大脑在思考时，大脑活动的代谢成本仅略有增加。大脑仅靠约 17 瓦的功率就能持续运行。
大脑的组织结构旨在最大限度地减少能耗，同时最大限度地提高计算能力。这意味着，虽然大脑消耗了人体中最大比例的能量，但考虑到其计算能力，它的能效却非常高。
- 目标导向认知的代谢成本仅比静息神经活动和体内平衡的持续成本高 5%。
大脑能量的供应和使用保持着微妙而动态的平衡。神经能量稳态的破坏与认知能力下降和神经退化有关。
这些考虑促使人们进一步研究个体、日常周期和疾病状态下稳态和任务导向代谢成本的变化。
前沿分子神经成像技术提供了比传统方法具有更高的空间和时间分辨率来研究大脑能量代谢的机会。
本文要点：
- 认知和行为是大脑系统的新兴特性，其目的是在最大限度地提高复杂和适应性行为的同时最大限度地减少能量利用。不同物种以不同的方式协调这种权衡，但在人类中，结果偏向于复杂行为，因此能量消耗相对较高。
- 然而，即使在能源密集型的大脑中，也有许多简约的过程来优化能量使用。我们回顾了这种平衡如何在稳态过程和任务相关认知中体现出来。我们还考虑了神经认知疾病中代谢的扰动和破坏。
葡萄糖是认知的主要燃料
认知源于大规模脑系统中的神经动力学及其依赖于情境上下文的神经调节。
葡萄糖是这些过程的主要能量来源，并提供大部分能量“货币”
- 三磷酸腺苷( ATP)：葡萄糖主要在氧化分解代谢反应中代谢，即细胞呼吸，产生 30-32 个 ATP 分子，即身体的能量“货币”。
- ATP促进神经传递、神经递质生物合成和循环，控制氧化应激，并维持静息电位 (框 1 ) [ 1,2 ]。
为了维持大脑健康，葡萄糖的供应需要可靠且可扩展（即有效地上调或下调）。即使是短暂的神经葡萄糖中断也会导致认知功能障碍、癫痫、神经元死亡、意识丧失、昏迷和死亡 。
大脑能量预算的很大一部分用于维持神经完整性和相关的稳态过程 。支持认知的神经过程与这些基线稳态过程相结合，将能量利用从恢复性转变为主动性和响应性。
由于大脑不储存大量能量，因此葡萄糖浓度的区域变化有限 [ 9 ]。相反，血管会根据需要自适应地供应葡萄糖，而单个脑细胞对葡萄糖的使用则由复杂的反馈和前馈机制控制
- 大脑仅靠约 17 瓦的功率就能持续运行 。
- 相比之下，大型高性能计算集群的功耗要高出六个数量级，约为 2 兆瓦。
进化发生在一个优化景观中，该景观寻求最小化能量消耗，同时最大化计算和生存，这导致不同物种的解决方案大不相同。
- 能耗高的人脑通过复杂的分层推理来预先控制其环境
- 其他物种，如爬行动物，则倾向于使用较小、能耗较低的大脑来执行更为典型的行为指令
- 在鸟类和灵长类动物中，行为创新与大脑中关联区域的相对大小呈正相关
值得注意的是，从小鼠、大鼠、猫、绵羊、山羊、狒狒到人类，信号传导的能量成本和大脑扩张之间存在显著的异速缩放（正线性关系）。
激素调节认知的代谢需求
虽然大脑以惊人的能量效率运作，但这种平衡取决于精确的代谢调节，特别是葡萄糖的可用性。
大脑在调节神经和全身葡萄糖代谢方面起着重要的双向作用，如果大脑的葡萄糖代谢受损，就会导致认知障碍和神经系统疾病。
- 全身（系统）血液中的葡萄糖水平由激素胰岛素控制
- 下丘脑的胰岛素信号控制肝脏葡萄糖的生成
- 胰岛素受体遍布大脑（主要在神经元和星形胶质细胞）
葡萄糖穿过血脑屏障进入间质液和脑组织的过程很大程度上与胰岛素无关。
- 神经元主要通过胰岛素非依赖性受体（GLUT1 和 GLUT3）吸收葡萄糖，
- 而不是通过外周组织中普遍存在的胰岛素依赖性受体
胰岛素通过调节血液中可用的葡萄糖量间接影响大脑代谢，这可以在极端（低或高）血糖条件下影响认知表现，尤其是海马介导的过程。
- 血糖升高 (高血糖症) 与记忆力和执行功能下降、淀粉样蛋白负担增加、脑萎缩和皮质厚度减少有关，即使没有临床显著的代谢综合征。
- 同样，低血糖症与注意力、工作记忆和认知灵活性下降、灰质体积减少 以及皮质萎缩和神经元死亡有关。
因此，维持血糖稳态平衡对认知和神经健康至关重要。
- 促进葡萄糖跨血脑屏障运输的主要葡萄糖转运蛋白 (GLUT 1，) 的表达在高血糖症中下调，在低血糖症中上调。
- 血脑屏障上 GLUT1 的自身调节有助于维持支持神经功能和防止神经纤维网损伤所需的葡萄糖供应。
然而，在慢性高血糖和低血糖情况下，这些调节功能可能会下降，导致神经退行性疾病。
网友：
成也萧何，败也萧何，葡萄糖是大脑需要的能量，但是经常大量摄入碳水饮食，反而对胰岛素弹性不利，导致大脑认知下降，吃饭吃成傻子？