Das Gehirn hat immer Hunger

Grafik: MW

Autor: Nicole Paschek

So viel Energie wie das Gehirn verbrennt sonst kaum ein anderes Organ. Doch woran liegt das? Und wie stillt das Gehirn seinen Hunger?

Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. Stefan Knecht

Veröffentlicht: 01.03.2018

Niveau: leicht

Das Wichtigste in Kürze

Im Vergleich zu anderen Organen, hat das Gehirn mit einem Anteil von nur zwei Prozent am Körpergewicht einen sehr hohen Energieverbrauch. 500 Kilokalorien bzw. 20 Prozent der Gesamtenergie verbrennt es am Tag.
Unser Gehirn benötigt so viel Energie, da es rund um die Uhr aktiv ist. Außerdem verbrennt neuronale Aktivität, insbesondere die für höhere Hirnfunktionen, besonders viel Energie.
Speziell der Transport von Ionen und Botenstoffen ist sehr kostspielig, für eine funktionierende Signalübertragung aber unverzichtbar. Hinzu kommt die Instandhaltung der Zellen, die bereits ein Viertel der Energie aufbraucht.
Den dafür nötigen Brennstoff ATP produzieren Mitochondrien, indem sie hauptsächlich Glucose umwandeln. Nervenzellen können die Glucose aber nicht speichern. Zirkuliert nicht genügend davon im Blut, sind sie auf die Glykogenspeicher der Astrozyten angewiesen.
Damit immer genügend Energieträger vorhanden sind, sorgt ein komplexes Hormonsystem dafür, dass wir Hunger bekommen und essen. Schließlich braucht das Gehirn im Schnitt 129 Gramm Glucose am Tag.

Bis der Teller leer ist

Wann hören wir auf zu essen? Wenn wir satt sind? Oder, wie uns vielleicht beigebracht wurde: Wenn der Teller leer ist? Wie mehrere Studien zeigten, hängt diese Entscheidung stark von äußeren Faktoren, wie der Größe der Portion, den Personen, die mit uns essen, oder parallel laufenden Fernsehsendungen, ab – mehr als die meisten zugeben (wollen).

In einer dieser Studien hat Brian Wansink, Professor und Leiter des Cornell University Food and Brand Lab mit seinen Kollegen mehrere Probanden so viel Tomatensuppe essen lassen, wie sie wollten. Doch während die Testpersonen ihre Suppe löffelten, füllte sich bei der Hälfte die Schüssel langsam und von ihnen unbemerkt über ein darunter installiertes Schlauchsystem wieder auf. Dadurch aßen sie im Schnitt 73 Prozent mehr – fühlten sich aber nicht stärker gesättigt, als die Kontrollgruppe. Sie glaubten auch nicht, dass sie mehr gegessen hätten. Denn sie orientierten sich an der Größe der Schüssel (die sich ja normalerweise nicht selbst auffüllt), um abzuschätzen, wie viel Suppe sie gegessen hatten. Das Auge isst also nicht nur mit, sondern entscheidet auch, wann Schluss damit ist.

Das menschliche Gehirn ist teuer. Normalerweise gilt die Faustregel: Je größer das Organ, umso mehr Energie verbraucht es. Doch unser Gehirn will etwa ein Fünftel von dem, was wir essen und einatmen für sich – und das, obwohl es nur circa zwei Prozent des Körpergewichts ausmacht. Warum also brauchen unsere grauen Zellen so viel Energie? Dafür gibt es (mindestens) drei Gründe.

Grund 1: Das Gehirn ist immer aktiv

Während unsere Skelettmuskulatur nichts zu tun hat, wenn wir auf der Couch liegen oder schlafen, ist unser Gehirn – ebenso wie Herz und Lunge – rund um die Uhr aktiv. Und das hat seinen Preis.

Allein den Laden am Laufen zu halten, frisst bereits rund ein Viertel der dem Gehirn zur Verfügung gestellten Energie: So müssen zum Beispiel Proteine gebildet und transportiert, sowie Schäden an der DNA repariert werden. Dieses so genannte „Housekeeping“ kann man mit der Instandhaltung der eigenen vier Wände vergleichen. Das bisschen Haushalt macht sich eben nicht von allein.

Grund 2: Neuronale Aktivität ist teuer

Eine Milliarde Nervenzellen brauchen durchschnittlich sechs Kilokalorien pro Tag, wie Suzana Herculano-Houzel, Professorin für Neurowissenschaften an der Vanderbilt University in Tennessee in den USA, mit ihrem Team berechnet hat. Dieser Wert ist auch über Artgrenzen hinweg erstaunlich konstant – Nervenzellen von Ratten etwa verbrennen ähnlich viel, wie die des Menschen. Unser Denkorgan von circa 86 Milliarden Neuronen verbraucht im Schnitt etwa 516 Kilokalorien am Tag.

Doch wofür? Neben dem Haushalt betreiben Nervenzellen eine komplexe und teure Form der Signalübertragung. Diese funktioniert nur durch den Transport von Ionen und Botenstoffen über die Membranen der Zellen hinweg. Anschließend müssen diese Substanzen unter Kraftaufwand wieder zurücktransportiert und recycelt werden. Während ein Signal (Aktionspotenzial) entlang eines Nervenzellenfortsatzes (Axon) wandert, schießen Natrium-Ionen in die Zelle und Kalium-Ionen hinaus. Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert sie wieder auf die „richtige“ Seite der Zellmembran – braucht dafür aber mehr als die Hälfte der dem Gehirn zur Verfügung stehenden Energie. Ein hoher Preis. Doch für eine funktionierende Informationsweiterleitung entlang des Axons ist die korrekte Ionenverteilung notwendig. Und diese muss die Pumpe nicht nur nach einem Aktionspotenzial wiederherstellen, sondern auch im Ruhezustand aktiv aufrechterhalten. Denn die Zellmembran ist nicht ganz dicht, sodass Ionen hindurchschlüpfen (Leckströme). Ohne ständige Gegenarbeit der Natrium-Kalium-Pumpe ginge das Spannungsgefälle zwischen beiden Seiten der Membran schnell verloren und es wäre keine Reizleitung mehr möglich.

Die größten Energiefresser aber sind die Synapsen. An diesen Verbindungsstellen zweier Nervenzellen ist nämlich nicht nur die Natrium-Kalium-Pumpe am Werk, sondern auch die Transportsysteme für andere Ionen sowie Botenstoffe. Zu letzteren gehört beispielsweise Glutamat. Dieses wird zum Großteil von spezialisierten Helferzellen, den Astrozyten aufgenommen, recycelt und wieder an die Neurone weitergegeben, was ebenfalls Energie kostet. Deshalb ist der Verbrauch von Nervenzellen an den der Gliazellen gekoppelt. Korrekterweise müsste man also sagen, dass eine Milliarde Nervenzellen zusammen mit den dazu nötigen Gliazellen sechs Kilokalorien am Tag verbrauchen.

Grund 3: Höhere Hirnleistungen kosten extra

Bei höheren Hirnleistungen, wie Gedächtnisaufgaben und Aufmerksamkeit, feuern Nervenzellen der beteiligten Gehirnregionen im selben Takt – sie oszillieren (Neurone mit Taktgefühl). So genannte Gamma Oszillationen von einer Frequenz zwischen 30 und 100 Hz sind besonders kostspielig. Studien zeigten, dass sie im Vergleich zum „Ruhemodus“ circa doppelt so viel Energie verbrauchen. Dazu passt auch die Tatsache, dass ein Gehirn unter Narkose, also ohne Bewusstsein, circa 45 Prozent weniger Energie nutzt.

Insgesamt verbrennt das wache Gehirn im Schnitt zwar mehr oder weniger gleich viel – egal ob wir fernsehen, joggen oder Hausaufgaben machen. Jedoch zeigen einzelne Hirnregionen einen erhöhten Energieverbrauch, wenn sie besonders beansprucht werden. So steigt der Bedarf, je nach Aufgabe und Hirnregion um bis zu zwölf Prozent, meist jedoch nicht mehr als fünf Prozent.

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Woher kommt die Energie?

Der Treibstoff aller Zellen heißt Adenosintriphosphat, kurz: ATP. Dieses stellen Mitochondrien – die Kraftwerke der Zelle – her, beispielsweise aus Glucose. Mitochondrien werden im Zellkörper gebildet. Würden sie an dieser Stelle bleiben, bräuchte ein dort generiertes ATP-Molekül etwa zehn Jahre um zum Ende eines ein Meter langen Axons zu gelangen. Deshalb werden Mitochondrien zu den Synapsen transportiert, um genau dort Energie zu produzieren, wo sie auch gebraucht wird.

Aus einem Molekül Glucose generieren Mitochondrien mit Hilfe von Sauerstoff etwa 38 Moleküle ATP. Wie Simon B. Laughlin von der Universität Cambridge mit seinen Kollegen errechnet hat, braucht eine Synapse im Schnitt 24.000 ATP-Moleküle, um einen Informationsgehalt von einem Bit zu übertragen. An einer chemischen Synapse werden pro Sekunde durchschnittlich 55 Bits übertragen. So braucht ein Neuron insgesamt etwa 3,3 Milliarden Glucosemoleküle pro Minute, das ganze Gehirn damit 129 Gramm pro Tag.

Speichern können Nervenzellen die Glucose aber nicht. Das tun Astrozyten in Form von Glykogen. Umgewandelt in Laktat, können sie diesen Energieträger an Neurone weitergeben und so die neuronale Aktivität bei Sauerstoff- und Glucoseknappheit aufrechterhalten. Doch nur für ein paar Minuten.

Ich hab' Hunger!

Damit unser Gehirn mit genügend Glucose versorgt wird, müssen wir essen. Und damit das in ausreichendem Maße stattfindet, gibt es: Hunger! Für dieses Gefühl sorgt (mitunter) das Hormon Ghrelin, welches von Zellen des Magens ausgeschüttet wird. Von dort aus gelangt es entweder über den Blutkreislauf oder den Vagusnerv ins Gehirn, wo es die Aktivität von Neuronen im Hypothalamus beeinflusst, die den dafür passenden Rezeptor tragen. Diese stimulieren den Appetit, wir bekommen Hunger und schauen uns nach etwas Essbarem um.

Die Menge, Häufigkeit und Zusammensetzung der aufgenommenen Nahrung (beispielsweise viel oder wenig Fett) hat wiederum einen Einfluss auf die Konzentration des Ghrelin-Spiegels im Blut. Dieser sinkt innerhalb von ein bis zwei Stunden nachdem wir etwas gegessen haben. Doch satt sind wir meist schon nach 20 bis 30 Minuten. Dafür kann ein niedriges Ghrelin-Level also nicht ausschlaggebend sein. Wie kommt es dann zum Sättigungsgefühl?

Dieser Prozess ist komplex und – ebenso wie das Entstehen von Hunger – noch nicht vollkommen verstanden. Ein erstes Signal kommt durch die Spannung der Magenwand, die von Mechanorezeptoren gemessen wird, welche diese Information an das Gehirn weiterleiten. Um ein Sättigungsgefühl auszulösen, sind aber noch chemische Signale notwendig, wie etwa ein erhöhter Insulin-Spiegel. Doch auch die Augen entscheiden mit, wann wir satt sind (siehe Infokasten „Bis der Teller leer ist“).

Schließlich gibt es noch ein Hormon, das mitentscheidet, wie viel generell gegessen wird: Leptin. Dieses wird größtenteils von Fettzellen (Adipozyten) freigesetzt und sagt dem Gehirn, wie viele Reserven noch vorhanden sind. Im Normalfall sorgt ein hoher Leptin-Gehalt über die Aktivierung bestimmter Nervenzellen im Hypothalamus letztendlich für weniger Appetit. Die zirkulierende Menge des Hormons wird aber auch durch das Essverhalten beeinflusst. Wird innerhalb von zwölf Stunden zu viel Nahrung aufgenommen, steigt der Leptin-Level im Blut um circa die Hälfte an. Dahingegen sinkt er um fast ein Drittel, wenn 24 Stunden gefastet wird.

Somit sorgen Leptin und Ghrelin mit zahlreichen weiteren Hormonen dafür, dass wir genügend essen. Denn das Gehirn hat immer Hunger. Kein Wunder, bei einer Leistung von durchschnittlich 20 Watt.

zum Weiterlesen

Meier U & Gessner AM, Endocrine Regulation of Energy Metabolism: Review of Pathobiochemical and Clinical Chemical Aspects of Leptin, Ghrelin, Adiponectin, and Resistin, Clin Chem. 2004 Sep; 50(9):1511-25 (zum Volltext).
Harris JJ et al., Synaptic energy use and supply, Neuron. 2012 Sep; 75(5):762-77 (zum Volltext).
Howarth C et al, Updated energy budgets for neuronal computation in the neocortex and cerebellum, J Cereb Blood Flow Metab. 2012 Jul; 32(7):1222-32 (Zum Volltext).