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L’activité intellectuelle intense consomme-t-elle plus de calories ?

dimanche 29 juillet 2012

Tous les ans à la même époque, le printemps apporte son lot d’examens, brevet des collègues, bac, partiels, etc. les cerveaux et la matière grise s’échauffent et sont mis à rude épreuve. Pendant plusieurs heures, la concentration intellectuelle est de rigueur, mobilisant toute l’énergie requise pour l’obtention du diplôme tant désiré. Certains sortiront de ces épreuves épuisés, mais pas à cause d’une activité physique intense.

L’épuisement mental temporaire est un phénomène réel et fréquent, qui est tout à fait différent de la fatigue mentale chronique associée à une privation régulière de sommeil et à certains troubles médicaux. La fatigue mentale de tous les jours est intuitivement acceptée. Assurément, la pensée complexe et une concentration intense nécessitent plus d’énergie que les traitements intellectuels routiniers. Tout comme l’exercice physique intense fatigue notre corps, l’effort intellectuel pourrait assécher le cerveau. Cependant, les dernières données scientifiques révèlent que la notion populaire de l’épuisement mental est trop simpliste. Le cerveau absorbe continuellement de grandes quantité d’énergie pour un organe de sa taille, et ce quelque soit les calculs d’intégrales que nous faisons ou que nous regardions une vidéo sur internet.

Bien que les neurones en suractivité convoquent plus de sang, d’oxygène et de glucose, toutes les augmentations locales de consommation d’énergie sont faibles comparées à la gourmande consommation de base du cerveau. Ainsi, dans la plupart des cas, de courtes périodes d’effort intellectuel supplémentaires exigent un tout petit peu plus de puissance cérébrale que d’habitude, mais pas plus. La plupart des expériences en laboratoire n’ont cependant pas soumis les sujets à plusieurs heures d’acrobaties intellectuelles stimulantes. Et quelque-chose doit expliquer ce sentiment d’épuisement mental, même si sa physiologie diffère de la fatigue physique. Le simple fait de croire que nos cerveaux ont fourni beaucoup d’efforts pourrait même suffire à nous rendre léthargiques.

Le pouvoir mental

Bien que le cerveau d’un adulte humain moyen pèse environ 1,4 kilogramme, soit seulement 2% du poids de corps total, il nécessite 20% de notre métabolisme de base au repos - la quantité d’énergie totale que nos corps dépensent dans l’une de ces journées de farniente sans activité physique. Le métabolisme de base au repos varie d’une personne à une autre, en fonction de son âge, de son sexe, de sa taille et de sa santé [1]. Si l’on suppose un métabolisme de base moyen de 1300 calories, alors le cerveau consomme 260 de ces calories seulement pour que tout fonctionne normalement. C’est 10,8 calories chaque heure, ou 0,18 calories par minute. Avec un peu de mathématiques, il est facile de convertir ce nombre en mesure de la puissance :

- Taux métabolique de base au repos : 1300 kilocalories, ou kcal, chiffre de base utilisé en nutrition,
- 1300 kcal sur 24 heures = 54,16 kcal par heure = 15,04 grammes de calories par seconde,
- 15,04 grammes de calories/seconde = 62,93 joules/seconde = environ 63 watts,
- 20% de 63 watts = 12,6 watts.

Ainsi, un adulte humain typique consomme environ 12 watts, un cinquième de la puissance exigée par une ampoule classique de 60 watts. Comparé à la plupart des autres organes, le cerveau est gourmand ; mais comparé aux produits électroniques fabriqués de main d’homme, il est incroyablement efficace. Comme par exemple par rapport à l’ordinateur IBM Watson qui avait battu des champions de Jeopardy !, avec ses 90 serveurs dont chacun pompait environ mille watts !

L’énergie voyage vers le cerveau via les vaisseaux sanguins sous forme de glucose, qui est transporté à travers la barrière cérébrale et utilisé pour produire de l’adénosine triphosphate (ATP), la "monnaie" principale de l’énergie chimique dans les cellules. Des expériences sur des animaux et des hommes ont confirmé que quand les neurones d’une région particulière du cerveau s’activent, les capillaires locaux se dilatent pour délivrer plus de sang que d’habitude, ainsi que plus d’oxygène et de glucose [2] Cette réaction mécanique rend possible les images magnétiques, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) repose sur ces propriétés magnétiques uniques du sang qui afflue vers des neurones en activité. La recherche a aussi confirmé qu’une fois que les vaisseaux sanguins dilatés ont délivré du glucose supplémentaire, les cellules cérébrales en font un festin [3].

En élargissant la logique de ces résultats, certains scientifiques ont proposé la chose suivante : si les neurones en activité exigent plus de glucose, alors des tâches intellectuelles particulièrement stimulantes devraient faire baisser les niveaux de glucose dans le sang et, de façon analogue, manger des aliments riches en sucre devrait améliorer la performance sur de telles tâches.

Bien que peu d’études aient confirmé ces prédictions, les éléments de preuve de manière générale sont contradictoires et la plupart des changements des niveaux de glucose vont de minuscule à très faible. Dans une étude de l’Université Northumbrie par exemple, des volontaires qui ont réalisé une série de tâches verbales et non verbales ont montré une chute plus grande du glucose sanguin que ceux qui ne faisaient que d’appuyer à plusieurs reprises sur une touche.

Dans la même étude [4] une boisson sucrée a amélioré la performance dans l’une des tâches, mais pas dans les autres. À l’Université John Moores de Liverpool, des volontaires ont réalisé deux versions de la tâche Stroop [5] dans laquelle ils devaient identifier la couleur de l’encre dans laquelle un mot était imprimé, plutôt que de lire le mot lui-même (voir un exemple en bas de page ici) : dans une version, les mots et les couleurs correspondaient - BLEU apparaissait en encre bleue, dans l’autre version, le mot BLEU apparaissait en vert ou en rouge. Les volontaires qui ont réalisé la tâche la plus stimulante intellectuellement ont affiché de plus grandes baisses de glucose dans le sang, ce que les chercheurs ont interprété comme une cause directe d’un effort mental plus important. Le fait de compliquer la situation est important, certaines études ont trouvé que quand les gens ne sont pas très doués dans une tâche particulière, ils exercent un effort mental plus grand et utilisent plus de glucose, tandis qu’au moins une étude suggère le contraire [6], c’est-à-dire que plus vous êtes habile dans une tâche, plus votre cerveau est efficace et moins vous avez besoin de glucose.

Pas si simples les sucres

Des résultats non satisfaisants et contradictoires d’études sur le glucose mettent en relief le fait que la consommation d’énergie dans le cerveau n’est pas qu’une simple affaire d’effort mental plus important qui pomperait plus de l’énergie disponible dans le corps. Claude Messier de l’Université d’Ottawa a passé en revue de telles études [7]. Il n’est toujours pas convaincu que toute tâche cognitive change de façon mesurable les niveaux de glucose dans le cerveau ou le sang. "En théorie, oui, une tâche plus difficile exige plus d’énergie parce qu’il y a plus d’activité neurale" dit-il, " mais quand les gens font une tâche mentale, vous ne verrez pas de grande augmentation de la consommation de glucose sous la forme de pourcentage élevé du taux général.

Le niveau de base est toujours beaucoup d’énergie, même pendant un sommeil sans rêve avec très peu d’activité, il y a toujours une consommation minimum élevée de glucose. La plupart des organes n’exige pas tant d’énergie pour leur entretien basique. Mais le cerveau doit activement maintenir des concentrations appropriées de particules chargées de part et d’autres des membranes de milliards de neurones, même quand ces cellules ne sont pas en activité. À cause de cette maintenance coûteuse et continue, le cerveau a habituellement l’énergie dont il a besoin pour un petit travail supplémentaire.

Références :

[1] Resting metabolic rate is lower in women than in men. P. J. Arciero, M. I. Goran, E. T. Poehlman, Journal of Applied Physiology, 1993 vol. 75 no. 6 2514-2520.

[2] Cerebral metabolic effects of a verbal fluency test : a PET scan study. J Clin Exp Neuropsychol. 1988 Oct ;10(5):565-75.

[3] Human brain glucose metabolism may evolve during activation : Findings from a modified FDG PET paradigm. NeuroImage, Volume 33, Issue 4, Dec 2006, pp 1036–1041.

[4] Cognitive demand and blood glucose. Physiol Behav. 2001 Jul ;73(4):585-92.

[5] A metabolic measure of mental effort. Biol Psychol. 2004 Apr ;66(2):177-90.

[6] Evaluation of a "mental effort" hypothesis for correlations between cortical metabolism and intelligence. Intelligence, Volume 21, Issue 3, Nov–Dec 1995, pp 267–278.

[7] Glucose improvement of memory : a review. European Journal of Pharmacology, Volume 490, Issues 1–3, 19 Avril 2004, pp 33–57.


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