícitas e implícitas, o mundo do treinamento esportivo e da competição atlética inevitavelmente ajudará a informar neurocientistas e antropólogos evolutivos sobre a mecânica cerebral desses processos. Fique ligado!