¿Por qué el poder del cerebro cerebral engulle tanta energía?

El cerebro humano prioriza sus propios requerimientos de energía antes de desviar energía para alimentar las necesidades de otros órganos y músculos que impulsan el rendimiento físico, según un nuevo estudio realizado por antropólogos evolucionistas de la Universidad de Cambridge. Su último trabajo, "Una compensación entre el rendimiento cognitivo y físico, con la preservación relativa de la función cerebral", fue publicado el 20 de octubre en la revista Scientific Reports .

Fuente: Pixabay / Public Domain

El cerebro humano representa aproximadamente el 2 por ciento del peso corporal, pero devora aproximadamente el 20 por ciento de las reservas de energía disponibles del cuerpo diariamente. Para Homo sapiens , tener cerebros grandes tiene un alto costo de energía. De hecho, los investigadores de Cambridge descubrieron que cuando tenemos que pensar rápido mientras trabajamos duro, hemos evolucionado para poner nuestras necesidades de energía cerebral cerebral por encima de los requisitos de energía para un rendimiento físico máximo. Los investigadores plantean la hipótesis de que para que el Homo clade pueda sobrevivir y prosperar, nuestra especie evolucionó para priorizar el pensamiento rápido sobre el movimiento rápido al proporcionar una "asignación preferencial de glucosa al cerebro".

Como cazadores-recolectores, nuestro dominio de los métodos de adquisición de alimentos mejoró al mismo tiempo que nuestros cerebros se hicieron más grandes a través de la encefalización, que es el aumento evolutivo en la complejidad y el tamaño relativo del cerebro humano. La encefalización también implica un cambio en la función cognitiva de las partes no cerebrales del cerebro a la corteza cerebral.

Cuando gasta energía durante un entrenamiento vigoroso o una competencia atlética, que es similar a la de nuestros antepasados ​​cazando presas, los músculos esqueléticos compiten con el cerebro por glucosa y oxígeno disponibles. El ejercicio de alta intensidad o el entrenamiento intervalado (HIIT) aumenta la demanda metabólica de los músculos esqueléticos y del cerebro en proporción directa al grado de esfuerzo físico.

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"Un cerebro bien alimentado puede habernos ofrecido mejores probabilidades de supervivencia que los músculos bien alimentados cuando enfrentamos un desafío ambiental", dijo Daniel Longman, autor principal del estudio del equipo PAVE en el Departamento de Arqueología de Cambridge, en un comunicado.

Para este estudio, Longman y sus colegas del grupo de investigación PAVE (Adaptabilidad fenotípica, variación y evolución) de la Universidad de Cambridge reclutaron a 62 estudiantes con una edad promedio de 21 años de los equipos de remo de élite de la Universidad.

Durante varias etapas de este experimento, los participantes realizaron pruebas de memoria y tareas físicas de forma independiente y luego simultáneamente. En primer lugar, las capacidades cognitivas básicas se probaron durante una prueba de recuperación de palabras de tres minutos en un escritorio. Luego, se midió el rendimiento atlético máximo durante una prueba de potencia de tres minutos en una máquina de remo. Por último, los remeros tuvieron que realizar la tarea de memoria mientras remaban simultáneamente a la salida máxima.

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Como era de esperar, tratar de recordar una lista de palabras al mismo tiempo que remar cerca del VO2max resultó en puntajes más bajos en el desempeño mental y físico. Sin embargo, el equipo de investigación se sorprendió al descubrir que la disminución en la producción de potencia fue significativamente mayor que la caída en el recuerdo de la memoria. De hecho, la caída en la producción de potencia física fue un promedio de 29.8 por ciento mayor que la caída en la función cognitiva.

Longman et al. creen que los resultados de su nuevo estudio corroboran la "hipótesis del cerebro egoísta" que postula que el cerebro humano evolucionó para priorizar sus propias necesidades de energía antes que las de los órganos periféricos y los músculos esqueléticos.

"Las compensaciones entre órganos y tejidos permiten a muchos organismos soportar condiciones de déficit de energía mediante la priorización interna. Sin embargo, esto tiene un costo ", dijo Longman. "La naturaleza egoísta del cerebro se ha observado en la preservación única de la masa cerebral mientras los cuerpos se consumen en personas que sufren de desnutrición o inanición a largo plazo, así como en niños que nacen con restricción de crecimiento".

Los autores resumen la conclusión de estos hallazgos en su conclusión: "Este estudio ha demostrado un intercambio de nivel agudo entre la función cognitiva y la producción de potencia física durante el desafío simultáneo. Esto respalda la hipótesis del cerebro egoísta debido a la preservación relativa de la función cognitiva sobre la producción de potencia física. El mecanismo subyacente no está claro y requiere una mayor investigación ".

La investigación en curso de Danny Longman se centra en las concesiones que se producen durante el esfuerzo físico prolongado que ocurre durante los eventos deportivos de ultra resistencia, como las carreras de pie de hasta 300 km en los entornos más desafiantes del mundo. Como Longman describe en su página web: "Estamos trabajando en colaboración con el Dr. Dan Gordon en la Universidad Anglia Ruskin para realizar análisis fisiológicos más detallados sobre los atletas participantes. Este proyecto está fomentando la comprensión de las ventajas y desventajas del ciclo de vida que resultan de la competencia interna por los recursos que surgen cuando un individuo está energéticamente estresado, con implicaciones para la adaptación y el rendimiento en entornos extremos ".

Cuando Christopher Bergland corrió 153.76 millas en una cinta rodante, tuvo que hacer un intercambio entre un cerebro en pleno funcionamiento o la potencia muscular necesaria para completar la distancia en 24 horas para romper un récord mundial Guinness.

Fuente: Foto de Christopher Bergland

Como anécdota, he aprendido mucho sobre las ventajas y desventajas que se producen durante las carreras de ultra distancia desde la experiencia de primera mano. Por ejemplo, en 2004, rompí un récord mundial Guinness corriendo 153.76 millas en 24 horas. Notablemente, para lograr esta hazaña, mis riñones y mi pensamiento cerebral se cerraron en la última hora del evento para que mi cuerpo pudiera redirigir recursos energéticos limitados a los músculos de mis piernas. Esta disyuntiva casi me mata. Después de correr seis maratones en 24 horas, pasé una semana en la unidad de cuidados intensivos recuperándome del daño causado por el corazón que comenzaba a comer para mantener mi cuerpo en movimiento. ( Sí, yo era un atleta de ultra resistencia endiabladamente masoquista que continuamente se puso al borde de la autoaniquilación para ganar carreras. Para el registro: me retiré de competiciones deportivas después de esta experiencia cercana a la muerte ).

Dicho esto, me sentí fenomenal durante las primeras veintitrés horas de carrera sin parar. Durante este período de tiempo, corrí aproximadamente 146 millas en la cinta. Pero, cuando comencé la última hora del "treadathon" en un intento de romper un récord mundial de Guinness, mi corteza cerebral pareció desconectarse. Desafortunadamente, aún tuve que correr 7 millas para romper el récord mundial existente de 153 millas en 24 horas. Mediante pura fuerza de voluntad, mi cuerpo comenzó a robar mi "egoísta cerebro" de energía para seguir avanzando. Este fue el compromiso que tuvieron que hacer mi cuerpo y mi cerebro para correr más lejos de lo que cualquier ser humano hubiera corrido en una cinta rodante en un solo día. Como describo en The Athlete's Way: Sweat y Biology of Bliss :

"Cuando mi cerebro se apagó después de veintitrés horas de correr sin parar, me sentí como si estuviera en Jurassic Park. Este momento atlético efímero cambió los vasos en mi cerebro y se abrió a un mundo primitivo surrealista. Recuerdo el ángulo de luz de esa mañana y la energía de un mar de gente que me anima, pero no sus personalidades individuales. Todo era solo un enorme caleidoscopio de colores. Sin embargo, todavía estaba corriendo. Perdí todo sentido del tiempo. Solo podía captar fragmentos dispersos de estímulos externos e impulsos de energía de la multitud. Ni siquiera la música penetró. Nada estaba siendo procesado por mi cerebro consciente.

Desde las 7 de la mañana, veintitrés horas después de la carrera, hasta el final, realmente no recuerdo nada. Pero corrí durante otra hora a siete millas por hora. Creo que pude seguir huyendo de tantos años de memoria muscular establecidos en las células de Purkinje de mi cerebelo. La memoria implícita innata de correr almacenada en mi cerebelo me permitió correr sin un cerebro completamente funcional. Puse un pie delante del otro de una manera puramente instintiva ".

'Hipótesis del cerebro egoísta' ayuda a explicar "parálisis por análisis" en los deportes

La famosa leyenda del tenis Arthur Ashe observó: " Hay un síndrome en los deportes llamado 'parálisis por análisis'. "Como atleta de ultra resistencia, aprendí a través de prueba y error que el pensamiento excesivo drenaba los valiosos recursos de energía necesarios para correr, andar en bicicleta y / o nadar distancias extremas, como el ya mencionado treadathon de 24 horas o ganar el triatlón Triple Ironman, que es una carrera de natación de 7.2 millas, una bicicleta de 336 millas y una carrera de 78.6 millas sin parar, que completé en 38 horas y 46 minutos.

Este modelo de cerebro dividido de The Athlete's Way ilustra una hipótesis altamente especulativa de que el cerebelo puede ser la sede del aprendizaje implícito y el cerebro podría facilitar el aprendizaje explícito.

Fuente: Foto e ilustración de Christopher Bergland (Circa 2005)

Mi difunto padre, Richard Bergland, era neurocirujano, neurocientífico y autor de The Fabric of Mind . Como un jugador de tenis y cirujano cerebral basado en la neurociencia, mi papá tuvo el presentimiento de que las células de Purkinje en el cerebelo juegan un papel central en la memoria muscular. Como un adolescente jugador de tenis, mi papá me entrenó diciendo: " Chris, piensa en martillear y forjar la memoria muscular que se mantiene en tu cerebelo con cada golpe ". En 2005, mi padre me ayudó a crear un nuevo modelo de cerebro dividido radical para The Athlete's Way: Sweat and the Biology of Bliss (St. Martin's Press), que está arraigada en su hipótesis de que el aprendizaje explícito se asienta principalmente en el cerebro y el aprendizaje implícito se asienta en el cerebelo. Por supuesto, este marco está demasiado simplificado para hacer un punto hipotético. Claramente, el hipocampo y otras regiones del cerebro también juegan un papel clave en la memoria declarativa y el aprendizaje explícito. Sin embargo, como atleta, mi entrenamiento y competencia siempre se guiaba por la hipótesis de que la "práctica, práctica, práctica" habitual facilitaba la codificación neuronal del aprendizaje implícito y la memoria muscular en mi cerebelo de una manera que minimizaba la fuga de cerebros y la "parálisis análisis "de demasiado pensamiento cerebral.

Desde la muerte de mi padre en 2007, he mantenido mi antena para cualquier investigación sobre los correlatos neurales y la mecánica cerebral del aprendizaje implícito y explícito. En esta línea, un artículo reciente de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts, "Un metaanálisis sugiere diferentes correlaciones neuronales para el aprendizaje implícito y explícito", fue publicado el 11 de octubre en la revista Neuron. Este análisis encontró   que el aprendizaje explícito (como los remeros que memorizan una lista de palabras en el estudio de Longman) tiene una firma neural distinta que oscila a una frecuencia más alta que el aprendizaje implícito.

Aunque es demasiado pronto para saber con certeza si el cerebelo es, de hecho, la sede del aprendizaje implícito, la investigación futura ayudará a responder estas preguntas. Dicho esto, los autores del estudio MIT declararon:

"Se creía que el aprendizaje era un proceso unitario. Sin embargo, el paciente HM y otros pacientes con amnesia han preservado el aprendizaje de habilidades a pesar de la incapacidad de retener y recordar nuevos hechos y episodios (Scoville y Milner, 1957, Milner et al., 1968, Cohen y Squire, 1980). Esto condujo a la noción de que existen al menos dos formas principales de aprendizaje: una, dependiente del hipocampo y episódica en el contenido (aprendizaje explícito) y, otra, no hipocampal y en gran parte inconsciente (aprendizaje implícito). . . Si bien es claro que el aprendizaje explícito e implícito involucra sistemas cerebrales distintos, las diferencias en sus mecanismos neuronales han sido menos claras ".

En una declaración, Earl K. Miller, profesor de Picower de Neurociencia en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria y el Departamento de Cerebro y Ciencias Cognitivas, y autor principal de este documento de MIT dijo: "Estas firmas neuronales distintas podrían guiar a los científicos a medida que estudiar la neurobiología subyacente de cómo ambos aprendemos habilidades motoras y trabajamos a través de tareas cognitivas complejas ".

Miller describe el aprendizaje explícito como "aprender de lo que tienes conciencia, cuando piensas en lo que estás aprendiendo y puedes articular lo que has aprendido, como memorizar un pasaje largo en un libro o aprender los pasos de un juego complejo como ajedrez. "Por otro lado, dice," el aprendizaje implícito es lo opuesto. Podría llamarlo aprendizaje de habilidades motrices o memoria muscular, el tipo de aprendizaje al que no tiene acceso consciente, como aprender a andar en bicicleta o hacer malabarismos. Al hacerlo, se hace cada vez mejor, pero no se puede expresar lo que se está aprendiendo ".

Más específicamente, Miller y sus colegas del MIT encontraron que durante las tareas de aprendizaje explícitas hubo un aumento en las ondas cerebrales alfa2-beta (oscilando a 10-30 hercios) siguiendo una elección correcta y un aumento de las ondas delta-theta (3-7 hercios) después de una elección incorrecta. Curiosamente, las ondas alpha2-beta aumentaron con el aprendizaje durante las tareas explícitas, pero disminuyeron a medida que avanzaba el aprendizaje. Miller especula que el aumento en las ondas cerebrales alfa-2-beta durante el aprendizaje explícito "podría reflejar la construcción de un modelo de la tarea. Y luego, una vez que el animal aprende la tarea, los ritmos alfa-beta disminuyen, porque el modelo ya está construido ".

Por el contrario, los ritmos delta-theta solo aumentaron con las respuestas correctas durante una tarea de aprendizaje implícita. También disminuyeron en la frecuencia de oscilación a medida que avanzaba el aprendizaje. Este patrón podría reflejar un "cableado" neural simplificado que codifica las habilidades motoras en la memoria muscular durante el aprendizaje implícito para ayudar a que todo el cerebro se vuelva más eficiente en el consumo de energía. Miller concluye: "Esto nos mostró que hay diferentes mecanismos en juego durante el aprendizaje explícito versus el aprendizaje implícito".

Aunque se necesita mucha más investigación antes de comprender completamente las firmas neuronales que rodean el aprendizaje y la memoria explícitos e implícitos, el mundo del entrenamiento deportivo y la competencia atlética inevitablemente ayudará a informar a los neurocientíficos y antropólogos evolucionistas sobre la mecánica cerebral de estos procesos. ¡Manténganse al tanto!