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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 ab, 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.

Achim Peters (2011) hat die wissenschaftlichen Erkenntnisse über das egoistische, menschliche Gehirn zusammengetragen und kommt zu dem Schluss, dass nicht der Blutzucker, sondern der Gehirnzucker bestimmt, wie viel Menschen essen und ob sie dick und Diabetiker werden. Das Gehirn bedient sich nämlich im Zweifelsfalle immer als Erstes, denn unter extremen Hungerbedingungen verlieren die inneren Organe bis zu 40% an Substanz, während das Gehirn nicht auszehrt, sondern maximal bis zu zwei Prozent Gewicht einbüßt. Schon das Ungeborene benötigt die Hälfte aller Energie für sein Gehirn und beim Erwachsenen beansprucht das Gehirn von durchschnittlich 200 Gramm Glukose für sich selbst täglich 130 Gramm. Glukose ist praktisch die einzige Energie, die ein Gehirn akzeptiert, ist aber mangels eigener Produktionsmöglichkeit darauf angewiesen, dass irgendwie anders dieser Zucker vom Blut durch die Bluthirnschranke ins Gehirnwasser und zu den Nervenzellen gelangt. Um das zu gewährleisten, gibt es den brain-pull, d.h., das Gehirn zieht Glukose aus dem Blut, da bei Unterzuckerung, wenn Glukose im Gehirn knapp wird, Ohnmacht und Koma drohen. Das blutzuckersenkende Hormon Insulin ist zwar dazu nötig, Zucker aus dem Blut in andere Organe zu transportieren, das Gehirn selber nimmt indes unabhängig vom Insulin Zucker auf, was ihm erlaubt, von einem hohen Blutzucker zu profitieren. Wenn dieser Brain-pull nicht richtig arbeitet, im Gehirn nicht genug Glukose ankommt, kann dieses über eine ausgeklügelte Hormon-Botenstoff-Befehlskaskade den Blutzucker erhöhen, wobei notfalls der body-pull aktiviert wird, d.h., der Organismus führt Nahrung mit Zuckergehalt zu, oder es initiiert den Such-pull, d.h., das Gehirn schickt den Organismus auf Nahrungssuche. Nach Ansicht von Achim Peters beginnt das übermäßige Essen daher mit einem gestörten body-pull, denn wenn dieser funktioniert, isst man zu viel, gleichgültig, welches Nahrungsangebot zur Verfügung steht. Diese Hypothese erklärt, warum Übergewichtige immer mehr essen, während sie doch ohnehin einen überhöhten Blutzucker aufweisen und ihre Fettdepots voll sind. Das müsste im Regelfall den Appetit zügeln, doch kommt unter dem Postulat “normaler” Blutzuckerwerte zu wenig vom Überangebot an, denn Insulin liefert die Glukose zwar an die Organe und sorgt für ständig wachsende Energiedepots, doch im Gehirn kommt zu wenig davon an. Den Diabetiker zwingt eine Insulintherapie gleichsam, noch mehr zuzunehmen, und auch Übergewichtige beginnen mit jeder Diät einen Kampf gegen das Gehirn, den sie vermutlich nicht gewinnen können.

Neuere Forschungen an der Universität London und am Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt am Main zeigen aber, dass bei der Signalweiterleitung  weniger Energie verbraucht wird als bisher gedacht. Man untersuchte die Signalweiterleitung im Gehirn von Ratten an den unmyelinisierten Axonen, also den Fortsätzen der Nervenzellen, die für den Transport von Signalen zuständig sind, und maß bei der Signalübertragung einen überraschend geringen Energiebedarf. Der Aufbau des dafür nötigen elektrischen Aktionspotenzials in den Axonen brauchte bei den Ratten nur ein Drittel dessen, was frühere Messungen an Tintenfischen nahegelegt hätten. Säuger verwenden auf  Aktionspotenziale nur 1,3 Mal mehr Energie, als theoretisch notwendig ist. während Tintenfische  pro Aktionspotenzial vier mal so viel Energie einsetzen wie theoretisch erforderlich. Die Experten vermuten, dass sich die komplexen Säugetiergehirne überhaupt nur deshalb entwickeln konnten, weil sie so energieeffizient arbeiten.

Abnehmen bzw. Gewichtsreduktion durch Lernen und Denken?

Da das menschliche Gehirn tatsächlich knapp ein Fünftel des menschlichen Energieverbrauchs braucht, könnte man vermuten, dass unser Menschen durch fleißiges Lernen und Denken auch Kalorien abbauen kann. Jedoch verbraucht das Gehirn für geistige Tätigkeiten wie Lernen nicht wesentlich mehr Energie als sonst, denn der größte Teil an Energie fällt für Funktionen an, die auch dann ablaufen, wenn wir man nicht lernt oder sein Gedhirn anderweitig beschäftigt. Dass unser Gehirn auch dann weiter arbeitet, wenn man es nicht aktiv zum Denken benutzet, zeigt etwa das Träumen. Wenn man beim Lernen trotzdem manchmal mehr Kalorien verbrennt als sonst, liegt das an unter Umständen an der körperlichen Anspannung oder Verkrampfung, denn  für die Muskelspannung verbraucht der Körper zusätzliche Energie.

Quellen
Heyn, Gudrun (2009). Metabolisches Syndrom. Das egoistische Gehirn als Ursache.
WWW: http://www.pharmazeutische-zeitung.de/index.php?id=28936 (09-01-27)
Peters, Achim (2011). Das egoistische Gehirn. Warum unser Kopf Diäten sabotiert und gegen den eigenen Körper kämpft. Berlin: Ullstein Verlag.
http://derstandard.at/fs/1252680425340/Unser-Gehirn-setzt-auf-Energieeffizienz (09-09-13)

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