Combien d’énergie faut-il pour réfléchir ?
Des études sur le métabolisme neuronal révèlent les efforts de notre cerveau pour nous maintenir en vie et les contraintes évolutives qui ont sculpté notre organe le plus complexe.
Vous venez de rentrer d'une journée épuisante. Vous n'avez qu'une envie : vous détendre et vous déconnecter en regardant la télévision. Même si cette inactivité peut ressembler à un repos bien mérité, votre cerveau ne se contente pas de se détendre. En réalité, selon une étude récente, il consomme presque autant d'énergie que pendant votre activité stressante.
Sharna Jamadar, neuroscientifique à l'Université Monash en Australie, et ses collègues ont examiné les résultats de recherches de leur laboratoire et d'autres dans le monde pour estimer le coût métabolique de la cognition— c'est-à-dire la quantité d'énergie nécessaire au fonctionnement du cerveau humain. Étonnamment, ils en concluent que les tâches exigeant un effort et visant un objectif ne consomment que 5 % d'énergie de plus que l'activité cérébrale au repos. Autrement dit, nous sollicitons notre cerveau un tout petit peu plus lors d'une activité cognitive ciblée que lorsque le moteur tourne au ralenti.
On a souvent l'impression que notre énergie mentale est dépensée par une attention et une concentration intenses. Mais ces nouvelles recherches s'appuient sur une compréhension croissante selon laquelle la majeure partie des fonctions cérébrales est consacrée à leur entretien. Si de nombreux neuroscientifiques se sont traditionnellement concentrés sur la cognition active et externe, comme l'attention, la résolution de problèmes, la mémoire de travail et la prise de décision, il apparaît de plus en plus évident que, sous la surface, notre traitement de l'information en arrière-plan est une véritable fourmilière. Notre cerveau régule les principaux systèmes physiologiques du corps, allouant les ressources là où elles sont nécessaires, tandis que nous réagissons consciemment et inconsciemment aux exigences de notre environnement en constante évolution.
" Il y a ce sentiment que le cerveau est fait pour penser ", a déclaré Jordan Theriault, neuroscientifique à l'Université Northeastern, qui n'a pas participé à la nouvelle analyse. " Sur le plan métabolique, [le cerveau] se consacre principalement à la gestion du corps, à la régulation et à la coordination entre les organes, à la gestion du coûteux système auquel il est rattaché et à la navigation dans un environnement externe complexe. "
Le cerveau n'est pas une simple machine cognitive, mais un objet façonné par l'évolution – et donc contraint par le budget énergétique serré d'un système biologique. Penser peut donc vous fatiguer, non pas parce qu'on manque d'énergie, mais parce que nous avons évolué pour préserver vos ressources. Cette étude du métabolisme neuronal, associée aux recherches sur la dynamique des décharges électriques cérébrales, met en évidence les forces évolutives concurrentes qui expliquent les limites, la portée et l'efficacité de nos capacités cognitives.
Le coût d'un moteur prédictif
Le fonctionnement du cerveau humain est extrêmement coûteux. Avec environ 2 % du poids corporel, cet organe consomme 20 % des ressources énergétiques de notre corps. " C'est un métabolisme extrêmement exigeant ", explique Jamadar. Chez les nourrissons, ce chiffre est plus proche de 50 %.
L'énergie du cerveau provient de la molécule d'adénosine triphosphate (ATP), que les cellules fabriquent à partir de glucose et d'oxygène. Une immense étendue de capillaires fins – environ 640 kilomètres de câblage vasculaire – traverse le tissu cérébral pour transporter le sang riche en glucose et en oxygène vers les neurones et autres cellules cérébrales. Une fois synthétisée au sein des cellules, l'ATP assure la communication entre les neurones, qui activent les fonctions cérébrales. Les neurones transmettent des signaux électriques à leurs synapses, qui permettent aux cellules d'échanger des messages moléculaires ; l'intensité d'un signal détermine si elles libèrent des molécules (ou " déclenchent "). Si elles le font, ce signal moléculaire détermine si le neurone suivant transmettra le message, et ainsi de suite. Le maintien de ce que l'on appelle les potentiels membranaires – des tensions stables à travers la membrane d'un neurone qui garantissent que la cellule est prête à s'activer lorsqu'elle est sollicitée – est connu pour représenter au moins la moitié du budget énergétique total du cerveau.
La mesure directe de l'ATP dans le cerveau humain est hautement invasive. C'est pourquoi, pour son article, le laboratoire de Jamadar a examiné des études., y compris leurs propres conclusions, qui ont utilisé d'autres estimations de la consommation énergétique – la consommation de glucose, mesurée par tomographie par émission de positons (TEP), et le débit sanguin, mesuré par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) – pour suivre les différences dans la façon dont le cerveau utilise l'énergie pendant les tâches actives et au repos. Réalisées simultanément, la TEP et l'IRMf peuvent fournir des informations complémentaires sur la consommation cérébrale de glucose, a déclaré Jamadar. Il ne s'agit pas d'une mesure complète de la consommation énergétique cérébrale, car les tissus nerveux peuvent également convertir certains acides aminés.en ATP, mais la grande majorité de l'ATP du cerveau est produite par le métabolisme du glucose.
L'analyse de Jamadar a montré qu'un cerveau effectuant des tâches actives ne consomme que 5 % d'énergie de plus qu'un cerveau au repos. Lorsque nous sommes engagés dans une tâche exigeante et orientée vers un objectif, comme étudier les horaires de bus dans une nouvelle ville, la fréquence de décharge neuronale augmente dans les régions ou réseaux cérébraux concernés, en l'occurrence les zones de traitement visuel et linguistique. Cela explique ces 5 % supplémentaires ; les 95 % restants sont consacrés à la charge métabolique de base du cerveau.
(Photo : Le neuroscientifique Jordan Theriault de l’Université Northeastern croit que le cerveau est un moteur de prédiction qui planifie toujours ce qui va suivre.)
Les chercheurs ne savent pas précisément comment cette charge est répartie, mais au cours des dernières décennies, ils ont clarifié ce que le cerveau fait en arrière-plan. " Vers le milieu des années 90, nous avons commencé à réaliser, en tant que discipline, qu'il se passe en réalité tout un tas de choses lorsqu'une personne est allongée au repos et qu'elle n'est pas explicitement engagée dans une tâche ", a-t-elle déclaré. " Nous avions l'habitude de considérer l'activité continue au repos, sans lien avec la tâche en cours, comme du bruit, mais nous savons maintenant que ce bruit est porteur de nombreux signaux. "
Une grande partie de ce signal provient du réseau du mode par défaut , qui fonctionne lorsque nous sommes au repos ou que nous ne sommes pas engagés dans une activité apparente. Ce réseau est impliqué dans l'expérience mentale de la dérive entre des scénarios passés, présents et futurs : ce que vous pourriez préparer pour le dîner, un souvenir de la semaine dernière, une douleur à la hanche. De plus, sous l'iceberg de la conscience, notre cerveau suit la mosaïque de variables physiques – température corporelle, glycémie, rythme cardiaque, respiration, etc. – qui doivent rester stables, dans un état appelé homéostasie, pour nous maintenir en vie. Si l'une d'entre elles s'écarte trop, la situation peut rapidement se dégrader.
Thériault suppose que la majeure partie de la charge métabolique de base du cerveau est consacrée à la prédiction. Pour atteindre ses objectifs homéostatiques, le cerveau doit constamment anticiper l'avenir, en construisant un modèle sophistiqué de l'environnement et de la façon dont les changements pourraient affecter les systèmes biologiques de l'organisme. Thériault explique que la prédiction, plutôt que la réaction, permet au cerveau de distribuer efficacement les ressources à l'organisme.
Les contraintes évolutives du cerveau
Une augmentation de 5 % de la demande énergétique pendant une pensée active peut paraître insignifiante, mais à l'échelle du corps et du cerveau, pourtant gourmand en énergie, cela peut s'accumuler. Et quand on considère les contraintes énergétiques strictes auxquelles nos ancêtres étaient soumis, la fatigue à la fin d'une journée éprouvante prend soudain tout son sens.
" La raison pour laquelle vous êtes fatigué, tout comme vous êtes fatigué après une activité physique, n'est pas parce que vous n'avez pas les calories pour la payer ", a déclaré Zahid Padamsey, neuroscientifique à Weill Cornell Medicine-Qatar, qui n'a pas participé à la nouvelle recherche. " C'est parce que nous avons évolué pour devenir des systèmes très économes… Nous avons évolué dans des environnements pauvres en énergie, nous détestons donc dépenser de l'énergie. "
Le monde moderne, où les calories sont relativement abondantes pour beaucoup, contraste fortement avec les conditions de pénurie dans lesquelles l'Homo sapiens a évolué. Cette augmentation de 5 % du taux de combustion, sur 20 jours de concentration active et persistante, peut représenter l'équivalent d'une journée entière d'énergie cognitive. Si la nourriture est rare, cela peut faire la différence entre la vie et la mort.
" Cela peut devenir considérable au fil du temps si l'on ne limite pas le taux de combustion. Je pense donc qu'il s'agit en grande partie d'un vestige de notre héritage évolutif ", a déclaré Padamsey. En fait, le cerveau possède des systèmes intégrés pour prévenir le surmenage. " On va activer des mécanismes de fatigue qui empêchent de nouvelles combustions ", a-t-il ajouté.
Pour mieux comprendre ces contraintes énergétiques, Padamsey a résumé en 2023 les recherches sur certaines particularités de la signalisation électrique. Cela indique une tendance évolutive vers l'efficacité énergétique. On pourrait croire que plus vite on transmet l'information, mieux c'est. Mais le débit optimal de transmission du cerveau est bien inférieur à ce que l'on pourrait croire.
Théoriquement, la vitesse maximale à laquelle un neurone peut s'activer et envoyer des informations à son voisin est de 500 hertz. Cependant, si les neurones s'activaient réellement à 500 hertz, le système serait complètement saturé. Le débit d'information optimal— la vitesse la plus rapide à laquelle les neurones peuvent encore distinguer les messages de leurs voisins — est la moitié de celle-ci, soit 250 hertz.
Nos neurones, cependant, ont une fréquence de décharge moyenne de 4 hertz, soit 50 à 60 fois inférieure à la fréquence optimale pour la transmission d'informations. De plus, de nombreuses transmissions synaptiques échouent : même lorsqu'un signal électrique est envoyé à la synapse, l'amorçant à libérer des molécules vers le neurone suivant, elle ne le fait que dans 20 % des cas.
C'est parce que nous n'avons pas évolué pour maximiser la quantité totale d'informations envoyées. " Nous avons évolué pour maximiser la transmission d'informations par ATP dépensé ", explique Padamsey. " C'est une équation très différente. "En envoyant le maximum d'informations avec le moins d'énergie possible (bits par ATP), la fréquence de décharge neuronale optimale est inférieure à 10 hertz.
Au cours de l'évolution, le cerveau humain, vaste et sophistiqué, a offert un niveau de complexité comportementale sans précédent, au prix d'un coût énergétique considérable. Cette négociation, entre la flexibilité et l'innovation d'un cerveau volumineux et les contraintes énergétiques d'un système biologique, définit la dynamique de transmission de l'information par notre cerveau, la fatigue mentale ressentie après des périodes de concentration et le travail constant qu'il accomplit pour nous maintenir en vie. Qu'il accomplisse autant de choses malgré ses limites est assez étonnant.