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Was isst dein Gehirn eigentlich? Optimale Versorgung für optimale Leistung

29. September 2016

Dein Gehirn macht nur etwa 2% deiner Körpermasse aus.
Auf engsten Raum tummeln sich aber so viele Nervenzellen, dass alle Nervenbahnen aneinander gelegt 5,8 Millionen Kilometer lang wären.
Das entspricht in etwa dem 145fachen Erdumfang.
Zahlen, die man sich kaum vorstellen kann.

Kein Wunder also, dass dieser kleine Hochleistungscomputer 20% deines Grundumsatzes ausmacht.
Die 86 Milliarden Nervenzellen wollen gut versorgt sein.

90% der benötigten Energie wird durch spezielle Pumpen verbraucht, die nicht dazu da sind, Erregungen weiterzuleiten, sondern diese wieder abzubauen.

Wie genau wird die Energie im Gehirn verbraucht?
Und warum ist es für das Gehirn eigentlich so wichtig, sich richtig zu ernähren?

Besonderheit Gehirn

Das Gehirn besteht hauptsächlich aus Nervengewebe.
Grob lassen sich die Regionen in Großhirn, Zwischenhirn, Kleinhirn und Stammhirn unterscheiden.53-aufbau-gehirn-beschriftet

Das Großhirn ist tendenziell eher für die Verarbeitung von Informationen und ihre Abstimmung aufeinander zuständig. Aber hier werden auch Denkvorgänge und das Gedächtnis verarbeitet.
Zum Großhirn gehören Trontallappen, Temorallappen, Parietallappen und der Okzipitallappen.
Im Zwischenhirn werden die Informationen aus dem Großhirn weitervermittelt, die Hormondrüsen gesteuert und die Informationen aus unterschiedlichen Sinnesorganen miteinander verbunden.
Das Kleinhirn ist dagegen eher für die Koordination von Bewegungen und das Gleichgewicht zuständig. Außerdem übernimmt es wichtige Funktionen beim Lernen und dem Spracherwerb.
Das Stammhirn verarbeitet eingehende Informationen und dirigiert die reflexartigen Steuermechanismen.

Anders als Organe wie die Leber hat das Gehirn nur wenig Speicherkapazität für Energiereserven.
Das bringt einige Probleme mit sich.
Schon nach zehn Sekunden bewirkt ein Ausfall der Versorgung mit Sauerstoff oder Glucose einen Funktionsausfall des Gehirns.

Dabei schwankt die Stoffwechselaktivität des Gehirns nicht.
Selbst im Schlag verbraucht es beinahe ebenso viel wie bei komplizierten Denkvorgängen.

Nervenzellen – Schaltzentrale des Gehirns

Die Nervenzellen (Neuronen) bestehen wie normale Zellen auch aus der Membran und dem Plasma, haben die gleichen Zellorganellen und auch ihr Stoffwechsel funktioniert wie überall sonst im Körper.
Ihre einzige Besonderheit liegt in den Verbindungen zu anderen Neuronen.

Jede Nervenzelle nimmt gleichzeitig unterschiedliche Informationen auf, verrechnet sie miteinander und gibt dann eine Information an verschiedene andere Neuronen weiter.

Um dieser Funktion nachzukommen, haben Neuronen einen spezifischen Aufbau.53-nervenzelle

Die weitverzweigten Dendriten nehmen Informationen von unterschiedlichen Nervenzellen auf. Sie liegen direkt am Soma, dem Zellkörper an und leiten die gesammelten Informationen an die Zelle weiter.

An den Enden der Dendriten liegen die Synapsen. Das sind Kontaktstellen zwischen den Neuronen. An ihnen werden die Erregungen entweder elektrisch oder chemisch von einer Nervenzelle zur anderen übertragen.
Bei elektrischen Synapsen handelt es sich quasi um die Schnellstraße des Gehirns. Hierbei werden ganze Neuronengruppen synchronisiert. Die Ionen können frei zwischen benachbarten Neuronen fließen und auch bestimmte Marker gelangen hindurch.
Die chemischen Synapsen sind weitaus häufiger vertreten und übersetzen das Aktionspotential durch Calciumeinstrom zunächst in ein chemisches Signal. So werden Transmitter freigesetzt, die an Rezeptoren der Membran binden und dort das Membranpotential ändern. Dies kann Erregungen oder Hemmungen bewirken.
Als Transmitter kommen Neurotransmitter, bestimmte Aminosäuren, Katecholamine und bestimmte Peptide in Frage.
Eine einzelne Nervenzelle kann über Tausend solcher Kontaktstellen haben.

Im Axomhügel werden die eingegangenen Potentialänderungen integriert und in ein Aktionspotential überführt.
Danach wird die Erregung über das Axom an andere Zellen weitergeleitet.
Das Axom ist von einer Myelinschicht umzogen, um die Informationen möglichst schnell und ohne Verluste weiterleiten zu können. Denn durch die Myelinschicht können einzelne Abschnitte der Membran einfach übersprungen werden.

Energieverbrauch der Neuronen

Damit die Weiterleitung der eingehenden Erregungen funktioniert, muss das Membranpotential nach jeder Erregung wieder zurückgesetzt werden.
Dies geschieht über Ionenkanäle, die aus Proteinen aufgebaut sind und kleine Poren über die Zellmembran bilden.
Sie arbeiten spezifisch, sodass es für Natrium, Calcium und Kalium jeweils eigene Kanäle gibt.
Während Kaliumkanäle vorkommen, die beständig geöffnet sind, reagieren die meisten Ionenkanäle auf Spannung, ATP-Verbrauch oder die Bindung bestimmter Neurotransmitter.
Durch den aktiven Ionentransport wird das Membranpotential immer wieder hergestellt.
Dabei verbraucht ein Ionenkanal ein ATP, um drei Natriummoleküle aus der Nervenzelle aus zu schleusen und zwei Kaliumionen reinzuholen.

Bis zu 90% der vom Gehirn verbrauchten Energie wird von den Ionenkanälen in Anspruch genommen.
Der Rest wird für basale zelluläre Prozesse aufgebracht, wie sie in jeder menschlichen Zelle auftreten, beispielsweise zur Proteinsynthese.

Energiestoffwechsel im Gehirn

Die Energie im Gehirn wird durch aerobe Verbrennung von Glucose, Laktat oder Ketonkörpern gewonnen. Hierfür wird also Sauerstoff gebraucht.
Wie du schon weißt, ist das Gehirn nicht nur auf eine ausreichende Zufuhr an Sauerstoff, sondern auch von Glucose angewiesen.
Glucose kann nämlich nur teilweise, nie komplett ersetzt werden.
Obwohl Kleinkinder noch einen Großteil ihrer Energie aus Ketonkörpern beziehen, verlieren sie diese Fähigkeit mit der Umstellung auf kohlenhydratreiche Nahrung.

Ist das Gehirn zu vermehrter Ketolyse fähig, dann bevorzugt es aber Ketonkörper vor der Glucose.
Darauf zumindest schließen einige Studien, die das Verhalten des Gehirns beim Hungerstoffwechsel untersucht haben.

Die Verstoffwechslung der Glucose geschieht wie in allen Zellen über den Citratzyklus.
Die Glucose selbst gelangt über die Blut-Hirn-Schranke in den Kopf.
Anders als Sauerstoff kommt Glucose aber nicht einfach so durch die Barriere, sondern muss mithilfe der GLUT1-Transportern übersetzen.
Da das Gehirn nur etwa 1% der Speicherkapazität der Leber hat, muss dieser Transport beständig funktionieren.

Wie der gesamte Körper stellt sich auch das Gehirn nach längeren Perioden mit verminderter Kohlenhydratzufuhr um.
Die Aminosäuren Glutamin und Glutamat können dann zu α-Ketoglutarat und Oxalacetat umgewandelt und so in den Citratzyklus eingeschleust werden. Im Notfall wird hierfür auch Leucin benutzt.
Die Umstellung auf Ketonkörper erfolgt erst nach längerer Zeit, da hierzu auch bestimmte Enzyme benötigt werden.

Du siehst also, dass es durchaus möglich ist, den Stoffwechsel des Gehirns auf Ketonkörper umzustellen.
Aber diese Umstellung sollte vorsichtig und langsam vonstattengehen.

Optimale Energieversorgung für einen denkintensiven Tag

Egal ob du dein Gehirn mit Glucose oder Ketonkörpern versorgen möchtest, du musst die Besonderheiten des Gehirns berücksichtigen, wenn du einen Tag intensiv geistig arbeiten möchtest.

Da das Gehirn kaum Energie speichern kann, solltest du regelmäßig Nahrung zuführen, um keinen Engpass zuzulassen.

Hierbei ist Essen aber nicht gleich Essen.
Je leichter die Nahrung zu verdauen ist, desto weniger Energie wird im Darm dafür benötigt und desto mehr Energie bleibt fürs Denken übrig.
Ein angeschlagener Darm verbraucht dagegen einen Großteil der verwendeten Energie selbst.
Und eine schlechte Zusammensetzung der Darmflora hat sogar weitreichende Auswirkungen auf das Funktionieren des Gehirns.

Fast Food ist also nicht das Richtige. Es liegt nicht nur schwer im Magen, sondern ist auch schnell aufgebraucht.

Wenn das Gehirn aber Glucose braucht, dann sind Süßigkeiten doch genau richtig!
Leider falsch gedacht.
Der Zucker belastet nicht nur den Darm, der schnelle Anstieg an Insulin sorgt auch dafür, dass innerhalb kürzester Zeit die gesamte Glucose aus dem Blut in die Zellen transportiert wird.
Der Transport über die Blut-Hirn-Schranke erfolgt langsamer als der Transport in die vielen Fettzellen.

Die Konsequenz ist, dass der größte Teil der Energie im Fett gelagert wird und kaum etwas im Gehirn ankommt.
Nach kürzester Zeit musst du dann wieder neue Nahrung zu dir nehmen.
Das macht dick, aber bestimmt nicht schlau.

Und was sollst du dann essen?

Für einen wirklich denkintensiven Tag empfehle ich fünf bis sechs kleinere Mahlzeiten.
Sie sollten aus komplexen Kohlenhydraten wie Vollkorngetreide, Kartoffeln oder Hülsenfrüchten bestehen.
Dazu solltest du aber auch auf gesunde Fette und Proteine achten. Beide werden nicht nur zur Energieherstellung benutzt, sondern dienen auch als wichtige Bausteine für Nervenzellen und Transmitter.
Weil es den Magen so schön füllt ohne zu beschweren und weil die vielen sekundären Pflanzenstoffe auch direkt im Gehirn wirken, sollte mindestens die Hälfte deines Tellers aus einer bunten Mischung Gemüse oder Obst bestehen.

Das optimale Frühstück kennst du ja bereits.

Zusätzlich eignen sich mit Gemüse und gesunden Aufstriche belegte Vollkornbrote, bunte Gemüsepfannen oder leichte Suppen.

Auf welche Stoffe du genauer achten solltest, schauen wir uns im nächsten Artikel an.

 

Quellen & weiterführende Literatur

Löffler, G. & Petrides, P.: Biochemie und Pathobiochemie. 2003.

Heidelberg, R. & Thompson, F.: Das Gehirn: von der Nervenzelle zur Verhaltenssteuerung. 2001.

Butler, A. & Hodos, W.: Comparative Vertebrate Neuroanatomy. Evolution and Adaptation. 2005.

John, S. et al.: Normal neuroanatomical variation in the human brain: an MRI-volumetric study. In: American Journal of Physical Anthropology. Band 118, Nr. 4, 1. August 2002, S. 341–358.

Frederico, A. et al.: Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. In: The Journal of Comparative Neurology. Band 513, Nr. 5, 2009, S. 532–541.

Kranz, G. et al.: White matter microstructure in transsexuals and controls investigated by diffusion tensor imaging. In: Journal of Neurosciences. 2014 (46), S. 15466-15475.

Aiello, L. & Wheeler, P.: The Expensive-Tissue Hypothesis. The Brain and the Digestive System in Human and Primate Evolution. In: Current Anthropology, Band 36, Nr. 2, 1995, S. 199–221.

Pellerin, L. & Magistretti, P.: Glutamate uptake into astrocytes stimulates aerobic glycolysis: a mechanism coupling neuronal activity to glucose utilization. In: Proc Natl Acad Sci USA, 91, 1994, S. 10625–10629.

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