Perché il cervello consuma così tanta energia?

Se dovessimo indicare l'organo più costoso del nostro corpo in termini di consumo energetico, probabilmente penseremmo ai muscoli o al cuore. Eppure il vero protagonista è il cervello. Nonostante rappresenti appena il 2% del peso corporeo, utilizza circa il 20% dell'energia prodotta dall'organismo quando siamo a riposo. È un dato sorprendente, soprattutto se si considera che anche nei momenti in cui siamo seduti, rilassati o apparentemente senza fare nulla, il nostro cervello continua a lavorare senza sosta.

Ma perché ha bisogno di così tanta energia?

La risposta risiede nella sua straordinaria complessità. Il cervello umano è formato da circa 86 miliardi di neuroni, ognuno dei quali comunica con migliaia di altri attraverso connessioni chiamate sinapsi. Questa immensa rete di comunicazione è costantemente attiva: elabora le informazioni provenienti dall'ambiente, controlla il battito cardiaco e la respirazione, regola gli ormoni, coordina i movimenti, costruisce ricordi, genera emozioni e ci permette di pensare, parlare e prendere decisioni. Tutto questo avviene in ogni istante della nostra vita, anche mentre dormiamo.

Contrariamente a quanto si potrebbe immaginare, il cervello non consuma la maggior parte della sua energia quando siamo impegnati a risolvere un problema complesso o a studiare. La quota più elevata viene utilizzata semplicemente per mantenere i neuroni pronti a comunicare tra loro. Ogni neurone possiede infatti una differenza di carica elettrica tra l'interno e l'esterno della propria membrana, il cosiddetto potenziale di membrana. Conservare questo delicato equilibrio richiede un continuo lavoro della pompa sodio-potassio, una proteina che utilizza ATP, la principale fonte di energia cellulare, per trasportare continuamente ioni sodio e potassio. È un'attività incessante e indispensabile, senza questo meccanismo i neuroni non potrebbero trasmettere impulsi nervosi e l'intero sistema nervoso cesserebbe di funzionare.

Questo significa che il cervello è già estremamente attivo prima ancora che iniziamo a svolgere un compito. Le moderne tecniche di neuroimaging hanno infatti dimostrato che esiste una rete di aree cerebrali, chiamata Default Mode Network, che rimane attiva anche durante il riposo apparente. Quando sogniamo ad occhi aperti, ricordiamo il passato, immaginiamo il futuro o riflettiamo su noi stessi, il cervello continua a consumare energia in modo sorprendentemente elevato. Per questo motivo, svolgere un compito cognitivo impegnativo aumenta il consumo energetico complessivo solo di una piccola percentuale rispetto al metabolismo di base: il cervello, in realtà, non smette quasi mai di lavorare.

Per alimentare questa attività incessante il cervello utilizza principalmente il glucosio, uno zucchero trasportato dal sangue che rappresenta il suo carburante preferito. Tuttavia, oggi sappiamo che la questione è molto più complessa di quanto si pensasse in passato. Il cervello non è stato progettato per consumare meno energia possibile, ma per utilizzarla nel modo più efficiente. Dietro questo equilibrio non ci sono soltanto i neuroni: un ruolo fondamentale è svolto anche dagli astrociti, cellule gliali che per molti anni sono state considerate semplici elementi di sostegno, ma che oggi sappiamo essere protagoniste del metabolismo cerebrale.

Secondo una delle teorie più accreditate, nota come Astrocyte-Neuron Lactate Shuttle, gli astrociti trasformano parte del glucosio in lattato. Sebbene questa molecola venga spesso associata all'affaticamento muscolare, nel cervello rappresenta un'importante fonte di energia per i neuroni, soprattutto durante i periodi di intensa attività sinaptica. In questo modo neuroni e cellule gliali collaborano costantemente per garantire un rifornimento energetico rapido ed efficiente, dimostrando come il cervello funzioni grazie al lavoro coordinato di diversi tipi cellulari e non soltanto dei neuroni.

Anche il sistema vascolare partecipa a questa straordinaria organizzazione. Quando una determinata area cerebrale aumenta la propria attività, il flusso sanguigno diretto verso quella regione cresce quasi immediatamente, portando una maggiore quantità di ossigeno e glucosio. Questo fenomeno, chiamato neurovascular coupling, è così preciso da rappresentare il principio alla base della risonanza magnetica funzionale (fMRI), una delle tecniche più utilizzate nelle neuroscienze e in medicina. Ogni volta che leggiamo, ricordiamo un volto o prendiamo una decisione, il cervello redistribuisce in tempo reale le proprie risorse energetiche esattamente dove sono necessarie.

La produzione di questa energia avviene all'interno dei mitocondri, piccoli organelli presenti in tutte le cellule, spesso definiti le "centrali energetiche" dell'organismo. Il loro compito è trasformare glucosio e ossigeno in ATP, la molecola che alimenta praticamente ogni attività cellulare. Negli ultimi anni è emerso come alterazioni della funzione mitocondriale siano coinvolte in numerose malattie neurodegenerative, tra cui la malattia di Alzheimer e quella di Parkinson. Quando la produzione di energia diventa meno efficiente, anche i neuroni iniziano progressivamente a funzionare con maggiore difficoltà.

Questa straordinaria efficienza ha però un prezzo. A differenza di altri organi, il cervello possiede riserve energetiche molto limitate e dipende da un apporto continuo di ossigeno e glucosio. È per questo motivo che un'interruzione del flusso sanguigno, come avviene durante un ictus, può provocare danni cerebrali in pochi minuti. Comprendere come il cervello produce e distribuisce energia è quindi diventato uno degli obiettivi principali della ricerca neuroscientifica, anche perché alterazioni del metabolismo cerebrale sembrano comparire già nelle fasi iniziali di diverse malattie neurodegenerative.

Anche quella sensazione di stanchezza mentale che sperimentiamo dopo una lunga giornata di studio o di lavoro non deriva semplicemente dal fatto che il cervello abbia finito l’energia. Oggi sappiamo che la fatica cognitiva è un fenomeno molto più complesso, probabilmente legato all'accumulo di sottoprodotti del metabolismo, all'intenso utilizzo delle reti attentive e ai sistemi che regolano motivazione e controllo cognitivo. In altre parole, il cervello non rimane improvvisamente senza energia, ma modula il proprio funzionamento per evitare un eccessivo affaticamento.

Le moderne tecniche di neuroimaging, come la PET con fluorodesossiglucosio (FDG-PET), consentono oggi di osservare il metabolismo cerebrale nelle diverse aree del cervello. Numerosi studi hanno dimostrato che, in molte malattie neurodegenerative, la riduzione del consumo di glucosio può comparire diversi anni prima dei sintomi clinici più evidenti. Per questo motivo il metabolismo cerebrale rappresenta oggi uno dei biomarcatori più promettenti per la diagnosi precoce e il monitoraggio della salute del cervello.

In definitiva, il cervello consuma così tanta energia perché è l'organo che rende possibile ogni esperienza della nostra vita. Ogni emozione che proviamo, ogni ricordo che conserviamo, ogni parola che pronunciamo e ogni scelta che compiamo sono il risultato di miliardi di neuroni che comunicano incessantemente tra loro, supportati da cellule gliali, vasi sanguigni e sofisticati sistemi di regolazione metabolica.

Prendersi cura del cervello significa quindi anche proteggerne il metabolismo attraverso uno stile di vita sano, un'alimentazione equilibrata, un sonno adeguato, l'attività fisica e una costante stimolazione cognitiva. Sono piccoli gesti quotidiani che contribuiscono a mantenere efficiente il nostro cervello.

 Articolo a cura della Dott.ssa Serino Sara

Laureata in Neuroscienze Cognitive

Bibliografia

Attwell D., & Laughlin S. B. (2001). An Energy Budget for Signaling in the Grey Matter of the Brain. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 21(10), 1133–1145.

Harris J. J., Jolivet R., & Attwell D. (2012). Synaptic Energy Use and Supply. Neuron, 75(5), 762–777.

Herculano-Houzel S. (2009). The Human Brain in Numbers: A Linearly Scaled-up Primate Brain. Frontiers in Human Neuroscience, 3, 31.

Raichle M. E. (2015). The Brain's Default Mode Network. Annual Review of Neuroscience, 38, 433–447.

Raichle M. E., & Gusnard D. A. (2002). Appraising the Brain's Energy Budget. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99(16), 10237–10239.

Magistretti P. J., & Allaman I. (2018). Lactate in the brain: from metabolic end-product to signalling molecule. Nature Reviews Neuroscience, 19, 235–249.

Pellerin L., & Magistretti P. J. (1994). Glutamate uptake into astrocytes stimulates aerobic glycolysis: a mechanism coupling neuronal activity to glucose utilization. Proceedings of the National Academy of Sciences, 91(22), 10625–10629.