Wie alle anderen Bereiche deines Körpers benötigt dein Gehirn Energie, um bestmöglich zu funktionieren. Für den durchschnittlichen Erwachsenen im Ruhezustand verbraucht das Gehirn etwa 20 Prozent der Körperenergie. Die primäre Funktion des Gehirns – die Verarbeitung und Übertragung von Informationen durch elektrische Signale – erfordert dabei die meisten Energieressourcen.
Wie genau die genau Prozentzahl der Energieverteilung in den einzelnen Hirnregionen aussieht ist schwer zu ermitteln, aber wir haben ziemlich gute Schätzungen darüber, wohin diese Energie geht, auch wenn sie je nach Hirnregion variiert.
In der Großhirnrinde von Mäusen wird etwa ein Viertel der Energie des Gehirns für die Aufrechterhaltung der Neuronen und Gliazellen selbst aufgewendet – die Prozesse, die alle Zellen durchlaufen, um am Leben zu bleiben. Die restlichen 75 Prozent werden für die Signalgebung verwendet – das Senden und Verarbeiten elektrischer Signale über die Schaltkreise des Gehirns. Diese Zahlen scheinen beim Menschen sehr ähnlich zu sein.
Der Großteil dieser Energie wird an den Synapsen verbraucht – den winzigen Lücken zwischen den Gehirnzellen, wo Signale gesendet und empfangen werden. Dort pumpen die Zellen ständig Ionen in die Lücke zwischen den Zellen und tauschen Kalium und Natrium aus, um elektrische Ladungen zu erzeugen. Dieser Pumpvorgang ist für den Betrieb der Gehirnkreisläufe von grundlegender Bedeutung, aber sie sind sehr energieintensiv.
Benötigen bestimmte Teile oder Bereiche des Gehirns mehr Energie als andere?
Zwischen den beiden Haupttypen von Gewebe im Gehirn – der grauen und der weißen Substanz – benötigt die graue Substanz weit mehr Energie als die weiße Substanz. Weiße Substanz, die aus Axonbündeln besteht, enthält große Mengen an Myelin, der fetthaltigen Substanz, die sich um die Axone wickelt, um sie zu isolieren und das Austreten von Elektrizität zu verhindern.
Aufgrund dieser Isolierung verbraucht die weiße Substanz etwa 20-25 Prozent so viel Energie wie die graue Substanz, die aus Dendriten, Zellkörpern und den Schaltstellen von Synapsen besteht. Bestimmte Funktionen benötigen mehr Energie als andere. Die Hirnareale, die für die auditorische Verarbeitung verantwortlich sind, benötigen mehr Energie als das olfaktorische System oder die für das Gedächtnis zuständigen Hirnareale.
Das Hören erfordert eine sehr schnelle und präzise Signalgebung. Daher wäre es ein großer Nachteil, wenn die Fähigkeit des Hörens bei Gefahr sich in irgendeiner Weise verzögert. Relativ langsame Prozesse wie der Geruch haben nicht den gleichen intensiven Energiebedarf.
Verbrauchst du mehr Energie, wenn du intensiv nachdenkst oder komplexe Aufgaben erledigst?
Es gibt zwei wichtige Faktoren, die zu beachten sind. Das Gehirn benötigt diese wertvolle Energie um optimal zu funktionieren. Dein Gehirn schaltet sich nie ab, selbst wenn du nachts schläfst, verbraucht das Gehirn ungefähr so viel Energie wie tagsüber. Während du dich ausruhst, kommunizieren deine Neuronen ständig miteinander und informieren sich gegenseitig über das Geschehen. Durch ihre ständige Bereitschaft wird der Großteil der Energie verbraucht.
Wenn eine bestimmte Aufgabe einen bestimmten Bereich des Gehirns erfordert, steigt der Energiebedarf dieses Bereichs. Du kannst den Anstieg auf einem fMRI-Scan sehen – das Gebiet wird hellrot sein, wo die Stromkreise besonders aktiv sind. Wenn du mit einer anderen Person sprichst, wird das Broca-Areal, das Gebiet, das mit der Spracherzeugung verbunden ist, aktiver.
Ungeachtet dessen, was man aufgrund der hellen Farben vermuten könnte, ist die Energiezunahme gering – höchstens etwa acht Prozent. Im Gegensatz zu den Muskeln in deinem Bein, wo der Energieverbrauch beim Gehen im Vergleich zum Sitzen um das Drei- bis Vierfache ansteigen kann, benötigt das Gehirn eine relativ konstante Menge.
Dabei macht es fast keinen Unterschied, egal, ob du etwas Komplexes tust, wie z.B. ein schwieriges mathematisches Problem löst oder ins Leere starrst. Der Anstieg ist gering, verglichen mit der großen Energiemenge, die das Gehirn als Ausgangsbasis benötigt.
Es gibt den Mythos, dass man nur 10 Prozent des Gehirns nutzt, und eine Zauberpille könnte die restlichen 90 Prozent freisetzen. Der Großteil deiner Neuronen ist über lange Zeiträume relativ still und wartet darauf, bei Aktivierung in Aktion zu treten. Aber sie tun dies, um energieeffizient zu bleiben. Wenn du irgendwie die Anzahl der gleichzeitig aktivierten Neuronen verdreifachen würdest, würde der Sauerstoffbedarf des Gehirns dramatisch ansteigen, vielleicht so stark wie bei deinen Beinmuskeln während des Sprintens.
Hat der Energiebedarf des Gehirns die menschliche Evolution beeinflusst?
Das Gehirn verfügt nicht über eine Energiereserve, die es für den Notfall speichern könnte. Im Gegensatz zu den Muskeln, die überschüssige Kohlenhydrate speichern können, muss das Gehirn ständig mit Sauerstoff und Energie versorgt werden, damit es richtig arbeiten kann. Wenn man die Blutversorgung des Gehirns bricht oder stört – wie bei einem Schlaganfall oder einer Kopfverletzung – beginnen die Neuronen schnell abzuschalten, was zu Schäden kann.
Wenn das Gehirn Zellen enthielte, die Reserveenergie speichern, würden diese Zellen Platz zwischen den Neuronen einnehmen. Dadurch würden die elektrischen Signale längere Strecken zurücklegen müssen, und sie bräuchten dafür mehr Energie. Frühe Organismen hatten vielleicht Nervensysteme, die diese Art von Ausfallsicherung enthielten, aber im Laufe der Millionen Jahre der Evolution haben wir diese Reserveenergie der Effizienz geopfert. Sie macht uns anfällig für Verletzungen, aber sie erlaubt uns auch, das Potential unseres Gehirns besser nutzen zu können.
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