Когнитивная усталость ассоциирована с накоплением глутамата в префронтальной коре

Французские ученые проанализировали с помощью магнитно-резонансной спектроскопии состояние префронтальной коры у двух групп испытуемых: одна шесть часов подряд выполняла сложные задания, другая — легкие. В первой группе обнаружили повышение уровня глутамата, которое коррелировало с когнитивной усталостью.

Credit:
123rf.com

При длительной умственной деятельности человек чувствует утомление, невозможность продолжать работать, даже если он не устал физически. Профессиональные шахматисты после 4–5 часов игры делают ошибки, которых они никогда бы не допустили в начале партии. Исследователи из больницы Питье-Сальпетриер и Сорбонны (Франция) выдвинули и проверили гипотезу, объясняющую, почему развивается когнитивная усталость.

Они предположили, что причиной является увеличение затрат на когнитивный контроль в результате метаболических изменений, происходящих в мозге при длительной работе. Когнитивный, или исполнительный контроль — это способность, необходимая для решения нестандартных задач, когда не подходят готовые алгоритмы. Были предложены различные гипотезы, объясняющие, почему эта способность ослабевает, — например, падение содержания глюкозы в крови, но убедительных доказательств получить не удалось.

Чтобы не путать когнитивную усталость со скукой, в своем предыдущем исследовании ученые разработали особый протокол: сравнивали две группы, одна из которых выполняла простые задания, а другая — похожие, но намного сложнее. Те, кто делал более тяжелую умственную работу, демонстрировали более явное ослабление когнитивного контроля. Как показало исследование методом функциональной МРТ, когнитивная усталость коррелировала со снижением активности левой латеральной префронтальной коры мозга (известно, что префронтальная кора отвечает за сложное когнитивное поведение).

Теперь авторы предположили, что причина может быть или истощение запасов какого-то необходимого соединения в этой области мозга, или, наоборот, накопление токсического. В качестве таргетного вещества они выбрали глутамат, так как его выделение в больших количествах бывает как причиной снижения активности самих нейронов (нехватка внутри клетки), так и причиной нарушенной синаптической передачи (избыток вне клетки). В норме глутамат отвечает за возбуждение нейронов, но избыточное его количество провоцирует разрушение клеток и эпилептические припадки.

Ученые разделили 39 добровольцев на две группы. Как и в предыдущем исследовании, участникам на экране показывали то зеленые, то красные буквы, среди них нужно было различать гласные и согласные, прописные и строчные, и т.п., но при этом первая группа выполняла более трудные задания, специально разработанные так, чтобы вызывать утомление, а вторая — легкие. Эксперимент продолжался шесть часов с двумя 10-минутными перерывами и простым перекусом (бутерброд и фрукты).

Степень когнитивной усталости измеряли, предлагая участникам выбор между немедленными или отложенными вознаграждениями. Например, предлагалось выбрать между меньшей суммой денег, которую предоставят сразу же, или большей суммой, но позднее. Склонность к импульсивным решениям (выбору меньшей суммы денег) расценивалась как результат истощения когнитивной функции мозга. Также о когнитивной усталости свидетельствовало более слабое расширение зрачка во время выбора.

Параллельно ученые исследовали уровни глутамата в префронтальной коре испытуемых, а также диффузию производных глутамата с помощью 1Н-магнитно-резонансной спектроскопии — неинвазивного метода, который количественно определяет метаболиты в нервных тканях.

Испытуемые из первой группы, выполнявшие сложные задания, к концу дня примерно на 10% чаще принимали более импульсивные решения, зрачок у них расширялся меньше. Во второй группе признаки когнитивного истощения были выражены значительно слабее. В префронтальной коре испытуемых из первой группы были обнаружены высокие уровни глутамата — примерно на 8% выше, чем у участников из второй группы, и выше, чем в другой зоне мозга (первичной зрительной коре), а также более высокие уровни диффузии соединений глутамат/глутамин.

Интересно, что когда участников просили оценить собственный уровень голода или стресса во время работы, эти оценки не отражали нагрузки на когнитивной контроль.

Таким образом, обозначена взаимосвязь между избыточным накоплением глутамата в префронтальной коре и повышением когнитивной усталости. Однако это чисто корреляционный результат, отмечают авторы: погрешности метода МРС и недостаточное понимание механизмов когнитивной истощенности пока не позволяют делать практические выводы, например, о том, что предотвращение накопление глутамата повысит умственную работоспособность. Необходимы дальнейшие исследования в этом направлении. Можно предположить, что измерение уровней глутамата в префронтальной коре позволит выявлять тяжелые формы усталости и отслеживать восстановление после таких болезней, как депрессия и даже рак.

Источник

Wiehler A. et al. A neuro-metabolic account of why daylong cognitive work alters the control of economic decisions. // Current Biology. Published on August 11, 2022. DOI:  10.1016/j.cub.2022.07.010

Добавить в избранное