Что означает «мозг устал»? Что происходит с нервными клетками при перенапряжении? Почему от долгой умственной работы появляются временные когнитивные нарушения?

В дополнение к ответу NUR-MUKHAMMED ORMANOV хочу добавить следующее. 

Усталость мозга, в частности, человека и высших животных вызывается в основном деятельностью синапсов, то есть мест соединения двух нервных клеток. Проблема заключается в том, что синаптическая передача нервного импульса происходит при помощи т.н. медиаторов, то есть химических веществ (напр. таких как ацетилхолин, норадреналин). Выглядит это так:  нервный импульс дошел до места его передачи другой клетке, при этом из первой клетки должны выделиться вещества-медиаторы, которые воспримутся второй клеткой. Нервный импульс в результате идет дальше.

Так вот, запас этих медиаторов в клетке - он ограничен, при её непрерывной работе наступает время, когда запас их истощается, и мозгу нужно время бездействия, чтобы пополнить запас (т.е. попросту сон). Нами это ощущается как усталость, желание отдохнуть (поспать).

Ну и в конце хочу сказать, что наш мозг умён именно потому, что у нас много этих синаптических связей между мозговыми клетками, и поэтому мы устаем и нуждаемся во сне.