Zu wissen, wann es Zeit für eine Mahlzeit ist - und wann man wieder aufhören sollte zu essen - ist wichtig für die Gesundheit und das Überleben von Menschen und Tieren. Unser Gehirn spielt dabei eine zentrale Rolle, indem es komplexe Netzwerke aus biologischen Schaltkreisen und Signalwegen nutzt, um unser Essverhalten zu steuern und die damit verbundenen Empfindungen auszulösen.
Die Rolle des Hormons Ghrelin
Einer der zentralen Akteure in diesem Netzwerk ist das Hormon Ghrelin. Es wird von Magenzellen freigesetzt, wenn Menschen und Tiere hungrig sind oder fasten, und fördert das Fressverhalten. Forschende am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz fanden nun heraus, dass das "Hunger-Hormon" Ghrelin spezialisierte Nervenzellen in der Amygdala von Mäusen aktiviert. Hunger ist ein starkes Gefühl mit einer wichtigen biologischen Funktion. Es signalisiert dem Körper, dass er nach Nahrung suchen sollte, um das eigene Überleben zu sichern. Wenn wir hungrig sind, sehnen wir uns nach Nahrung und wenn wir essen, belohnt uns unser Körper mit angenehmen Gefühlen und einem allgemeinen Glückszustand.
Die Amygdala im Visier
Die Abteilung von Rüdiger Klein am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz untersucht die Gehirnnetzwerke, die dem Fressverhalten von Mäusen zugrunde liegen. Zu diesem Zweck haben die Forscherinnen und Forscher eine gründliche Analyse der Zelltypen in einer Gehirnregion durchgeführt, die als zentrale Amygdala bekannt ist. Bisher wurde die Amygdala vor allem im Zusammenhang mit Gefühlen wie Angst und Belohnungsempfinden untersucht. Es wurde angenommen, dass die Regulation des Fressverhaltens in anderen Gehirnbereichen stattfindet, etwa im Hypothalamus. Die Analyse ergab, dass die Zellen in neun verschiedenen Zellclustern organisiert sind. Einige dieser Cluster fördern den Appetit, während andere ihn hemmen. Zudem passen die Zellen ihre Produktion von mRNAs an, wenn die Mäuse gefüttert werden oder fasten.
Ghrelin und die Htr2a-Neurone
Die Forschung zeigt zum ersten Mal, dass das Hunger-Hormon Ghrelin auch auf Zellen in der zentralen Amygdala wirkt. Dort aktiviert es eine kleine Untergruppe von Zellclustern, die gemeinsam durch die Anwesenheit des Proteins Htr2a gekennzeichnet sind, um die Nahrungsaufnahme zu steigern. Das Team fand heraus, dass die Htr2a-Neurone nach mehrstündigem Fasten oder bei Anregung durch das Hormon Ghrelin aktiv wurden. Die Zellen reagierten auch, wenn die Forschenden den Mäusen Nahrung vorsetzten. Wenn Mäuse hungrig sind, aktiviert Ghrelin die appetitanregenden Hirnregionen, um die Tiere zum Fressen zu animieren. Außerdem steigert das Hormon die Aktivität in Gehirnarealen wie der Amygdala, die Belohnungsgefühle vermitteln. Das ist wahrscheinlich ein Anreiz, noch mehr zu fressen. Auf diese Weise erhöht Ghrelin die Schmackhaftigkeit der Nahrung in Abhängigkeit davon, wie gesättigt die Mäuse gerade sind. Wenn die Tiere nach einer Fastendiät hungrig waren, war die Aktivität der Htr2a-Neuronen allerdings nicht erforderlich, damit die Mäuse mit dem Fressen begannen - die Forschenden vermuten, dass der Geschmack der Nahrung unter diesen Bedingungen eher nebensächlich ist. In diesem Fall übernehmen andere Schaltkreise im Gehirn die Kontrolle, um den Stoffwechsel des Körpers zu regulieren. Unter anderem der Hypothalamus signalisiert den Mäusen dann, dass es wichtig ist zu fressen, um zu überleben.
Autophagie: Wenn das Gehirn das Recycling startet
Fasten löst Recycling in den Zellen, die sogenannte Autophagie, aus. Dadurch kann unser Körper seine Zellen selbständig reinigen und neue Energie gewinnen. Es wird angenommen, dass das gesundheitsfördernd ist und den Körper jung hält. Forschende des Max-Planck-Instituts für Stoffwechselforschung in Köln haben jetzt an Mäusen gezeigt, dass das Gehirn bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle spielt. Schon nach einer kurzen Fastenzeit löst das Gehirn die Ausschüttung des Hormons Corticosteron aus und leitet damit die Autophagie in der Leber ein. Bisher ging man davon aus, dass vor allem die Leberzellen selbst dafür verantwortlich sind. Langfristig könnten uns diese Erkenntnisse helfen zu verstehen, warum Fasten so gesund für den Körper ist.
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Wie das Gehirn mit der Leber kommuniziert
Wenn der Energielevel niedrig ist, lösen die Nervenzellen die Ausschüttung des Hormons Corticosteron aus, welches dann die Aktivierung der Autophagie in den Leberzellen anregt. Sie konnten auch die genauen Wege, die das Signal im Gehirn zurücklegt, im Detail aufklären und so feststellen, welche Nervenzellen an dem Prozess beteiligt sind. Außerdem zeigten sie, dass die Blockierung dieser Signalübertragung dazu führt, dass die Autophagie trotz Fasten nicht einsetzt. Die Forschenden gehen davon aus, dass das Gehirn das erste Startsignal gibt, um die Autophagie schnell einzuleiten. Sie nehmen an, dass die Zellen in der Leber das Recyclingsystem auch selbst in Gang setzen würden, allerdings erst zu einem späteren Zeitpunkt.
Wenn Diäten zum Problem werden: Die Rolle der Selbstverdauung im Gehirn
Diäten sind oft schwer einzuhalten. Und US-Forscher präsentieren nun eine ungewöhnliche Erklärung dafür, warum das eigentlich so ist: Wenn Menschen aufs Essen verzichten, beginnen demnach bestimmte Gehirnzellen damit, Teile ihrer selbst zu verdauen. Das löst nach Angaben der Wissenschaftler ein Hungersignal aus. Und dieses wiederum drängt uns zum Essen, schreiben die Forscher im Fachmagazin "Cell Metabolism". Für ihre Studie hatten die Wissenschaftler Zellkulturen studiert und die Vorgänge in Gehirnen von Mäusen untersucht, nachdem diese zwölf Stunden gehungert hatten. Einige Zellen des Hypothalamus - des Kontrollzentrums für unwillkürliche Körperprozesse - reagierten auf die Hungerkur mit einer Selbstverdauung. Dieser als Autophagozytose bezeichnete Prozess findet zu einem gewissen Grad ständig im Körper statt: Zellen bauen auf diese Weise alte Bestandteile ab. Zusätzlich kann der Körper den Mechanismus in Hungersituationen anwerfen. Dann verwertet die Zelle eigene Strukturen, um Energie zu gewinnen. Dies ist unter anderem von Muskelzellen bekannt. Nun wurde der Prozess auch bei bestimmten Nervenzellen im Hypothalamus von Mäusen nachgewiesen. Dieser Prozess finde vermutlich in ähnlicher Form auch beim Menschen statt, vermuten die Wissenschaftler um Susmita Kaushik vom Albert Einstein College of Medicine in New York City.
Der Teufelskreis von Überessen und verändertem Energiehaushalt
Der Auslöser für die Selbstverdauung der Gehirnzellen sind der Studie zufolge freie Fettsäuren. Diese gelangen in den Blutkreislauf, wenn der Körper die Fettreserven angreift. Doch auch nach dem Essen fettreicher Nahrung reichern sie sich im Blut an. In einem Zellkultur-Experiment belegten die Forscher, dass Nervenzellen des Hypothalamus solche freien Fettsäuren in ihr Inneres aufnehmen. Dort angekommen, lösen die Fettsäuren den Abbau einiger Zellbestandteile aus - eben die Autophagozytose. Dadurch wiederum produzieren die Nervenzellen größere Mengen eines Botenstoffs, der das Hungergefühl fördert. Wenn ein Mensch ständig sehr fettes Essen zu sich nimmt, könnte dieser Mechanismus einen wahren Teufelskreis von Überessen und verändertem Energiehaushalt in Gang setzen, schreiben die Wissenschaftler.
Die Reaktion des Gehirns auf Kalorienreduzierung
Aus der Perspektive des Gehirns gibt es keinen Unterschied: Jede Nahrungsverknappung wird als Energiekrise begriffen. Das gilt für eine Hungersnot genauso wie für ein freiwilliges Abnehmprogramm. Bei jeder Kalorienreduzierung droht eine Energieunterversorgung des Gehirns. Um das abzuwenden, aktiviert das Gehirn das Stresssystem. Solange sich dieses System im Alarmzustand befindet, bleibt das Cortisol im Körper erhöht. Folge: Das Fettgewebe wird umgebaut - Fett wird etwa aus dem Gesicht abgezogen und im Bauchfett angelagert.
Die Brain-Pull-Störung
Im Normalfall zieht das Gehirn seine Energie aus den Körperdepots (Fett, Muskeln). Ist diese Fähigkeit (Brain-Pull) gestört, gelingt das dem Gehirn immer seltener. Es ist also auf die Energie angewiesen, die nach einer Mahlzeit als Glucose im Blut zirkuliert. Folge: Das Gehirn verlangt nach immer mehr Nahrung. Das Stresssystem wird immer dann vom Gehirn aktiviert, wenn eine Energiekrise droht - also auch bei einer Diät. Während einer Diät kann das Stresssystem deshalb nicht in seine Ruhelage zurück - und das bedeutet, dass die Werte des Stressdämpfungshormons Cortisol in diesem Zeitraum ständig erhöht sind. Was wiederum Folgen hat: Zu viel Cortisol lässt das Körpergewebe altern und führt zu starken Stimmungsschwankungen - bis hin zur Depression. Diäten, also Energiemangel, gehen nicht spurlos am Gehirn vorüber. Es gelingt ihm zwar, gerade noch so viel Energie abzuzweigen, dass es nicht existenziell bedroht ist. Aber: Es nimmt Einsparungen vor. Es fährt alle Systeme herunter, die nicht überlebenswichtig sind: Die Konzentration nimmt ab, man wird müder.
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Der Body-Pull als Lösungsstrategie
Wenn der Brain-Pull nicht mehr intakt ist, braucht das Gehirn einen Plan B, um genug Energie zu bekommen. Es stellt auf das Prinzip des Body-Pulls um: Die vom Gehirn benötigte Glucose wird nicht mehr primär aus den Körperdepots bezogen, sondern direkt aus dem durch eine Mahlzeit erhöhten Blutzucker. Der Body-Pull ist also eine Lösungsstrategie des Gehirns, um der Energiekrise entgegenzuwirken. Dass man dabei dicker wird, ist eine Nebenwirkung.
Hungrig einkaufen: Eine schlechte Idee
Wer mit leerem Magen Lebensmittel einkaufen geht, kauft oft mehr als er:sie tatsächlich braucht. Aber das ist nicht alles. Wer hungrig einkauft, kauft ungesünder. Ein Forschungsteam um die Psycholog:innen Jennifer March und Sebastian Guth ließ im Rahmen eines entsprechenden Experiments satte und hungrige Testpersonen die Wahl zwischen verschiedenen Lebensmitteln. Die Ergebnisse zeigten, dass schon ohne Hungergefühl eher zu den optisch und geschmacklich ansprechenderen Lebensmitteln gegriffen wurde. Bei denjenigen mit leerem Magen war zudem festzustellen, dass die auf den Lebensmittelpackungen angebrachten Hinweise wie der Nutri-Score, kaum mehr beachtet wurden. Entsprechend konstatiert March, Doktorandin im Arbeitsbereich Allgemeine Psychologie der Universität Hamburg, dass „Hunger die Gewichtung von Informationen im Entscheidungsprozess verändert“.
Appetitlosigkeit: Wenn das Gehirn auf Übelkeit reagiert
Eine Forschungsgruppe vom Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz hat untersucht, wie unser Gehirn unseren Appetit dämpft, wenn es uns schlecht geht. In dieser Region befinden sich Nervenzellen, die das Essen fördern und solche, die den Appetit zügeln. Ein bekannter, hemmender Zelltyp wird etwa bei Sättigung aktiviert - doch wie das bei anderen Gründen für ausbleibenden Hunger aussieht, war bisher nur unzureichend untersucht. Anders als bei dem bereits bekannten Zelltyp werden diese Zellen nicht bei Sättigung, sondern durch Übelkeit aktiviert. Schalteten die Forschenden die Zellen künstlich an, hörten selbst hungrige Mäuse auf zu essen. Ist der Maus schlecht, erreicht diese Information das Gehirn und schließlich die Amygdala. Dort wird der bislang unbekannte Zelltyp aktiviert und sendet seine hemmenden Signale in weit entfernte Gehirnregionen wie dem parabrachialen Nucleus. Appetitlosigkeit bei Sättigung ist demnach nicht gleich Appetitlosigkeit bei Übelkeit. Im Gehirn sind dafür unterschiedliche Zellen verantwortlich.
Energiedichte und Sättigung
Ein große Rolle bei der Frage, wie viel (oder sogar zu viel) wir essen, spielt die Energiedichte. Sie gibt an, wie viele Kalorien ein Lebensmittel pro Gramm hat. Fetthaltige Lebensmittel haben zwar eine große Energiedichte - machen dadurch aber nicht automatisch lange satt. Im Gegenteil: Wer auf sein Gewicht achten möchte, sollte vermehrt zu Lebensmitteln mit niedriger Energiedichte greifen - sie enthalten oft wenig Fett, aber viel Wasser, haben entsprechendes Volumen und vermitteln dadurch ein Sättigungsgefühl. Ballaststoffe haben durch ihr Volumen einen mechanischen Sättigungseffekt - sie dehnen den Magen, aber auch den gesamten Dünndarm.
Die Rolle von Eiweißen
Fleisch, Fisch, Milchprodukten und Hülsenfrüchten wird ein besonders hohes Sättigungspotenzial zugeschrieben. Warum, ist noch nicht abschließend erforscht. Der Physiologe Wolfgang Langhans von der ETH Zürich erklärt, dass es vermutlich mehrere Gründe für den Sättigungseffekt von Eiweißen gibt: Zum einen stimulieren Proteine, also Eiweiße, die Bildung von Sättigungshormonen. Außerdem tragen sie dazu bei, dass Ketonkörper in der Leber gebildet werden - diese Ketonkörper werden als Energiequelle genutzt und haben ebenfalls einen sättigenden Effekt. Ein weiterer Grund: Einzelne Aminosäuren, vor allem das Leucin, haben einen vergleichsweise schnellen Einfluss auf die Bildung von Neurotransmittern, die "Sättigung" ans Gehirn melden. Ein weiterer Vorteil von Eiweißen: Ihre Verdauung verbraucht besonders viel Energie.
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Die Evolution des menschlichen Gehirns und der Fleischkonsum
Ohne die Ausweitung des Fleischkonsums vor zwei Millionen Jahren wäre aus dem raschen Hirnwachstum der Gattung Homo nichts geworden. Der Energiebedarf von Gehirngewebe ist rund 16-mal so groß wie der von Skelettmuskulatur. Die Evolution größerer Menschengehirne konnte daher nur stattfinden durch das Umsteigen auf eine hinreichend qualitätvolle Ernährung - mit energiereichen Früchten und mit Fleisch. Menschen investieren einen viel größeren Teil ihres täglich verfügbaren Energiebudgets in die Versorgung ihres Gehirns als irgendein anderes Säugetier. 20 bis 25 Prozent des sogenannten Grundumsatzes beim Erwachsenen fließen in den Hirnstoffwechsel. Zum Vergleich: Bei anderen Primaten sind es 8 bis 10 Prozent, bei sonstigen Säugetieren 3 bis 5. Um den hochtourigen Rennmotor unter seinem Schädeldach energetisch finanzieren zu können, muss der Mensch sozusagen stets Super tanken.
Anpassungen an eine energiereiche Ernährung
Menschen haben für ihre Körpergröße einen relativ kleinen Dickdarm und großen Dünndarm. Unser Verdauungstrakt ähnelt dem von Fleischfressern - eine Anpassung an leicht verdauliche, energiereiche Kost. Sie bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die Angehörigen der Gattung Homo bloß kleine Nahrungsmengen benötigen, um ihren Bedarf an Kalorien und Nährstoffen zu decken. Schon Homo erectus besaß den kleinen, kurzen Dickdarm des heutigen Menschen. Der Erectus-Mensch nahm eine deutlich gehaltvollere Nahrung zu sich als seine Vorläufer, um sein größeres Gehirn sattzukriegen.
Schlüsselfettsäuren für das Gehirnwachstum
Ein wachsendes Denkorgan muss ausreichend mit bestimmten „Schlüsselfettsäuren“ versorgt werden, damit überhaupt neues Gehirngewebe entstehen kann. Cordain nennt hier die langkettigen, vielfach ungesättigten Verbindungen Docosahexaen- und Arachidonsäure, kurz DHA und AA. Der Säugetier-Organismus kann sie nur begrenzt durch Umbau aus anderen Substanzen herstellen - also muss er sie über die Nahrung aufnehmen. Muskel- und Organgewebe der wild lebenden Wiederkäuer haben mittlere bis hohe Mengen von beidem gespeichert. Besonders viel findet sich in Gehirn und Leber der Tiere.
Die Rolle der kulturellen Entwicklung
Bessere Ernährung war damals eine notwendige Bedingung für das Gehirnwachstum, aber nicht die Ursache. Bei der Gattung Homo, körperlich schwach gerüstet, hat sich eine kulturelle Lösung durchgesetzt: kooperierende, arbeitsteilige Gruppen mit Werkzeugherstellung und Werkzeuggebrauch.
Körperfett als Energiereserve für das Gehirn
Verglichen mit anderen Säugetieren haben Menschen einen geringeren Anteil an Muskelmasse und einen höheren Anteil an Körperfett. Weil Fettgewebe weniger Energie verbraucht als das aktivere Muskelgewebe, steht beim Menschen mehr Nahrungsenergie für das Gehirn zur Verfügung. Und: Das Fett schafft in Zeiten knapper Nahrung Versorgungssicherheit fürs Gehirn. Aus diesem Grund sind Menschenbabys viel fetter als die Jungen anderer Säugetierarten: Sie sollen kurze Notzeiten überbrücken können, ohne dass ihr Gehirnwachstum ins Stocken kommt.
Heißhunger und das Gehirn
Manche Menschen sind ständig hungrig. Das hungrige Gehirn scheint bei diesen Menschen wie blockiert zu sein. Es braucht, weil das ausgeschüttete Insulin die Fettverbrennung zu sehr drosselt. Es ist besser, damit sich der Körper besser beim Körperfett bedienen kann. Es ist auch ratsam, bei intensiven Denkprozessen viel Wasser zu trinken, damit sich der Körper besser beim Körperfett bedienen kann.
Süßigkeiten und Endorphine
Heißhunger nach Süßigkeiten oder anderen Kohlenhydraten ist oft sehr stark, so dass sie sich ihm kaum bewusst widersetzen können. Wenn man sie isst, wird man durch Endorphine belohnt, die Wohlbefinden auslösen. Sie können auch Schmerzen stillen.