Eine fettreiche Ernährung kann unseren Körper aus dem Gleichgewicht bringen und zu Übergewicht sowie Erkrankungen wie Diabetes Typ 2 führen. Doch was bewirkt eine fettreiche Ernährung im Gehirn und wie beeinflusst das Gehirn selbst die Fettverbrennung? Dieser Artikel beleuchtet den komplexen Zusammenhang zwischen Fettverbrennung, Energieversorgung des Gehirns und den beteiligten hormonellen und neuronalen Prozessen.
Auswirkungen einer fettreichen Ernährung auf das Gehirn
Eine Forschungsgruppe um Jens Brüning vom Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung in Köln hat herausgefunden, dass eine fettreiche Ernährung bereits nach drei Tagen zu einer geringeren Zuckerversorgung des Gehirns bei Mäusen führt. „Eine fettreiche Diät senkt schon nach drei Tagen die Aufnahme des Blutzuckers Glukose in das Gehirn. Das Gehirn hungert also, obwohl die Mäuse täglich viele Kalorien zu sich nehmen. Verantwortlich dafür ist das Protein GLUT-1, welches der wichtigste Glukose-Transporter an der Blut-Hirn-Schranke ist“, erklärt Alexander Jais, Autor der Studie.
Mögliche Auslöser für die Rückbildung des GLUT-1 Transporters sind freie gesättigte Fettsäuren, die toxisch an der Blut-Hirn-Schranke wirken. Das Gehirn wirkt diesem Energiemangel entgegen, indem Makrophagen, spezialisierte Zellen des Immunsystems, den Wachstumsfaktor VEGF produzieren. Dieser steigert die Bildung von GLUT-1 und setzt ihn direkt an den Gefäßzellen der Blut-Hirn-Schranke frei. So lassen sich nach vier Wochen wieder normale Glukosespiegel im Gehirn messen, obwohl die Mäuse weiterhin fettreich essen. Fehlt den Mäusen VEGF, bleibt die Glukoseaufnahme in das Gehirn verringert.
Der Ausgleich des Zuckerbedarfs des Gehirns bei weiterhin fettreicher Ernährung funktioniert nur auf Kosten des restlichen Körpers. „Man spricht von dem egoistischen Gehirn, da es seinen Zucker dadurch bekommt, dass es den Appetit auf süße Nahrungsmittel anregt und die Zuckeraufnahme in Muskeln und Fett verhindert. Die Zellen in der Muskulatur werden dann resistent gegen das körpereigene Hormon Insulin, das normalerweise den Zucker in die Zellen schleust.
Der hohe Energiebedarf des Gehirns
Im Vergleich zu anderen Organen hat das Gehirn mit einem Anteil von nur zwei Prozent am Körpergewicht einen sehr hohen Energieverbrauch. Es verbrennt etwa 500 Kilokalorien bzw. 20 Prozent der Gesamtenergie am Tag. Dies liegt daran, dass das Gehirn rund um die Uhr aktiv ist und neuronale Aktivität, insbesondere die für höhere Hirnfunktionen, besonders viel Energie verbraucht.
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Speziell der Transport von Ionen und Botenstoffen ist sehr kostspielig, aber für eine funktionierende Signalübertragung 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 und sind daher auf die Glykogenspeicher der Astrozyten angewiesen, wenn nicht genügend Glucose im Blut zirkuliert.
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.
Sättigungsgefühl und äußere Einflüsse
Wann wir aufhören zu essen, hängt stark von äußeren Faktoren ab, wie der Größe der Portion, den Personen, die mit uns essen, oder parallel laufenden Fernsehsendungen. In einer Studie von Brian Wansink, Professor und Leiter des Cornell University Food and Brand Lab, aßen Probanden im Schnitt 73 Prozent mehr Tomatensuppe, wenn sich ihre Schüssel unbemerkt wieder auffüllte, ohne sich stärker gesättigt zu fühlen. Sie orientierten sich an der Größe der Schüssel, um abzuschätzen, wie viel Suppe sie gegessen hatten.
Energieverbrauch des Gehirns im Detail
Das Gehirn verbraucht etwa ein Fünftel der Energie, die wir essen und einatmen, obwohl es nur circa zwei Prozent des Körpergewichts ausmacht. Dies liegt daran, dass es rund um die Uhr aktiv ist und etwa ein Viertel der Energie für die Instandhaltung benötigt, wie die Bildung und den Transport von Proteinen sowie die Reparatur von DNA-Schäden.
Eine Milliarde Nervenzellen brauchen durchschnittlich sechs Kilokalorien pro Tag. Das Denkorgan mit circa 86 Milliarden Neuronen verbraucht im Schnitt etwa 516 Kilokalorien am Tag. Neben dem Haushalt betreiben Nervenzellen eine komplexe und teure Form der Signalübertragung durch den Transport von Ionen und Botenstoffen über die Zellmembranen. Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert die Ionen wieder auf die „richtige“ Seite der Zellmembran und benötigt dafür mehr als die Hälfte der dem Gehirn zur Verfügung stehenden Energie.
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Die größten Energiefresser sind die Synapsen, an denen nicht nur die Natrium-Kalium-Pumpe, sondern auch die Transportsysteme für andere Ionen sowie Botenstoffe arbeiten. Bei höheren Hirnleistungen oszillieren Nervenzellen der beteiligten Gehirnregionen im selben Takt, wobei Gamma Oszillationen von einer Frequenz zwischen 30 und 100 Hz besonders kostspielig sind. Studien zeigten, dass sie im Vergleich zum „Ruhemodus“ circa doppelt so viel Energie verbrauchen.
Der Treibstoff aller Zellen heißt Adenosintriphosphat (ATP), das von Mitochondrien aus Glucose hergestellt wird. Mitochondrien werden zu den Synapsen transportiert, um genau dort Energie zu produzieren, wo sie gebraucht wird. Aus einem Molekül Glucose generieren Mitochondrien mit Hilfe von Sauerstoff etwa 38 Moleküle ATP. Eine Synapse braucht im Schnitt 24.000 ATP-Moleküle, um einen Informationsgehalt von einem Bit zu übertragen. Ein Neuron braucht insgesamt etwa 3,3 Milliarden Glucosemoleküle pro Minute, das ganze Gehirn damit 129 Gramm pro Tag.
Nervenzellen können die Glucose nicht speichern, aber Astrozyten speichern sie in Form von Glykogen und geben sie in Form von Laktat an Neurone weiter, um die neuronale Aktivität bei Sauerstoff- und Glucoseknappheit aufrechtzuerhalten.
Hunger und Sättigung: Das Hormonsystem im Zusammenspiel
Damit unser Gehirn mit genügend Glucose versorgt wird, sorgt das Hormon Ghrelin, welches von Zellen des Magens ausgeschüttet wird, für das Gefühl von Hunger. Es gelangt 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.
Die Menge, Häufigkeit und Zusammensetzung der aufgenommenen Nahrung 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. Dieser Prozess ist komplex und noch nicht vollkommen verstanden, aber ein erstes Signal kommt durch die Spannung der Magenwand, die von Mechanorezeptoren gemessen wird. Um ein Sättigungsgefühl auszulösen, sind aber noch chemische Signale notwendig, wie etwa ein erhöhter Insulin-Spiegel. Auch die Augen entscheiden mit, wann wir satt sind.
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Das Hormon Leptin, welches größtenteils von Fettzellen freigesetzt wird, signalisiert 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.
Hormone und Gewichtsreduktion
Die richtige Ernährung und erhöhte körperliche Aktivität sind wichtige Basismaßnahmen bei einer Gewichtsreduktion. Häufig vernachlässigt wird jedoch die Rolle unserer Hormone. Es gibt eine Vielzahl an Hormonen mit etlichen Aufgaben, wie z.B der Beeinflussung relevanter Stoffwechselprozesse, des Hunger- und Sättigungsgefühls oder auch der Fettverbrennung.
Insulin, produziert in der Bauchspeicheldrüse, senkt den Blutzucker und wird ausgeschüttet, wenn unser Blutzuckerspiegel steigt. Es hemmt die Fettverbrennung und fördert die Fettspeicherung. Bei konstant hohen Insulinspiegeln erschwert es uns die Gewichtsreduktion.
Leptin, das „Sättigungshormon“, wird hauptsächlich in den Fettzellen produziert und signalisiert dem Gehirn, dass der Körper genug Energie gespeichert hat. Eine gesunde Leptinregulation ist wichtig für das Sättigungsempfinden. Bei übergewichtigen Menschen kann es zu einer Leptinresistenz kommen, was zu einem gesteigerten Hungergefühl und somit zu Überessen führen kann.
Ghrelin, das „Hungerhormon“, wird vor allem im Magen produziert und signalisiert dem Gehirn, dass wir Hunger haben. Bei einem erhöhten Ghrelinspiegel kann es dazu kommen, dass wir häufiger Hunger verspüren und mehr Energie aufnehmen, als unser Körper benötigt. Außerdem hemmt Ghrelin die Fettverbrennung und erhöht zudem die Fettspeicher.
Cortisol, das „Stresshormon“, wird von den Nebennieren als Reaktion auf Stress ausgeschüttet. Permanent hohe Cortisolspiegel führen häufig zu einer Gewichtszunahme, insbesondere im Bauchbereich.
Schilddrüsenhormone beeinflussen den Stoffwechsel. Bei einer Unterfunktion der Schilddrüse werden die Hormone nur unzureichend gebildet, was zu einer Verlangsamung des Stoffwechsels führt.
Östrogen und Progesteron, die primären weiblichen Geschlechtsorgane, beeinflussen ebenfalls das Gewicht. Bei einem Mangel an Östrogenen kann es beispielsweise zu einer Verschlechterung der Insulinsensitivität und des Fettstoffwechsels kommen.
Übergewicht und Lebenserwartung
Übergewicht ist eine globale Epidemie, die die Lebenserwartung nachweislich um mehr als zehn Jahre verkürzt. Laut Robert-Koch-Institut sind in Deutschland knapp 70 Prozent der Männer und gut jede zweite Frau übergewichtig.
Kalorienbilanz und Stoffwechsel
Die einfache Gleichung Übergewicht = mehr Kalorien gegessen als verbrannt trifft für viele Übergewichtige nicht zu. Es gibt viele Menschen, die täglich mehr essen als sie an Energie verbrennen und trotzdem schlank sind.
Auch das Gesetz, wer sich täglich bewegt, wird schlank, gerät durch neuere Studien ins Wanken. Bewegung als Kalorienburner wird demnach weitaus überschätzt. Nicht ein bisschen Freizeitsport verbrennt viele Kalorien, sondern in Wirklichkeit ist unser Gehirn ein echter Energiefresser. Es verbraucht rund ein Viertel der Gesamtenergie - obwohl das Gehirn nur zwei Prozent des Körpergewichts ausmacht.
Einfluss von Lebensmitteln auf den Abnehm-Erfolg
Bestimmte Nahrungsmittel sind mit Gewichtszunahme verbunden, andere mit -verlust. Studien haben gezeigt, dass folgende Lebensmittel besonders rasch zu Übergewicht führen:
- Kartoffeln (egal, ob gekocht oder frittiert)
- Weißmehlprodukte
- Zucker
Dagegen unterstützen das Abnehmen:
- Gemüse
- Obst
- Nüsse
- Joghurt
Ballaststoffe, wie sie Gemüse, Obst und Nüsse reichlich liefern, machen Kalorien unschädlich, da der Körper sie ungenutzt ausscheidet.
Stoffwechsel und Gene
Stoffwechsel, Sättigungsgefühl, Hunger und die Anzahl der Fettzellen sind nicht grundsätzlich beeinflussbar. Vieles in diesem komplizierten Zusammenspiel ist anlagebedingt.
Gehirn auf die richtigen Lebensmittel programmieren
Mit der richtigen Ernährung verändert sich der Appetit. Die Lust auf gesunde Kost, die eher schlank macht als dick, nimmt dadurch zu: auf ballaststoffreiche Lebensmittel wie Obst, Gemüse, Vollkornprodukte und eiweißreiche wie Fisch, Geflügel und Joghurt. Der Appetit auf Pizza, Burger, Pommes und Süßigkeiten schwindet.
Fettverbrennung durch Umwandlung von Fettzellen
Ein Team unter Federführung von Wissenschaftlern aus Turin und Bonn hat herausgefunden, wie der Sympathikus den Energiehaushalt reguliert und für mehr Fettverbrennung sorgt. Eine wichtige Rolle spielt der Melanocortin 4-Rezeptor im zentralen Nervensystem, der als zentraler Regler sowohl den Appetit als auch den Energieverbrauch beeinflusst.
Der Melanocortin 4-Rezeptor-Signalweg steuert auch die Umwandlung der weißen in braune Fettzellen. In Mäusen schalteten die Wissenschaftler die Gene für die Enzyme PI3Kbeta und PI3Kgamma stumm, was zu einer Überaktivierung des Sympathikus und einer höheren Fettverbrennung führte. Die Mäuse verloren binnen zehn Tagen rund zehn Prozent ihrer Fettmasse.
Die Rolle von sensorischen Neuronen im Fettgewebe
Forscher haben entdeckt, dass sensorische Neuronen im Fett Nachrichten an das Gehirn senden, die wiederum der Steuerung von Entwicklungsprozessen in dem Gewebe dienen. Wenn das Gehirn keine sensorischen Informationen aus dem Fettgewebe mehr empfängt, dominieren Programme, die vom sympathischen Nervensystem kontrolliert werden. Konkret kam es bei den Mäusen zur Bildung von Fettpolstern mit besonders hohem Anteil an braunen Fettzellen.
Insulin-Sensitivität des Gehirns und Fettverteilung
Wo sich Fett im Körper anlagert und wie stark man von einer Lebensstil-Intervention profitiert, hängt unter anderem von der Insulin-Sensitivität des Gehirns ab. Reagiert das Gehirn empfindlich auf das Hormon, nimmt man deutlich ab, reduziert ungesundes Bauchfett und kann auch langfristig das Gewicht halten.
Studien haben gezeigt, dass Menschen mit einer hohen Insulin-Sensitivität im Gehirn deutlich stärker von einer Lebensstil-Intervention mit einer ballaststoffreichen Ernährung und Sport profitieren als Menschen mit einer Insulin-Resistenz im Gehirn.
Insulin und Neurotransmittersysteme
Neuere Daten fanden einen Einfluss von Insulin auf zentrale Neurotransmittersysteme. Insulinresistenz und Hypoinsulinämie scheinen vor allem das glutamaterge sowie das dopaminerge System zu beeinflussen mit Beeinträchtigungen der synaptischen Plastizität und der Funktion von Glutamatrezeptoren.
Mikronährstoffe und Ernährung
Mikronährstoffe wie Polyphenole, Omega-3-Fettsäuren, einzelne Vitamine sowie Ballaststoffe und deren präbiotische Aktivität, aber auch antientzündliche diätetische Maßnahmen beeinflussen wohl Biomarker und molekulare Mechanismen, die bei psychischen Erkrankungen, insbesondere affektiven Störungen, eine Rolle spielen. Eine pflanzenbetonte, ballaststoffreiche, wenig verarbeitete und vollwertige - naturnahe - Ernährung beeinflusst über Biomarker molekulare Mechanismen und das Mikrobiom kognitive Funktionen und mentale Gesundheit positiv.
Zucker und das Belohnungssystem
Durch wiederholte Aufnahme von hochverdichteten Kohlenhydraten insbesondere in Kombination mit Fett kommt es zur Dopaminausschüttung als Schlüsseltransmitter im Rewardsystem, letztlich aber auch dadurch zu Veränderungen der Dopaminrezeptoraktivität, was mit einer veränderten Belohnungsverarbeitung und Sensibilität einhergehen kann und das Verlangen nach Zucker/Fett steigert. Langfristig kann dies zu einer Desensibilisierung des dopaminergen Regelkreislaufs führen, bei der mehr Nahrung benötigt wird, um das gleiche Belohnungsgefühl zu erzielen.
Leptin und das Belohnungssystem
Weitere Daten weisen darauf hin, dass es einen Zusammenhang zwischen Leptin und der Aktivierung von Belohnungswegen im Gehirn als Reaktion auf Nahrungsmittelreize gibt.
Insulin im Gehirn
Obwohl Insulin oft ausschließlich mit einer peripheren Wirkung im Körper in Verbindung gebracht wurde, haben mehrere Studien gezeigt, dass Insulin auch im Gehirn eine wichtige Rolle spielt, da es das Sättigungsgefühl über den Hypothalamus reguliert und Insulinrezeptoren u. a. auch in der Hippokampus-Amygdala-Region exprimiert werden.
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