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脳と心理ホント

体重の2%なのに、体のエネルギーの20%を使う。脳はとんでもない大食い臓器だった

体重の2%なのに、体のエネルギーの20%を使う。脳はとんでもない大食い臓器だった

読む前に予想してみよう!

難しい問題を必死に考えると、脳のエネルギー消費は2倍近くに跳ね上がる

研究カード(どんな研究?)
対象
ヒト(成人・子ども)
規模
生理学の測定データ+既存PET・MRIデータの再解析
研究の種類
生理学的推定・レビュー
確かさ
★★★★☆
3秒でわかる

脳の重さは体重の約2%なのに、安静時に体が使うエネルギーの約20%を消費。子どもの脳はさらに大食いになる時期がある。

ひとことで言うと脳は小さいのに、体のエネルギーの5分の1を食べちゃう!

もくじ
  1. 電球1個ぶんの電力で、ずっと動きっぱなし
  2. エネルギーの多くは、神経の電気信号のやりとりに使われる
  3. 子どもの脳は、もっと大食いだった
  4. じゃあ頭が疲れるのはなぜ?
  5. まとめ

大人の脳の重さはだいたい1.2〜1.4kg。体重60〜70kgの人なら、体のわずか2%ほどです。

ところがこの小さな臓器、じっと座っているだけのときでも、体全体が使うエネルギーの約20%を一人で消費しています。体重の50分の1しかないのに、エネルギーは5分の1を使う計算です。

なぜ脳はこんなに大食いなのか。そして「頭を使えば痩せる」は本当なのか。のぞいてみましょう。

01電球1個ぶんの電力で、ずっと動きっぱなし

大人の安静時の代謝をワット数に直すと、脳が使うのはだいたい20ワット前後。昔の暗めの電球1個ぶんくらいです。

「なんだ、たいしたことない」と思いました? でも重さあたりで比べると、脳は安静時の筋肉の何倍ものエネルギーを使います。しかも寝ている間も止まりません。

02エネルギーの多くは、神経の電気信号のやりとりに使われる

脳のエネルギーの使い道で大きいのが、神経細胞が電気信号を送ることと、その後片付けです。

神経細胞は、細胞の内と外でナトリウムやカリウムのイオンの濃さに差をつけて、電気信号を送ります。信号を送るたびに、この差は崩れます。それをポンプがせっせと元に戻していて、このポンプを動かすのに大量のエネルギー(ATP)が必要なのです。英国の研究者アットウェルとラフリンは、ネズミの仲間(げっ歯類)の脳で、神経細胞が集まる部分(灰白質)を調べました(2001年)。信号に関わるエネルギーが何に使われるかを計算したのです。すると、神経の電気信号が約半分、シナプス(神経細胞どうしのつなぎ目)での情報の受け渡しが約3分の1を占めると見積もられました。信号を送らずに待っているだけの分は、1割強でした。

脳の中では、休んでいるように見えるときも、神経細胞どうしがたえず信号をやりとりしています。そのたびにポンプが後片付けをするので、エネルギーを使い続けるのです。

信号のたびに崩れるイオンの差を、神経細胞はポンプで休みなく元に戻している
信号のたびに崩れるイオンの差を、神経細胞はポンプで休みなく元に戻している

03子どもの脳は、もっと大食いだった

子どもの脳には、さらに大食いになる時期があります。

米ノースウェスタン大のクザワらが、過去に集められた脳のPET(ブドウ糖の使用量を測る検査)とMRIのデータを組み合わせて計算しました(PNAS, 2014)。すると、脳のブドウ糖消費がいちばん多くなるのは、生まれたときではなく幼児期(5歳前後)でした。このころの脳は、体が安静時に使うエネルギーの約3分の2(約66%)にあたる量を使っていると推定されました。

しかも、脳の消費が多い時期ほど、体重の増え方がゆっくりになっていました。「脳を育てるために、体の成長を後回しにしているのでは」という仮説を支える結果です。ただし、これは別々に集められたデータを組み合わせた推定で、同じ子どもたちを追跡して測ったわけではありません。

04じゃあ頭が疲れるのはなぜ?

エネルギーがそれほど増えないなら、なぜ集中すると「頭が疲れた」と感じるのでしょう。

ここはまだ研究中のテーマです。フランス・パリ脳研究所のチームは、頭を使う課題を1日(約6時間)続けてもらう実験をしました(Current Biology, 2022)。難しい課題のグループでは、簡単な課題のグループに比べて、判断や制御に関わる前頭前野の外側部分にグルタミン酸が多くたまっていました。グルタミン酸は、神経の信号を伝える物質の一つです。こうした物質の蓄積が「もうやめたい」という感覚につながる、という説です。一方で、別の説もあります。「この作業を続ける価値があるか」を脳が見積もり直すことで、疲れた感じが生まれるという説です。決着はまだついていません。

05まとめ

脳は、何もしていないように見える時でさえ、大量のエネルギーを使い続ける臓器でした。でもその燃費の悪さこそが、いつでも考え、感じ、反応できることの代わりに払っているコストなのかもしれません。

今この記事を読んでいる間も、あなたの脳は電球1個ぶんの電力で動き続けています。

この研究を英語で読もう原田英語の English CornerThe adult brain weighs only about 1.2 to 1.4 kilograms, about 2 percent of body weight. 音声 4択クイズ9問A2・B1・B2タップして開く

原田英語の English Corner

この研究を英語で読もう

The adult brain weighs only about 1.2 to 1.4 kilograms, about 2 percent of body weight. But it uses around 20 percent of the body's energy at rest. That is roughly 20 watts, similar to a dim light bulb. Where does all this energy go?

Much of it is used for the electrical signals that nerve cells keep sending, even at rest. After each signal, tiny pumps in the cell membranes move ions back into place, and this constant work needs a lot of energy.

Because the brain is always this busy, concentrating hard on a problem adds only a little extra. Children's brains are even hungrier. One study estimated that at around age five, the brain uses about two-thirds of the body's resting energy.

125 words ・ CEFR B1

和訳を見る

大人の脳の重さは約1.2〜1.4キログラムで、体重の約2パーセントにすぎません。しかし、安静時の体のエネルギーの約20パーセントを使います。これはおよそ20ワットで、薄暗い電球1個ぶんに近いものです。このエネルギーはすべてどこに行くのでしょうか。

その多くは、休んでいるときでも神経細胞が送り続けている電気信号に使われます。信号のたびに、細胞膜にある小さなポンプがイオンを元の位置へ戻しており、この絶え間ない作業に多くのエネルギーが必要なのです。

脳はいつもこれほど忙しいので、問題に必死に集中しても、上乗せはほんの少しです。子どもの脳はさらに大食いです。ある研究は、5歳前後では脳が安静時の体のエネルギーの約3分の2を使うと推定しました。

4択リーディングクイズ

Q1. What is the main idea of the passage?

Q2. What is much of the brain's energy used for?

Q3. Why does concentrating hard add only a little extra energy?

重要単語

  • metabolismC1
    名詞代謝Exercise can change your metabolism. ギリシャ語で「変化」。形容詞 metabolic。日本語の「メタボ」は metabolic syndrome の略。
  • glucoseC1
    名詞ブドウ糖The brain mainly runs on glucose. 発音は /ˈɡluːkoʊs/。blood glucose(血糖)は健康系長文の頻出語。
  • consumeB2
    動詞消費するLarge animals consume a lot of food every day. 名詞 consumption、consumer(消費者)。time-consuming「時間のかかる」も頻出。
  • resting metabolic rateC1
    名詞(句)安静時代謝率Your resting metabolic rate is the energy you use while sitting still. rest(休む)+metabolic(代謝の)+rate(割合)。基礎代謝(basal metabolic rate)と近い概念。
  • trade-offC1
    名詞一方を得ると他方を失う関係There may be a trade-off between brain growth and body growth. 経済・生物・環境の長文で頻出。a trade-off between A and B の形で使う。
  • neuronB2
    名詞神経細胞、ニューロンNeurons send electrical signals to each other. neuro- は「神経の」。neuroscience(神経科学)、neural(神経の)とセットで覚える。

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4コマでわかる

体重の2%なのに、体のエネルギーの20%を使う。脳はとんでもない大食い臓器だったの4コマ漫画
脳って体重の2%くらいしかないのに、じっとしている時のエネルギーの約20%を使ってるらしい。しかも子どもの頃はもっと大食い。脳ってかなり燃費が悪いのか。

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出典・参考文献(4件)タップで表示
  1. Raichle & Gusnard (2002) Appraising the brain's energy budget, PNASdoi.org
  2. Attwell & Laughlin (2001) An energy budget for signaling in the grey matter of the brain, Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolismdoi.org
  3. Kuzawa et al. (2014) Metabolic costs and evolutionary implications of human brain development, PNASdoi.org
  4. Wiehler et al. (2022) A neuro-metabolic account of why daylong cognitive work alters the control of economic decisions, Current Biologydoi.org