Giống như tất cả các bộ phận khác, não của bạn cần năng lượng để hoạt động. Nhưng không giống bất kỳ bộ phận nào khác, nó là "kẻ tiêu thụ" năng lượng lớn nhất. Dù chỉ chiếm khoảng 2% trọng lượng cơ thể, bộ não của một người trưởng thành ở trạng thái nghỉ ngơi lại tiêu thụ tới 20% tổng năng lượng.
Vậy tại sao bộ não lại "đòi hỏi" nhiều năng lượng đến vậy? Năng lượng đó được sử dụng vào việc gì và nhu cầu đó đã định hình sự tiến hóa của chúng ta ra sao? Dựa trên những giải thích của Simon Laughlin, giáo sư khoa động vật học tại Đại học Cambridge, chúng ta sẽ khám phá cỗ máy phức tạp và "ngốn" năng lượng nhất này.
Năng lượng của não bộ đi về đâu?
Chức năng chính của não – xử lý và truyền thông tin qua các tín hiệu điện – là một quá trình cực kỳ tốn kém. Việc phân bổ năng lượng trong não được ước tính như sau:
25% năng lượng: Dành cho việc "bảo trì tế bào". Đây là các hoạt động cơ bản mà mọi tế bào (bao gồm tế bào thần kinh và tế bào thần kinh đệm) phải thực hiện để duy trì sự sống.
75% năng lượng còn lại: Được sử dụng cho hoạt động truyền tín hiệu. Đây là phần chi phí lớn nhất, tập trung vào việc gửi và xử lý các tín hiệu điện qua các mạch thần kinh phức tạp.
Phần lớn năng lượng này được tiêu thụ tại khớp thần kinh (synapse) – những khoảng trống siêu nhỏ giữa các tế bào não, nơi tín hiệu được truyền đi. Tại đây, các tế bào liên tục hoạt động như những chiếc máy bơm tí hon, trao đổi các ion natri và kali để tạo ra điện tích. Hoạt động bơm ion này là nền tảng cho mọi hoạt động của não bộ, và nó cực kỳ tốn năng lượng.
Năng lượng được phân bổ như thế nào trong não?
Không phải tất cả các vùng và chức năng của não đều có nhu cầu năng lượng như nhau.
Chất xám vs. Chất trắng
Bộ não có hai loại mô chính. Chất xám, nơi chứa các thân tế bào thần kinh và các khớp thần kinh, là trung tâm xử lý thông tin và đòi hỏi nhiều năng lượng hơn. Ngược lại, chất trắng, được tạo thành từ các sợi trục thần kinh, lại tiết kiệm năng lượng hơn đáng kể. Lý do là các sợi trục này được bao bọc bởi một lớp vỏ cách điện gọi là myelin. Lớp vỏ béo này ngăn rò rỉ điện, giúp tín hiệu truyền đi hiệu quả hơn. Nhờ đó, chất trắng chỉ sử dụng khoảng 20-25% năng lượng so với chất xám.
Các chức năng khác nhau
Một số chức năng đòi hỏi năng lượng cao hơn những chức năng khác. Ví dụ, các vùng não xử lý thính giác rất tốn năng lượng. Điều này là do thính giác đòi hỏi tín hiệu phải được xử lý cực kỳ nhanh và chính xác để nhận biết các mối nguy hiểm. Trong khi đó, các quá trình tương đối chậm hơn như khứu giác hoặc ghi nhớ lại không có nhu cầu năng lượng cao bằng.
"Nghĩ nát óc" có thực sự tốn nhiều năng lượng hơn không?
Đây là một điểm gây nhiều hiểu lầm. Điều quan trọng cần nhớ là: Bộ não của bạn không bao giờ tắt. Ngay cả khi bạn ngủ, các tế bào thần kinh vẫn liên tục giao tiếp và tiêu thụ một lượng năng lượng khổng lồ, gần như tương đương với khi bạn thức. Mức năng lượng nền này luôn được duy trì ở mức rất cao.
Khi bạn thực hiện một nhiệm vụ phức tạp, như giải một bài toán khó, vùng não chịu trách nhiệm cho nhiệm vụ đó sẽ hoạt động mạnh hơn. Trên máy quét fMRI, vùng này sẽ sáng lên, cho thấy sự gia tăng lưu lượng máu và tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, mức tăng này thực chất rất nhỏ, chỉ khoảng 5-8% so với mức năng lượng nền khổng lồ mà nó vốn đã sử dụng.
Điều này hoàn toàn trái ngược với cơ bắp. Khi bạn đi bộ, cơ chân có thể tiêu thụ năng lượng gấp 3-4 lần so với khi bạn ngồi. Nhưng bộ não thì khác, nó luôn hoạt động ở cường độ cao, dù bạn đang tập trung cao độ hay chỉ đang mơ màng.
Sự thật về huyền thoại "10% bộ não"
Chính nhu cầu năng lượng khổng lồ này đã đập tan huyền thoại cho rằng chúng ta chỉ sử dụng 10% bộ não. Trên thực tế, để tiết kiệm năng lượng, não bộ chỉ kích hoạt một phần nhỏ các tế bào thần kinh tại một thời điểm. Nếu bằng cách nào đó bạn kích hoạt đồng thời tất cả các tế bào thần kinh, nhu cầu oxy và năng lượng của não sẽ tăng vọt đến mức không thể đáp ứng, giống như cơ chân của bạn khi chạy nước rút hết tốc lực.
Sự đánh đổi của Tiến hóa
Một đặc điểm đáng chú ý của bộ não là nó không có khả năng dự trữ năng lượng. Không giống như cơ bắp có thể tích trữ carbohydrate, não bộ đòi hỏi một nguồn cung cấp oxy và năng lượng liên tục và không bị gián đoạn. Đây là lý do tại sao đột quỵ hoặc chấn thương đầu lại nguy hiểm đến vậy; các tế bào thần kinh sẽ ngừng hoạt động rất nhanh khi thiếu máu.
Đây có vẻ là một điểm yếu, nhưng nó lại là một sự đánh đổi thông minh của quá trình tiến hóa. Nếu não chứa các tế bào dự trữ năng lượng, chúng sẽ chiếm không gian, làm tăng khoảng cách giữa các tế bào thần kinh. Điều này sẽ khiến các tín hiệu điện phải di chuyển xa hơn, chậm hơn và tốn nhiều năng lượng hơn.
Qua hàng triệu năm, quá trình tiến hóa đã hy sinh khả năng dự phòng năng lượng để đổi lấy một thiết kế nhỏ gọn, hiệu quả và tốc độ xử lý vượt trội. Sự đánh đổi này khiến chúng ta dễ bị tổn thương, nhưng đồng thời cũng cho phép chúng ta sở hữu một hệ thống mạch thần kinh phức tạp và mạnh mẽ, nền tảng của ý thức và trí tuệ con người.
Thế Anh Nguyễn
