Cikk azoknak, akik szeretnék tudni, mennyit fogyaszt az agyuk százon…
Az emberi agy tömege alig másfél kilogramm, vagyis testünk tömegének nagyjából két százalékát teszi ki, energiaigénye azonban ehhez képest meghökkentően nagy: nyugalomban is a szervezet teljes energiafelhasználásának körülbelül húsz százalékát fogyasztja el. Ez átlagosan nagyjából 20 wattos teljesítménynek felel meg, vagyis az agyunk folyamatosan körülbelül annyi energiát használ, amennyit egy kisebb LED-lámpa. A különös azonban nem ez, hanem az, hogy amikor intenzíven gondolkodunk, bonyolult matematikai problémát oldunk meg vagy koncentráltan tanulunk, az agy teljes energiafogyasztása ehhez képest csak meglepően kis mértékben változik. Felmerül tehát a kérdés: ha a gondolkodás ennyire fárasztó lehet, miért nem fogyaszt közben sokkal több energiát az agy? Cikk a Quanta Magazin irása nyomán, amely elég sok energiát szívott le belőlem… (na jó, kb 1 Wattnyit, de ez is kiderül a cikkből)
A válaszhoz először azt kell megérteni, hogy az agy számára energetikai szempontból nincs valódi „üresjárat”, bár lenne néha. Amikor csendben ülünk, becsukjuk a szemünket és látszólag semmit sem csinálunk, az idegsejtek továbbra is elektromos és kémiai jelek hatalmas hálózatát működtetik. Az agy folyamatosan feldolgozza a testből érkező információkat, szabályozza a légzést és a keringést, fenntartja a belső környezet egyensúlyát, elemzi az érzékszervekből érkező jeleket, előhív emlékeket, meglepő és váratlan előrejelzéseket készít, valamint egymással kommunikáló idegi hálózatokat tart működésben.
Még a látszólagos semmittevéshez is komoly idegi aktivitás társul. Az úgynevezett default mode network, vagyis alapértelmezett működési hálózat különösen aktív akkor, amikor figyelmünk nem egy konkrét külső feladatra irányul. Ilyenkor gondolataink elkalandoznak, múltbeli eseményeket idézünk fel, jövőbeli helyzeteket képzelünk el, vagy saját magunkkal és más emberekkel kapcsolatos információkat dolgozunk fel.
Az agy tehát nem úgy működik, mint egy számítógép, amelynek processzora terhelés nélkül jelentősen visszaveheti az energiafogyasztását. Alapállapotban is közel teljes energetikai infrastruktúráját fenn kell tartania.
Ennek egyik legnagyobb költsége maguknak az idegsejteknek az életben tartása. A neuronok sejthártyájának két oldalán eltérő koncentrációban találhatók elektromosan töltött ionok, elsősorban nátrium- és káliumionok. Ez a koncentrációkülönbség hozza létre azt az elektromos feszültséget, amely nélkül az idegsejtek nem tudnának jeleket továbbítani. A probléma az, hogy az ionok folyamatosan igyekeznek kiegyenlíteni ezt a különbséget, ezért a sejteknek állandóan vissza kell pumpálniuk őket a megfelelő oldalra.
Ehhez ATP-re, vagyis adenozin-trifoszfátra van szükség. Az ATP a sejtek közvetlenül felhasználható energiahordozója, amelyet az agy elsősorban a vér által szállított glükózból és oxigénből állít elő. A nátrium-kálium pumpák működtetése önmagában az agy energiafelhasználásának jelentős részét igényli.
Az idegsejt tehát már akkor is energiát fogyaszt, amikor éppen nem küld üzenetet. Olyan, mintha egy hatalmas kommunikációs hálózatban minden vezetéknek folyamatosan megfelelő elektromos állapotban kellene maradnia azért, hogy szükség esetén azonnal továbbíthassa a jelet. Amikor egy neuron aktiválódik, rövid időre megváltozik membránjának elektromos feszültsége, és létrejön az úgynevezett akciós potenciál. Ez végighalad az idegsejt hosszú nyúlványán, az axonon, majd eléri a szinapszisokat, ahol kémiai hírvivő molekulák, neurotranszmitterek segítségével továbbíthatja az információt a következő sejthez. Mindez energiába kerül. Az ionegyensúlyt helyre kell állítani, neurotranszmittereket kell előállítani és újrahasznosítani, valamint működtetni kell a szinapszisok molekuláris gépezetét.
Mégsem az történt az evolúció során, hogy az agy idegsejtjei egyszerűen a lehető leggyorsabban kezdtek kommunikálni.
Egy neuron elméletileg másodpercenként több száz elektromos impulzust is létrehozhatna, az emberi agyban azonban az átlagos tüzelési frekvencia ennek csak töredéke, nagyságrendileg néhány impulzus másodpercenként. A szinaptikus kommunikáció sem tökéletesen megbízható: számos szinapszisnál egy beérkező elektromos impulzus nem feltétlenül eredményezi neurotranszmitter felszabadulását. Mérnöki szemmel ez hibának látszhat. Miért építene a természet egy olyan kommunikációs rendszert, amely lassabb lehetne, és amelyben egyes jelek továbbítása sem garantált?
Az egyik lehetséges válasz az energia. Az agy evolúciója során ugyanis nem feltétlenül a másodpercenként továbbított információ maximális mennyisége jelentette az optimális megoldást. Sokkal fontosabb lehetett, hogy egy adott mennyiségű energiából mennyi hasznos információt lehet feldolgozni és továbbítani. A ritkább idegi aktivitás és a részben valószínűségi szinaptikus kommunikáció jelentős energiamegtakarítást eredményezhet.
Az agy ebből a szempontból rendkívül takarékos információfeldolgozó rendszer. Ez azért különösen fontos, mert az idegszövet energiaellátása komoly biológiai korlátokba ütközik. Az agynak folyamatosan oxigénre és tápanyagokra van szüksége, amelyeket a vérkeringés szállít hozzá. Ha minden neuron folyamatosan maximális sebességgel tüzelne, az energiaigény, a hőtermelés és a szükséges vérellátás drámaian megnövekedne. Egy ilyen agy valószínűleg biológiailag fenntarthatatlan lenne.
Ez magyarázza a gondolkodás egyik legfurcsább energetikai tulajdonságát is. Amikor egy nehéz problémán dolgozunk, az agy bizonyos területeinek aktivitása valóban fokozódik, más területeké azonban csökkenhet. Az agy részben átcsoportosítja meglévő erőforrásait, ahelyett hogy teljes energiafelhasználását nagymértékben növelné. A mérések szerint az intenzív szellemi munka ezért általában csak néhány százalékkal növeli meg az agy teljes energiafogyasztását; egyes becslések szerint a különbség körülbelül 5 százalék lehet.
Ha egy körülbelül 20 wattot fogyasztó aggyal számolunk, öt százalék mindössze nagyjából 1 wattnyi többletteljesítményt jelent.
Ez egy érdekes következményhez vezet. Egy órányi rendkívül intenzív gondolkodás során ez az 1 wattos többlet mindössze 3600 joule energiának felel meg, ami körülbelül 0,86 kilokalória. A pontos érték természetesen személytől, feladattól és mérési módszertől függ, de a nagyságrend jól érzékelteti a lényeget: egy hosszú matematikai feladatsor megoldása energetikailag nem hasonlítható egy hosszú futáshoz. Mégis mindannyian ismerjük a mentális kimerültség érzését. Ennek oka valószínűleg nem egyszerűen az, hogy az agyból „elfogyott az energia”. A mentális fáradtság összetettebb idegrendszeri jelenség, amelyben szerepet játszik a figyelem szabályozása, a neurotranszmitterek működése, a motiváció, az alváshiány, a stressz és az agyi hálózatok aktivitásának átrendeződése. Szubjektíven tehát rendkívül fáradtnak érezhetjük magunkat úgy is, hogy az agy teljes energiafogyasztása közben alig változott.
Az emberi agy energiaigényének másik különlegessége az életkorral válik láthatóvá. Felnőttkorban az agy a szervezet energiájának körülbelül ötödét használja fel, kisgyermekeknél azonban az arány ennél sokkal nagyobb lehet. A fejlődő agy hatalmas mennyiségű energiát fordít új idegi kapcsolatok kialakítására, átalakítására és működtetésére, ezért bizonyos életkorokban a szervezet teljes energiafelhasználásának közel fele is az agyhoz kapcsolódhat.
Mindez új megvilágításba helyezi azt a kérdést is, hogy mennyi energiába kerül egyetlen gondolat. Erre valójában nem lehet egyszerű joule-ban megadott választ adni, mert nincs olyan jól elkülöníthető fizikai esemény, amelyet egyetlen „gondolatként” azonosíthatnánk. Egy gondolat idegsejtek millióinak aktivitásából, szinapszisok hatalmas hálózatának működéséből és számos agyterület összehangolt kommunikációjából születik, miközben ugyanaz a hálózat már a gondolat megjelenése előtt is energiát fogyasztott, és utána is tovább működik.
Az igazán érdekes kérdés ezért nem az, hogy hány joule-ba kerül egy gondolat, hanem az, hogy hogyan képes az agy ennyire összetett információfeldolgozásra mindössze nagyjából 20 wattból (!!!).
A mai mesterséges intelligencia korában ez különösen izgalmas összehasonlítás. Egy nagy számítási rendszer, a mai adatbankok működtetéséhez szerverek, gyorsítók, memória, hálózati eszközök és hűtőrendszerek szükségesek, amelyek energiaigénye össze sem mérhető egyetlen emberi agy néhány tíz wattos fogyasztásával. A közvetlen összevetés persze félrevezető lehet, mert az agy és egy digitális számítógép egészen más módon dolgozza fel az információt, mégis jól mutatja, milyen szélsőséges energetikai korlátok között fejlődött ki a biológiai intelligencia.
Az evolúció több százmillió év alatt olyan idegrendszert alakított ki, amelyben az információ továbbításának sebessége, pontossága és energiaigénye állandó kompromisszumban áll egymással. Az emberi agy nem a lehető leggyorsabb számítógép, és egyes elemei mérnöki szemmel meglepően lassúak, zajosak és megbízhatatlanok. Éppen ezek a tulajdonságok járulhatnak hozzá ahhoz, hogy energetikailag rendkívül hatékony legyen. Így amikor órákig gondolkodunk egy problémán, és a végén úgy érezzük, hogy teljesen elfáradt az agyunk, valójában nem egy hirtelen óriási energiafogyasztás következményeit érezzük. A nagy energetikai költséget már eleve fizetjük minden másodpercben, amíg ébren vagyunk – sőt nagyrészt akkor is, amikor alszunk. A gondolkodás ehhez képest csak viszonylag kis többletterhelést jelent.
Az emberi gondolkodás egyik legfigyelemreméltóbb fizikai tulajdonsága ezért éppen az, hogy ilyen kevés többletenergiából ennyire sok minden történhet az agyban és az idegrendszerben.
