การส่งผ่านประสาท (neurotransmission)

สมองทำงานได้อาศัยการเชื่อมต่อกันของเซลล์ประสาทเพื่อให้ส่งกระแสประสาทไปหากันและกันได้[163]เซลล์ประสาทประกอบด้วยตัวเซลล์ แอกซอน และเดนไดรต์เดนไดรต์บ่อยครั้งเป็นส่วนยื่นที่มีสาขาต่าง ๆ มากมาย ที่ได้รับสัญญาณ (คือสารสื่อประสาทเป็นต้น) จากปลายแอกซอนของเซลล์ประสาทอื่น ๆ สัญญาณที่ได้รับอาจทำให้เซลล์ประสาทส่งกระแสประสาทคือศักยะงาน (เป็นสัญญาณไฟฟ้าเคมี) ซึ่งส่งไปตามแอกซอนจนถึงปลาย ซึ่งก็จะเชื่อมกับเดนไดรต์หรือตัวเซลล์ของเซลล์ประสาทอื่น ๆ ศักยะงานเริ่มจากเซกเมนต์ต้น (initial segment) ของแอกซอน ซึ่งมีคอมเพล็กซ์โปรตีนพิเศษ[164]เมื่อศักยะงานวิ่งไปถึงปลายแอกซอน ก็จะทำให้ปล่อยสารสื่อประสาทที่ไซแนปส์เป็นการส่งสัญญาณเพื่อสร้างผลที่เซลล์ประสาทเป้าหมาย[165]สารสื่อประสาทเคมีเหล่านี้รวมทั้งโดพามีน เซโรโทนิน กาบา กลูตาเมต และ acetylcholine[166]กาบาเป็นสารสื่อประสาทแบบยับยั้งหลักในสมอง ส่วนกลูตาเมตเป็นสารสื่อประสาทแบบเร้าหลัก[167]เซลล์ประสาทที่เชื่อมกัน ๆ ผ่านไซแนปส์รวมกันเป็นวิถีประสาท วงจรประสาท (neural circuit) และเครือข่ายประสาทขนาดใหญ่ (large scale brain networks) เช่น ดังที่พบใน salience network และ default mode network[upper-alpha 45] โดยการทำงานประสานกันเกิดจากกระบวนการส่งผ่านประสาท (neurotransmission)

เมแทบอลิซึม

สมองใช้พลังงานอาจถึง 20% ของที่ร่างกายใช้ ซึ่งมากกว่าอวัยวะอื่น ๆ[168]ในมนุษย์ กลูโคสในเลือดเป็นแหล่งพลังงานหลักของเซลล์โดยมากและจำเป็นในการทำงานของเนื้อเยื่อต่าง ๆ รวมทั้งสมอง[169]ในบุคคลที่อดอาหารและอยู่เฉย ๆ สมองมนุษย์ใช้กลูโคสในเลือดราว ๆ 60%[169]เมแทบอลิซึมในสมองปกติอาศัยกลูโคสในเลือดเป็นแหล่งพลังงาน แต่ในช่วงที่กลูโคสน้อย (เช่น อดอาหาร ออกกำลังกายแบบเพิ่มความอดทน หรือกินคาร์โบไฮเดรตน้อย) สมองจะใช้คีโตนบอดีส์เป็นพลังงานโดยจำเป็นต้องได้กลูโคสน้อยกว่าสมองยังสามารถใช้แล็กเตตเมื่อกำลังออกกำลังกาย[170]สมองสะสมกลูโคสในรูปแบบของไกลโคเจน แม้จะในปริมาณน้อยกว่าที่พบในตับหรือกล้ามเนื้อโครงร่าง[171]กรดไขมันลูกโซ่ยาวไม่สามารถผ่านตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมองเข้าไปได้ แต่ตับสามารถสลายกรดไขมันเช่นนั้นให้เป็นคีโตนบอดีส์ แต่กรดไขมันลูกโซ่สั้น เช่น butyric acid, propionic acid และกรดน้ำส้ม และกรดไขมันลูกโซ่กลาง เช่น octanoic acid และ heptanoic acid ก็สามารถผ่านตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมองเข้าไปได้และเซลล์สมองก็สามารถย่อยสลายมันได้[172][173][174]

แม้สมองมนุษย์จะหนักเพียง 2% ของน้ำหนักร่างกาย แต่ได้รับเลือดจากหัวใจ 15% ใช้ออกซิเจน 20% ของที่ใช้ทั้งหมดในร่างกาย และใช้กลูโคส 25% ของที่ใช้ทั้งหมดในร่างกาย[175]สมองใช้กลูโคสเป็นพลังงานโดยมาก และการขาดกลูโคส เช่น ในภาวะเลือดมีน้ำตาลน้อย (hypoglycemia) อาจทำให้หมดสติ[176]การใช้พลังงานของสมองไม่ต่างกันมากตามเวลา แต่เขตเปลือกสมองที่กำลังทำงานจะใช้พลังงานค่อนข้างมากกว่าเขตที่ไม่ทำ เหตุการณ์เช่นนี้เป็นมูลฐานของการสร้างภาพของสมองตามการทำงาน เช่น PET และ fMRI[177]เทคนิคการสร้างภาพสมองโดยกิจ (functional imaging) เช่นนี้สามารถแสดงระดับเมแทบอลิซึมเป็นภาพสามมิติ[178]

การนอนหลับมีหน้าที่อะไรยังไม่ค่อยชัดเจนแต่มีหลักฐานว่า การนอนหลับเพิ่มการขจัดของเสียทางเมแทบอลิซึมจากสมองโดยของเสียบางอย่างอาจเป็นพิษต่อประสาท และอาจทำให้ซ่อมแซมส่วนที่เสียหายได้[79][179][180]หลักฐานแสดงนัยว่า การเพิ่มการขจัดของเสียทางเมแทบอลิซึมช่วงการนอนหลับเกิดผ่านการทำงานของระบบน้ำเหลืองในประสาท (glymphatic system)[upper-alpha 22][79]การนอนหลับอาจมีผลต่อการทำงานทางประชานโดยลดระดับการเชื่อมต่อกันทางประสาทที่ไม่จำเป็น[181]