Energieverbrauch des Gehirns

Das Gehirn ist der Hauptenergieverbraucher im Körper und steuert dabei auch die Verteilung der Energie, wobei es durchaus selbstsüchtig handelt, denn erst deckt das Gehirn seinen Bedarf, dann bekommen auch übrigen Organe etwas zugeteilt.

Während das Gehirn des modernen Menschen im Ruhezustand fast ein Viertel des gesamten Energiebedarfs des Organismus benötigt, brauchen andere Primaten wie Schimpansen und Gorillas etwa nur acht bis zehn Prozent ihrer Energie an das Gehirn abzugeben, andere Säugetiere sogar nur drei bis fünf Prozent.

Vor etwa zwei Millionen Jahren begann bei den Vorfahren des Menschen
eine Ausdehnung des Gehirns, da die Hominiden für ihre Gehirne mehr Leistungen erbringen mussten, etwa zum Jagen und Sammeln, was durch eine höhere Energiezufuhr ermöglicht wurde.
Egoistisch wacht das Gehirn also darüber, dass immer genügend Energie für die Denkprozesse bereitstehen. Beobachtet man den Gehalt des Energieträgers Adenosin-Triphosphat (ATP) im Gehirn und in der Muskulatur fastender Menschen, zeigt sich, dass sich schon in relativ kurzer Zeit eine deutliche Differenz in der Energieversorgung feststellen lässt.

Obwohl die Masse des Gehirns nur etwa 2 Prozent des Körpergewichts ausmacht, beansprucht es gut die Hälfte der
täglich mit der Nahrung aufgenommenen Kohlenhydrate, wobei es unter Normalbedingungen bis zu zwei Drittel der Blutglucosemenge aufnimmt.

Kommt noch eine Stressbelastung hinzu, entzieht das Gehirn dem Blut sogar fast 90 Prozent dieses Energieträgers.
Trotz seines großen Energiehungers besitzt das Hirn aber keine großen Speicher für die benötigte Energie, sondern um im richtigen Moment den „aktuellen Bedarf an Glucose decken zu können, muss es diese dem Körper aktiv entziehen, gewissermaßen on demand. Er beruht auf dem Pull-Prinzip, wobei erst der Empfänger einer Lieferkette einen Bedarf äußern muss, damit die Lieferung erfolgt. Die Bedeutung dieses Pull-Prinzips wird vor allem in Zeiten von Nahrungsknappheit deutlich, denn dann sinkt der Blutzuckerspiegel, und das Körpergewicht nimmt ab.

Auch auf höherer Ebene kann das Gehirn Energie aktiv bestellen, wofür vor allem der Hypothalamus sorgt. Über die Nervenbahnen des Sympathikus bewirkt er im Körper eine Umverteilung der Energieströme zugunsten des Gehirns.

Amygdala und Hippocampus informieren z.B. den Hypothalamus über ihren Energiestatus. Besteht ein Energiebedarf, aktiviert dieser
den Sympathikus, der bis zu den b-Zellen des Pankreas zieht. Innerhalb von Minuten wird dadurch die Insulinsekretion gegen null gefahren. In der Folge können Muskel- und Fettgewebe keine Glucose mehr aufnehmen, denn im Gegensatz zu GLUT-1 im Gehirn benötigt der Glucosetransporter dieser Zellen (GLUT-4) Insulin zum Arbeiten. Aber auch die Leber wird informiert und dazu aufgefordert, Glucose aus ihrem Speicher an das Blut abzugeben.

Alle Energie steht nun dem Gehirn zur Verfügung. Der Blutfluss zum Kopf wird verstärkt, und die Glucoseaufnahme über die Blut-Hirn-Schranke stimuliert. Kontrolliert werden diese Vorgänge durch Energiesensoren im gesamten Gehirn. Sie messen die ATP-Konzentration. Ist überall ausreichend Energie vorhanden, wird der allokative Brain-Pull beendet.

Zusätzlich gibt es im lateralen Hypothalamus Neuronen, die an ihrer Oberfläche Glucoserezeptoren tragen, die ständig im Blut
den Glucosegehalt messen. Bei einem Mangel wird der Mensch wacher, sein belohnungssuchendes Verhalten angeregt und der Appetit gesteigert, sodass Nahrungssuche und Nahrungsaufnahme erfolgen.
Das menschliche Gehirn ist übrigens ein Meister der Energieeffizienz, denn seine rund 100 Milliarden Neuronen kommen mit einer Leistung von etwa 20 Watt aus, während moderne Hochleistungsrechner das Vieltausendfache an Energie benötigen.

Anmerkung: 2009 hat eine brasilianische Neurowissenschaftlerin nachgezählt, indem sie zahlreiche Gehirnproben analysiert und hochgerechnet hat: es sind nicht 100 Milliarden sondern nur 86 Milliarden Nervenzellen, die das Gehirn des Menschen bilden. Wenn man diese Zahl in Relation zu allen anderen Zellen des menschlichen Körpers stellt, der aus 100 Billionen Zellen bestehen soll, wirkt das Gehirn relativ klein, denn nur eine von knapp 1200 Zellen im Körper ist demnach eine Hirnzelle. Diese verbrauchen aber je nach Schätzung zwischen 20 und 25 Prozent der gesamten Energie des Körpers, d. h., jede Gehirnzelle
verbraucht viele hundertmal mehr Energie als eine durchschnittliche Körperzelle.

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