من الواضح أن الأفيال الهندية لديها أدمغة أكبر منا. تتمتع الفئران بنسبة أعلى من كتلة الدماغ إلى الجسم، كما أن الحيتان الطيار ذات الزعانف الطويلة لديها عدد أكبر من الخلايا العصبية. إذًا ما الذي يجعل البشر - وبشكل أكثر تحديدًا الدماغ البشري - مختلفين؟
وفيما يتعلق بالأعضاء، فإن الطاقة التي يستهلكها الدماغ البشري هائلة بلا شك، إذ يتم استهلاك ما يقرب من 50 جرامًا من السكر، أو 12 قطعة سكر يوميًا. هذا لديه واحد من أعلى متطلبات الطاقة بالنسبة لعملية التمثيل الغذائي في الجسم من أي نوع معروف. لكن ما الذي يستهلك هذه الطاقة؟ إذا كان حجم وعدد الخلايا العصبية في الدماغ البشري يتطابق مع توقعات الرئيسيات، وكانت الطاقة المستهلكة لكل خلية عصبية مماثلة للثدييات الأخرى، فلا ينبغي أن يكون استهلاك الطاقة في الدماغ البشري فريدًا.
تكلفة الإشارة
يعتقد فريق من علماء الأعصاب أن كمية الإشارات داخل الدماغ البشري قد تكون مسؤولة عن احتياجاته المتزايدة من الطاقة. إحدى نتائج ذلك هي أن مناطق الدماغ الأكثر ارتباطًا والتي لديها المزيد من الإشارات ستستخدم المزيد من الطاقة.
ولاختبار فرضيتهم، قام العلماء أولاً بتصوير أدمغة 30 متطوعًا يتمتعون بصحة جيدة ويستخدمون اليد اليمنى، وتتراوح أعمارهم بين 20 إلى 50 عامًا. تم إجراء التصوير في مؤسستين مختلفتين، واستخدم الباحثون التصوير لربط إنفاق الطاقة (المقاس باستقلاب الجلوكوز) لمناطق معينة في الدماغ مع مستويات الإشارات والاتصال الخاصة بها. ووجدوا أنه في جميع الأدمغة الثلاثين، حدث استهلاك الطاقة والإشارات في وقت واحد. لكن بعض المناطق تبرز. تتطلب مسارات الإشارات في مناطق معينة من القشرة الدماغية (الجزء الأمامي من الدماغ) طاقة أكثر بنسبة 70% تقريبًا من مسارات الإشارات في المناطق الحسية الحركية.
تعد القشرة الأمامية واحدة من أسرع المناطق توسعًا خلال تطور الإنسان. يعتقد روبرت سابولسكي: "إن الدور الأكثر أهمية لقشرة الفص الجبهي هو اتخاذ قرارات صعبة في مواجهة الإغراءات المؤجلة للإشباع، والتخطيط طويل المدى، والتحكم في الانفعالات، والتنظيم العاطفي. إن قشرة الفص الجبهي ضرورية للسماح لك بفعل الشيء الصحيح في الأشياء الأكثر صعوبة. وهذه مشكلة يجب على البشر مواجهتها باستمرار. ومن ناحية الطاقة، يتطلب هذا تكلفة ضخمة."
تعزيز التنظيم هو أيضا مفتاح الإدراك
الطاقة مطلوبة ليس فقط للإشارات، ولكن أيضًا لتنظيم الإشارات لضمان حدوث الإشارات على المستوى المناسب وفي الوقت المناسب.
استخدم الباحثون أطلس ألين للدماغ لدراسة نشاط الجينات في القشرة الأمامية. ووجدوا نشاطًا متزايدًا للمعدلات العصبية ومستقبلاتها. لاحظ المؤلفون أن "الدماغ البشري ينفق الكثير من الطاقة على التنظيم طويل المدى للناقلات العصبية (السريعة) مع المعدلات العصبية (البطيئة) مثل السيروتونين أو الدوبامين أو النورإبينفرين. وهناك أيضًا مواد أفيونية داخلية. وهذا التأثير يتعلق أكثر بتحديد نغمة الاستثارة العامة أكثر من توصيل أجزاء فردية من المعلومات."
بعد ربط استخدام الطاقة بالإشارات والتعديل العصبي البطيء في القشرة الدماغية، كان آخر شيء فعله العلماء هو التحقيق في مشروع الشبكة العصبية الذي يرسم خرائط للوظائف المعرفية لمناطق الدماغ. لقد وجد أن الأجزاء المستهلكة للطاقة والمتصلة بشكل كبير والمنظمة للغاية والمتوسعة تطوريًا في القشرة الدماغية هي تلك الأجزاء المشاركة في وظائف معقدة مثل معالجة الذاكرة والقراءة والتثبيط المعرفي. وهذا يدعم وجهة نظرهم بأن "بنية الإشارات باهظة الثمن مخصصة للإدراك البشري".
التقدم العلمي، 2023. DOI:10.1126/sciadv.adi7632