Pourquoi le cerveau cérébral gobe-t-il tellement d'énergie?

Le cerveau humain hiérarchise ses propres besoins énergétiques avant de détourner l'énergie pour alimenter les besoins des autres organes et des muscles qui stimulent la performance physique, selon une nouvelle étude menée par des anthropologues évolutionnistes à l'Université de Cambridge. Leur dernier article, «Un compromis entre performance cognitive et physique, avec préservation relative de la fonction cérébrale», a été publié le 20 octobre dans la revue Scientific Reports .

Source: Pixabay / Domaine Public

Le cerveau humain représente environ 2% du poids corporel, mais absorbe quotidiennement environ 20% des réserves d'énergie disponibles du corps. Pour Homo sapiens , avoir de gros cerveaux a un coût énergétique élevé. En fait, les chercheurs de Cambridge ont constaté que lorsque nous devons penser rapidement tout en travaillant fort, nous avons évolué pour mettre nos besoins en énergie cérébrale au-dessus des besoins énergétiques pour une performance physique maximale. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que, pour que le clade Homo survive et prospère, notre espèce a évolué pour donner la priorité à la rapidité de la pensée en accélérant le mouvement en fournissant une «allocation préférentielle du glucose au cerveau».

En tant que chasseurs-cueilleurs, notre maîtrise des méthodes d'acquisition des aliments s'est améliorée parallèlement à l'élargissement de notre cerveau par l'encéphalisation, qui est l'augmentation évolutive de la complexité et de la taille relative du cerveau humain. L'encéphalisation implique également un déplacement de la fonction cognitive des parties non corticales du cerveau vers le cortex cérébral.

Lorsque vous dépensez de l'énergie pendant une séance d'entraînement vigoureuse ou une compétition athlétique – qui s'apparente à nos ancêtres chassant les proies – les muscles squelettiques rivalisent avec le cerveau pour le glucose et l'oxygène disponibles. L'exercice de haute intensité ou l'entraînement par intervalles (HIIT) augmente la demande métabolique des muscles squelettiques et du cerveau en proportion directe du degré d'effort physique.

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"Un cerveau bien alimenté peut nous offrir de meilleures chances de survie que des muscles bien alimentés face à un défi environnemental", a déclaré Daniel Longman, auteur principal de l'étude de l'équipe PAVE du Département d'Archéologie de Cambridge, dans un communiqué.

Pour cette étude, Longman et ses collègues du groupe de recherche PAVE (Phénotypique adaptabilité, variation et évolution) de l'Université de Cambridge ont recruté 62 étudiants âgés en moyenne de 21 ans issus des équipes d'aviron d'élite de l'Université.

Au cours des différentes étapes de cette expérience, les participants ont effectué des tests de mémoire et des tâches physiques de façon indépendante, puis simultanément. Tout d'abord, les capacités cognitives de base ont été testées au cours d'un test de rappel de trois minutes à un bureau. Ensuite, la performance athlétique maximale a été mesurée pendant un test de puissance de trois minutes sur un rameur. Enfin, les rameurs devaient effectuer la tâche de mémoire tout en ramant simultanément à la puissance maximale.

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Comme prévu, essayer de rappeler une liste de mots tout en aviron près de VO2max a entraîné des scores inférieurs sur la performance mentale et physique. Cependant, l'équipe de recherche a été surprise de constater que la diminution de la production d'énergie était significativement supérieure à la baisse du rappel de la mémoire. En fait, la baisse de la production d'énergie physique était en moyenne de 29,8% supérieure à la baisse de la fonction cognitive.

Longman et al. croient que les résultats de leur nouvelle étude corroborent «l'hypothèse du cerveau égoïste» qui postule que le cerveau humain a évolué pour donner la priorité à ses propres besoins énergétiques avant ceux des organes périphériques et des muscles squelettiques.

"Les compromis entre les organes et les tissus permettent à de nombreux organismes de supporter les déficits énergétiques grâce à des priorités internes. Cependant, cela a un coût ", a déclaré Longman. "La nature égoïste du cerveau a été observée dans la préservation unique de la masse cérébrale en tant que corps perdus chez les personnes souffrant de malnutrition à long terme ou de famine, ainsi que chez les enfants nés avec une restriction de croissance."

Les auteurs résument la conclusion de ces conclusions dans leur conclusion: «Cette étude a démontré un compromis de niveau aigu entre la fonction cognitive et la puissance physique produite lors d'une provocation simultanée. Cela supporte l'hypothèse du cerveau égoïste en raison de la préservation relative de la fonction cognitive par rapport à la production de puissance physique. Le mécanisme sous-jacent n'est pas clair et nécessite une enquête plus approfondie. "

La recherche en cours de Danny Longman est axée sur les compromis qui se produisent pendant l'effort physique prolongé qui se produit lors d'événements sportifs d'endurance, tels que les courses à pied de 300 km dans les environnements les plus difficiles du monde. Comme le décrit Longman sur sa page d'accueil: «Nous travaillons en collaboration avec le Dr Dan Gordon à l'Université Anglia Ruskin pour effectuer des analyses physiologiques plus détaillées sur les athlètes participants. Ce projet permet de mieux comprendre les compromis du cycle de vie résultant de la compétition interne pour les ressources qui surviennent lorsqu'un individu est soumis à un stress énergétique, avec des implications pour l'adaptation et la performance dans des environnements extrêmes.

Quand Christopher Bergland a parcouru 153,76 miles sur un tapis roulant, il a dû faire un compromis entre un cerveau fonctionnant pleinement ou la puissance musculaire nécessaire pour compléter la distance en 24 heures pour battre un record du monde Guinness.

Source: Photo de Christopher Bergland

Pour l'anecdote, j'ai beaucoup appris sur les compromis qui se produisent lors des courses d'ultra-distance. Par exemple, en 2004, j'ai battu un record du monde Guinness en parcourant 153.76 miles en 24 heures. Notamment, pour accomplir cet exploit, mes reins et ma pensée cérébrale se sont arrêtés dans la dernière heure de l'événement afin que mon corps puisse rediriger des ressources énergétiques limitées vers mes muscles de la jambe. Ce compromis m'a presque tué. Après avoir couru six marathons en 24 heures, j'ai passé une semaine à l'unité de soins intensifs à me remettre des dommages causés par mon cœur qui commençait à se manger pour que mon corps avance. ( Oui, j'étais un athlète maniaco-masochiste d'ultra-endurance qui s'est continuellement mis au bord de l'auto-anéantissement pour gagner des courses.Pour le compte rendu: je me suis retiré des compétitions sportives après cette expérience de mort imminente .)

Cela étant dit, je me sentais formidable pour les vingt-trois premières heures de course sans arrêt. Pendant cette période, j'ai couru environ 146 miles sur le tapis roulant. Mais, alors que je commençais la dernière heure du «treadathon» pour tenter de battre un record mondial Guinness, mon cortex cérébral semblait déconnecté. Malheureusement, je devais encore courir 7 miles pour battre le record du monde actuel de 153 miles en 24 heures. Par la force pure de la volonté, mon corps a commencé à voler mon «cerveau égoïste» d'énergie afin de continuer à aller de l'avant. C'était le compromis que mon corps et mon cerveau devaient faire pour courir plus loin que n'importe quel être humain n'avait jamais couru sur un tapis roulant en une seule journée. Comme je le décris dans La manière de l'athlète: la sueur et la biologie de la félicité :

"Quand mon cerveau s'est arrêté après vingt-trois heures de course sans arrêt, j'avais l'impression d'être à Jurassic Park. Ce moment éphémère athlétique a déplacé des gobelets dans mon cerveau et s'est ouvert à un monde primitif surréaliste. Je me souviens de l'angle de la lumière ce matin et de l'énergie d'une mer de gens qui m'encourageaient, mais pas de leurs personnalités individuelles. Tout n'était qu'un kaléidoscope massif de couleurs. Pourtant, je courais toujours. J'ai perdu tout sens du temps. Je ne pouvais prendre dans la foule que des fragments épars de stimuli extérieurs et des impulsions d'énergie. Pas même la musique a pénétré. Rien n'était traité par mon cerveau conscient.

A partir de 7 heures du matin, vingt-trois heures après la fin de la course, je ne me souviens plus de rien. Mais j'ai couru encore une heure à sept milles à l'heure. Je crois que j'ai pu continuer à courir après tant d'années de mémoire musculaire dans les cellules de Purkinje de mon cervelet. La mémoire implicite innée de la course stockée dans mon cervelet m'a permis de courir sans un cerveau complètement fonctionnel. J'ai mis un pied devant l'autre d'une manière purement instinctive. "

«Hypothèse de cerveau égoïste» aide à expliquer «Paralysie par analyse» dans les sports

La légende du tennis Arthur Ashe a remarquablement observé: « Il y a un syndrome dans les sports appelé« paralysie par analyse ». «En tant qu'athlète d'ultra-endurance, j'ai appris par essais et erreurs que de trop dépenser les précieuses ressources énergétiques nécessaires pour courir, faire du vélo et / ou nager des distances extrêmes, comme le treadathon de 24 heures mentionné plus haut ou le triathlon Triple Ironman. une baignade de 7,2 milles, un vélo de 336 milles et une course de 78,6 milles sans escale, que j'ai terminés en 38 heures et 46 minutes.

Ce modèle de cerveau partagé de The Athlete's Way illustre une hypothèse hautement spéculative selon laquelle le cervelet pourrait être le siège de l'apprentissage implicite et le cerveau pourrait faciliter l'apprentissage explicite.

Source: Photo et illustration de Christopher Bergland (Circa 2005)

Mon défunt père, Richard Bergland, était neurochirurgien, neuroscientifique et auteur de The Fabric of Mind . En tant que joueur de tennis et chirurgien cérébral basé sur les neurosciences, mon père avait l'intuition que les cellules de Purkinje dans le cervelet jouent un rôle central dans la mémoire musculaire. En tant que joueur de tennis adolescent, mon père m'accompagnait en disant: « Chris, pensez à marteler et à forger la mémoire musculaire contenue dans votre cervelet à chaque coup ». En 2005, mon père m'a aidé à créer un nouveau modèle radical La voie de l'athlète: la sueur et la biologie de la béatitude (St. Martin's Press) qui est ancrée dans son hypothèse que l'apprentissage explicite est principalement assis dans le cerveau et l'apprentissage implicite est assis dans le cervelet. Bien sûr, ce cadre est trop simplifié pour faire un point hypothétique. Clairement, l'hippocampe et d'autres régions du cerveau jouent également un rôle clé dans la mémoire déclarative et l'apprentissage explicite. Néanmoins, en tant qu'athlète, mon entraînement et ma compétition étaient toujours guidés par l'hypothèse que «pratique, pratique, pratique» habituelle facilitait l'encodage neural de l'apprentissage implicite et de la mémoire musculaire dans mon cervelet de manière à minimiser la fuite des cerveaux et la paralysie. analyse "de trop de pensée cérébrale.

Depuis la mort de mon père en 2007, j'ai gardé mes antennes pour toute recherche sur les corrélats neuronaux et la mécanique du cerveau de l'apprentissage implicite et explicite. Le long de cette ligne, un article récent de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology, «Une méta-analyse suggère différents corrélats neuronaux pour l'apprentissage implicite et explicite», a été publié le 11 octobre dans la revue Neuron. Cette analyse a trouvé   cet apprentissage explicite (comme les rameurs mémorisant une liste de mots dans l'étude de Longman) a une signature neurale distincte qui oscille à une fréquence plus élevée que l'apprentissage implicite.

Bien qu'il soit trop tôt pour savoir avec certitude si le cervelet est en fait le siège de l'apprentissage implicite, de futures recherches aideront à répondre à ces questions. Cela dit, les auteurs de l'étude MIT ont déclaré:

"On croyait autrefois que l'apprentissage était un processus unitaire. Cependant, le patient HM et d'autres patients atteints d'amnésie ont conservé leurs compétences malgré l'impossibilité de retenir et de rappeler de nouveaux faits et épisodes (Scoville et Milner, 1957, Milner et al., 1968, Cohen et Squire, 1980). Cela a conduit à l'idée qu'il existe au moins deux formes majeures d'apprentissage: l'une, hippocampique-dépendante et épisodique (apprentissage explicite) et l'autre, non-hippocampique et largement inconsciente (apprentissage implicite). . . Bien qu'il soit clair que l'apprentissage explicite et implicite engage des systèmes cérébraux distincts, les différences dans leurs mécanismes neuronaux ont été moins claires. "

Dans un communiqué, Earl K. Miller, professeur Picower de neuroscience à l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire et le département des sciences cérébrales et cognitives, et auteur principal de ce document MIT a déclaré: «Ces signatures neuronales distinctes pourraient guider les scientifiques comme ils étudier la neurobiologie sous-jacente de la façon dont nous apprenons à la fois les compétences motrices et travailler à travers des tâches cognitives complexes. "

Miller décrit l'apprentissage explicite comme «l'apprentissage dont vous avez conscience, lorsque vous réfléchissez à ce que vous apprenez et que vous pouvez articuler ce que vous avez appris, comme mémoriser un long passage dans un livre ou apprendre les étapes d'un jeu complexe comme D'un autre côté, il dit: «L'apprentissage implicite est le contraire. On pourrait appeler cela de l'apprentissage de la motricité ou de la mémoire musculaire, le type d'apprentissage auquel vous n'avez pas accès consciemment, comme apprendre à faire du vélo ou à jongler. En faisant cela, vous devenez de mieux en mieux, mais vous ne pouvez pas vraiment articuler ce que vous apprenez. "

Plus précisément, Miller et ses collègues du MIT ont découvert que lors des tâches d'apprentissage explicites, il y avait une augmentation des ondes cérébrales alpha2-bêta (oscillant à 10-30 hertz) suite à un choix correct et une augmentation des ondes delta-thêta (3-7 hertz) après un choix incorrect. Fait intéressant, les ondes alpha2-bêta ont augmenté avec l'apprentissage pendant les tâches explicites, mais ont diminué au fur et à mesure que l'apprentissage progressait. Miller spécule que l'augmentation des ondes cérébrales alpha-2-bêta au cours de l'apprentissage explicite "pourrait refléter la construction d'un modèle de la tâche. Et puis, après que l'animal apprenne la tâche, les rythmes alpha-bêta tombent, parce que le modèle est déjà construit. "

Inversement, les rythmes delta-thêta augmentent seulement avec des réponses correctes pendant une tâche d'apprentissage implicite. Ils ont également diminué en fréquence d'oscillation à mesure que l'apprentissage progressait. Ce modèle pourrait refléter un «recâblage» neural rationalisé qui code les habiletés motrices dans la mémoire musculaire au cours de l'apprentissage implicite pour aider l'ensemble du cerveau à devenir plus économe en énergie. Miller conclut: «Cela nous a montré qu'il y a différents mécanismes en jeu durant l'apprentissage explicite par rapport à l'apprentissage implicite.

Bien qu'il faille beaucoup plus de recherches avant de comprendre pleinement les signatures neuronales entourant l'apprentissage et la mémoire explicites et implicites, le monde de l'entraînement sportif et de la compétition athlétique aidera inévitablement à informer les neuroscientifiques et les anthropologues évolutionnistes de la mécanique cérébrale de ces processus. Restez à l'écoute!