Die Physiologischen Bedürfnisse des Gehirns: Ein umfassender Überblick

Einführung

Das Gehirn, das komplexeste Organ des menschlichen Körpers, ist für eine Vielzahl von Funktionen verantwortlich, von grundlegenden Überlebensinstinkten bis hin zu höheren kognitiven Prozessen. Um diese Funktionen optimal ausführen zu können, benötigt das Gehirn eine spezifische Kombination physiologischer Bedingungen und Nährstoffe. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Bedürfnisse des Gehirns und wie diese erfüllt werden können, um seine Gesundheit und Leistungsfähigkeit zu gewährleisten.

Neuronale Schaltkreise und adaptive Verhaltensweisen

Angstüberwindung durch Leptin

Ein Forschungsteam der Universität zu Köln und der Uniklinik Köln hat einen neuronalen Schaltkreis im Gehirn identifiziert, der Angst entgegenwirkt und ausgeglichenes Verhalten wiederherstellt. Die Studie, veröffentlicht in Nature Neuroscience unter dem Titel “A lateral hypothalamic neuronal population expressing leptin receptors counteracts anxiety to enable adaptive behavioral responses”, unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr. Tatiana Korotkova, Direktorin des Instituts für Systemische Physiologie der Universität zu Köln und Principal Investigator am Exzellenzcluster für Alternsforschung CECAD, zeigt, wie das Gehirn lebensnotwendige Verhaltensweisen wie Erkundung, Nahrungsaufnahme und die Begrenzung angstbedingter Hyperaktivität ermöglicht.

Das Hormon Leptin, das im Fettgewebe produziert wird, reguliert im Gehirn den Energiehaushalt und beeinflusst Appetit und Essverhalten. Es wirkt auf Nervenzellen, die über Leptin-Rezeptoren verfügen, von denen sich viele im lateralen Hypothalamus befinden, einer Gehirnregion, in der Stoffwechselsignale zusammenlaufen und das Essverhalten reguliert wird.

Experimentelle Ergebnisse

Mithilfe von Miniaturmikroskopen visualisierten die Forschenden die Aktivität einzelner Nervenzellen, während Mäuse verschiedene Umgebungen erkundeten und spontane Verhaltensweisen zeigten. Rebecca Figge-Schlensok, Doktorandin an der Universität zu Köln, erklärte, dass die Leptin-sensitiven Nervenzellen immer dann aktiv wurden, wenn die Tiere sich trauten, von selbst in exponierte Bereiche einzutreten oder sich dort Nahrung näherten. Die Verstärkung der Aktivität dieser Nervenzellen führte dazu, dass die Mäuse mehr erkundeten und in herausfordernden Situationen fressen konnten, was darauf hindeutet, dass dieser Schaltkreis hilft, die Angst zu überwinden und adaptives, zielgerichtetes Verhalten zu unterstützen.

Rolle des präfrontalen Kortex

Die Studie zeigt auch, dass Eingänge aus dem präfrontalen Kortex diesen angstlindernden hypothalamischen Schaltkreis selektiv bei ängstlicheren Tieren dämpfen. Dies verknüpft kognitive Kontrollregionen mit der hypothalamischen Steuerung emotionaler Zustände. Dr. Anne Petzold, Gruppenleiterin am European Neuroscience Institute in Göttingen, erläuterte, dass die Aktivität dieser Leptin-sensitiven Nervenzellen nicht nur den aktuellen Zustand abbildet, sondern auch vorhersagt, wer sich in einer angstauslösenden Situation stark oder weniger stark ängstlich verhalten wird. Ein verstärkter Input aus dem präfrontalen Kortex liefert einen mechanistischen Ansatz dafür, warum ängstlichere Individuen diesen angstlindernden Schaltkreis nicht ausreichend aktivieren.

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Therapeutisches Potenzial bei Anorexia nervosa

Angst hat klare klinische Auswirkungen, insbesondere bei Anorexia nervosa. Um das therapeutische Potenzial der angstlindernden, Leptin-sensitiven Nervenzellen bei Anorexia nervosa zu untersuchen, nutzte das Team ein präklinisches Krankheitsmodell: das Aktivitätsbasierte Anorexiemodell. In diesem Modell entwickeln Mäuse mit zeitlich begrenztem Zugang zu Nahrung und frei zugänglichen Laufrädern spontan einen übermäßigen Bewegungsdrang. Eine Verstärkung der Aktivität Leptin-sensitiver Nervenzellen im lateralen Hypothalamus reduzierte die übermäßige Bewegung auf Basiswerte und entkoppelte Angst von kompensatorischem Laufen.

Implikationen für die Arzneimittelentwicklung

Studienleiterin Prof. Korotkova betonte, dass Anorexia nervosa die höchste Mortalitätsrate unter allen psychiatrischen Störungen aufweist und es bis heute keine wirksame pharmakologische Behandlung gibt. Die Identifizierung eines Leptin-sensitiven hypothalamischen Schaltkreises, der angstgetriebenen Bewegungsdrang bremst, ohne normale Aktivität zu unterdrücken, könnte ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen emotionalem Zustand und Energiebilanz im Gehirn sein und somit die Grundlage für klinische Translation und Arzneimittelentwicklung bieten. Da die neuronalen Schaltkreise im Hypothalamus zwischen Maus und Mensch evolutionär konserviert sind, kann die Entschlüsselung Leptin-sensitiver Mechanismen im lateralen Hypothalamus eine Grundlage für klinische Translation und Arzneimittelentwicklung bieten.

Das Belohnungssystem des Gehirns

Die Rolle von Dopamin

Das Belohnungssystem im Gehirn ist ein weit verzweigtes Netz aus Hirnarealen und Neuronen, das eine zentrale Rolle bei der Motivation und dem Verlangen spielt. Es funktioniert wie ein Schaltkreis: In der Großhirnrinde entsteht ein Verlangen, und wenn diesem nachgegeben wird, gehen Signale unter anderem an das limbische System und den Hippocampus und zuletzt an die Großhirnrinde - als Rückmeldung, dass der Befehl ausgeführt wurde. Der wichtigste Mitspieler in diesem System ist Dopamin, das Verlangen und Belohnungserwartung generiert und somit ein wichtiger Motivator ist.

Veränderungen im Laufe des Lebens

Das Belohnungssystem im Gehirn wandelt sich im Laufe des Lebens. Eine Studie von Jessica R. Cohen von der University of California in Los Angeles zeigte, dass junge Menschen in der Pubertät besonders viel Dopamin in ihrem Striatum ausschütten, wenn sie riskante Handlungen erfolgreich abschließen. Dies motiviert sie dazu, ähnliche Situationen erneut zu suchen. Im Alter reagiert das Gehirn weniger intensiv auf Dopamin. Studien von Jean-Claude Dreher vom französischen Institute des Sciences Cognitives in Bron und Karen Berman vom amerikanischen National Institute of Mental Health in Bethesda zeigten, dass das Gehirn älterer Teilnehmer weniger aktiv im präfrontalen Cortex auf Dopamin reagierte.

Lernen durch Verknüpfung

Der Neurophysiologe Wolfram Schultz von der Universität Cambridge hat den Zusammenhang zwischen Dopamin und Lernen genauer untersucht. Er fand heraus, dass dopaminerge Neuronen im Mittelhirn nur anfangs auf die Belohnung als solche reagierten. Später feuerten sie bereits, wenn das „richtige“, Belohnung versprechende Bild gewählt wurde. Die Nervenaktivität ist also ein Maß für die Abweichung von der Erwartung und damit ein gutes Instrument, um den Erfolg, etwa bei der Nahrungssuche, mit der Zeit zu maximieren.

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Dopamin vs. Endorphine

Lange Zeit gingen Wissenschaftler davon aus, dass die Ausschüttung des Dopamins den Lustgewinn verursachen würde. Studien des Neurologen Kent Berridge von der University of Michigan brachten diese Theorie jedoch ins Wanken. Berridge folgert daraus, dass die Tiere die Nahrung zwar mögen, aber kein Verlangen mehr danach haben. Ihnen fehlt schlicht die Motivation, nach Futter zu suchen. Anders als die Hirnforschung lange vermutete, ist für das Hochgefühl, wenn wir bekommen, wonach wir uns sehnen, nicht das Dopamin verantwortlich. Diese Rolle kommt den körpereigenen Opiaten zu, den Endorphinen, sowie anderen Botenstoffen wie dem Oxytocin. Dopamin ist vielmehr der Neurotransmitter der Belohnungserwartung.

Gehirnentwicklung im Laufe des Lebens

Embryonale Entwicklung

Die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem beginnt beim Embryo mit der 3. Schwangerschaftswoche. Bis zum Ende der 8. Woche sind Gehirn und Rückenmark fast vollständig angelegt. In den folgenden Wochen und Monaten wird im Gehirn eine Unmenge von Nervenzellen durch Zellteilung gebildet. Während der gesamten Schwangerschaft sind die neuronalen Strukturen äußerst empfindlich und damit anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Alkoholkonsum, Rauchen, Strahlung, Jodmangel und bestimmte Erkrankungen der Mutter können zu einer Schädigung des sich entwickelnden Nervensystems führen.

Entwicklung nach der Geburt

Mit der Geburt ist die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem noch lange nicht abgeschlossen. Zwar sind zu diesem Zeitpunkt bereits die große Mehrheit der Neuronen im Gehirn vorhanden, sein Gewicht beträgt dennoch nur etwa ein Viertel von dem eines Erwachsenen. Die Gewichts- und Größenzunahme des Gehirns im Laufe der Zeit beruht auf der enormen Zunahme der Verbindungen zwischen den Nervenzellen und darauf, dass die Dicke eines Teils der Nervenfasern zunimmt.

Synaptische Entwicklung

Im Gehirn nimmt die Anzahl der Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, in den ersten 3 Lebensjahren rasant zu. Mit 2 Jahren haben Kleinkinder so viele Synapsen wie Erwachsene und mit 3 Jahren sogar doppelt so viele. In den darauffolgenden Jahren verringert sich die Zahl der Synapsen wieder um die Hälfte. Art und Anzahl der sich formenden und bestehen bleibenden Synapsen hängen mit speziellen erlernten Fertigkeiten zusammen.

Optimierung des Gehirns

Ab dem 10. Lebensjahr wird das Gehirn dann optimiert. Nur die Nervenverbindungen bleiben erhalten, die häufig gebraucht werden, die übrigen verschwinden. Im weiteren Verlauf des Lebens kann die komplexe Struktur des fertig entwickelten Gehirns in gewissen Grenzen umgebaut und umfunktioniert werden. Sterben Nervenzellen durch Alterungsprozesse, Erkrankungen oder andere Einflüsse ab oder sind sie in ihrer Funktion gestört, können häufig andere Bereiche des Gehirns ihre Aufgabe zumindest teilweise übernehmen.

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Hormone und Neurotransmitter im Kontext von Liebe und Beziehungen

Die Biochemie der Liebe

Im Frühling, wenn die Tage länger werden und die Natur erwacht, verspüren viele Menschen den Wunsch nach Nähe und Partnerschaft. Oft wird dies auf die Hormone geschoben, aber die Realität ist komplexer. Messbare Veränderungen im Blut, die spezifisch für Jahreszeiten sind und das „sich Verlieben“ begünstigen, sind nicht eindeutig nachweisbar. Allerdings können positive äußere Reize im Frühling positive innere Assoziationen und Emotionen hervorrufen, die uns öffnen, auf andere Menschen zuzugehen und uns dann eher zu verlieben.

Veränderungen im Gehirn bei Verliebten

Untersuchungen im funktionellen MRT haben gezeigt, dass bei der Betrachtung eines Fotos des Partners frisch verliebte Partner tatsächlich Gehirnareale in besonderem Maße aktivieren, die bei der Wahrnehmung von Emotionen eine besondere Rolle spielen. Insbesondere der Nukleus accumbens, eine zentral gelegene Hirnstruktur, zeigt eine erhöhte Aktivität. Diese Struktur gehört funktionell zu unserem Belohnungssystem und wird auch durch Drogen angeregt.

Rolle von Dopamin, Adrenalin und Serotonin

Wenn wir uns verlieben, wird der Botenstoff Dopamin verstärkt gebildet und ausgeschüttet, was direkt stimulierend auf den Nukleus accumbens und weitere Gehirnanteile der Gefühlswahrnehmung wirkt. In diesem Zustand fühlen wir uns „wie berauscht“ und unsere Aufmerksamkeit fokussiert sich auf die eine Person. Auch das Stresshormon Adrenalin wird ausgeschüttet, um uns wach, leistungsfähig und reaktionsfähig zu machen. Serotonin hingegen wird vermindert ausgeschüttet, was zu zwanghaftem Verhalten und Liebeskummer führen kann.

Weitere wichtige Botenstoffe

Weitere wichtige Botenstoffe sind das Phenethylamin und die Endorphine, die vom Hypothalamus und dem Tegmentum des Mittelhirns freigesetzt werden. Das Phenethylamin verstärkt die Empfindungen und Anziehung für den Partner, während Endorphine uns berauschen, schmerzunempfindlich machen und Lustgefühle vermitteln.

Veränderungen in der Hirnaktivität

Anteile des Gehirns, die für die rationale Einschätzung und Bewertung der Persönlichkeit des Partners zuständig sind, zeigen in diesem Zustand eine verminderte Aktivität, um mögliche Schwächen oder Fehler des Partners auszublenden. Der Mandelkern, der für die Generierung und Verarbeitung von Angstempfindungen zuständig ist, ist ebenfalls in seiner Aktivität deutlich zurückgefahren, so dass sich der Verliebte eher zu einem risikoreicheren Verhalten verleiten lässt, um den Partner zu beeindrucken und für sich zu gewinnen.

Die Phasen der Liebe

Die beschriebenen Prozesse beeinflussen sich wechselseitig, unterhalten und verstärken sich, wobei ein solcher Zustand Wochen bis maximal 2 Jahre anhalten kann. Verliebt zu sein bedeutet aber auch, sich eigentlich in einer permanenten Stresssituation zu befinden, welches energetisch und physiologisch viele Ressourcen verbraucht und von dem Betroffenen nur begrenzt durchgehalten werden kann. Irgendwann fährt das Gehirn die angegebenen Botenstoffe wieder zurück, um regulatorisch das System wieder in ein Gleichgewicht zu bringen.

Stabilisierung und Konsolidierung der Partnerschaft

Ist die Phase des Verliebtseins vorüber, schließt sich die wichtige Phase der Stabilisierung und Konsolidierung der Partnerschaft an. Erstmalig stellen sich aber auch Konflikte ein, die im „Machtkampf“ als Ausdruck unserer Bedürfnisse und Wünsche mit dem Partner erlebt werden. Damit wir in unserer Beziehung gesehen, gehört und zusammen weiter wachsen, sind verschiedene Prozesse wichtig, die die Bindung zwischen den Partnern verstärken können. Im vorderen Anteil des Hypothalamus wird das Oxytocin oder „Bindungshormon“ ausgeschüttet. Solange in einer Beziehung die Art und Weise wie miteinander kommuniziert wird stimmt, sollte immer genügend von diesem Bindungsstoff vorhanden sein, der die Partner näher zusammen bringt und hält. Dann entsteht aus dem Zustand des Verliebtseins, dass was wir Liebe nennen und uns so sehr wünschen.

Motivation und Veränderung aus neurobiologischer Sicht

Psychologische Bedürfnisse und Motivation

Motivation entsteht, wenn die Grundbedürfnisse der Menschen befriedigt werden, insbesondere die psychologischen Bedürfnisse wie Beziehungen, Selbstwert oder Kontrolle. Erst mit der Befriedigung der Bedürfnisse entsteht Bereitschaft zu Wachstum, Entwicklung und Veränderung.

Die Rolle der Routinen

Unser Gehirn verbraucht schon etwa 20% unseres Gesamtenergieumsatzes in Ruhe und versucht, nicht mehr Energie zu verbrennen, als es wirklich muss. Daher liebt unser Gehirn Routinen, die deutlich energiesparender als beispielsweise das Lösen neuer Aufgaben sind.

Umgang mit Widerstand

Widerstand entsteht, wenn ein Ereignis in der Umwelt dazu führt, dass sich jemand in seinen oder ihren individuellen Grundbedürfnissen bedroht fühlt. Jede negative Erfahrung, die wir im Leben jemals gemacht haben, ist in der Amygdala gespeichert. Sobald eine solche Erinnerung hervorgerufen wird, entsteht Stress und unser Körper wird sofort in Alarmbereitschaft versetzt.

Wertschätzung und Sinnhaftigkeit

Wenn unser Bedürfnis nach Wertschätzung nicht erfüllt wird, werden Beziehungen in Frage gestellt und es vergeht auch der Spaß an der Arbeit. Die Aufgabe sollte sich immer sinnhaft anfühlen und wir sollten einem Team stets ermöglichen, dass es sich weiterentwickeln kann.

Systemisches Coaching

Systemisches Coaching kann sehr hilfreich sein, um unbewusste Wünsche und Bedürfnisse besser zu verstehen. Durch Perspektivwechsel und konstruktive Diskussionen können wir erkennen, was uns wirklich antreibt und Widerständen deutlich besser entgegenwirken, schon bevor sie auftreten.

Glückshormone und Umlernen

Ein Prinzip unseres Gehirns ist es, ein kleines Stückchen in die Zukunft schauen zu wollen und entsprechende Erwartungen zu haben. Wenn das eintritt, was wir erwartet haben, dann empfinden wir Zufriedenheit. Wenn unsere Erwartungen übertroffen wurden, dann übersteigt das diese Befriedigung nochmals deutlich. Ein unerwartetes, positives Feedback von derdem Chefin zum Beispiel, kann dazu führen, dass Unmengen an (Glücks)Hormonen ausgeschüttet werden. Ein Umlernen kann stattfinden, wenn das Gehirn zufrieden ist, und somit bereit ist weiter zu lernen.

Oxytocin und zwischenmenschliche Beziehungen

Oxytocin spielt in zwischenmenschlichen Beziehungen eine überaus wichtige Rolle. Wenn eine zwischenmenschliche Beziehung gut läuft, wird Oxytocin ausgeschüttet. Dabei hat Oxytocin viele Funktionen: unter anderem sorgt es dafür, dass wir uns neue Informationen besser merken können, weil das Gehirn durch diesen Botenstoff in einen lernbereiten Zustand versetzt wird. Oxytocin hat aber gleichzeitig auch einen dämpfenden Effekt auf die Aktivität der Amygdala, unser Angstzentrum.

Selbstfürsorge und Routinen

Es ist wichtig, sich Routinen der Selbstfürsorge zu schaffen und zu schauen, welche Ressourcen man hat und wie man diese optimal ausbauen kann. Wenn wir kleine Routinen im Alltag integrieren, die uns guttun, dann schafft das eine wichtige Grundlage für eine insgesamt positivere Gestaltung unseres Lebens.

Die Neurowissenschaft der Verliebtheit

Das BAS und romantische Liebe

Menschen, die romantische Liebe erleben, zeigen eine Reihe von Kognitionen, Emotionen und Verhaltensweisen, die auf eine gesteigerte Aktivität des Behavioral Activation System (BAS) hindeuten. Das BAS bewirkt, dass wir positive Reize verstärkt wahrnehmen, uns mehr für sie interessieren, neugieriger sind und selbstbewusster handeln. Eine Studie von Adam Bode von der Australien National University in Canberra und Phillip Kavanagh von der University of Canberra ergab einen Zusammenhang zwischen BAS und Verliebtsein, da es auf Reize in Bezug auf die geliebte Person reagiert.

Hormone und soziale Reize

"Dass wir geliebten Menschen eine besondere Bedeutung zukommen lassen, liegt am Zusammenspiel der Hormone Oxytocin und Dopamin, die unser Gehirn freisetzt, wenn wir verliebt sind", erläuterte Kavanagh. "Im BAS sorgen diese Hormone dafür, dass soziale Reize - wie etwa der oder die Geliebte - stärker wahrgenommen werden.

Neurochemische Prozesse

"Ein heftig verliebtes Gehirn ist einem besonderen neurochemischen Cocktail ausgesetzt. Der Zustand ist ein wenig wie unter Drogeneinwirkung", erklärte Christian Weiss, Facharzt für Psychiatrie und Psychotherapie. "Diese Veränderung im Botenstoff- und Hormonhaushalt kann auch mit risikobereiterem Verhalten einhergehen. Verliebtsein lässt sich nicht nur mit der Wirkung von Drogen vergleichen, sondern weist sogar Parallelen mit einer Zwangsstörung auf.

Gehirnaktivität bei Verliebtheit

"In bestimmten Hirnregionen kann man sowohl bei Verliebten als auch bei Menschen mit einer Zwangsstörung erhöhte Aktivitätsmuster beobachten. Diese Bereiche sind Teil des Belohnungssystems und werden mit Gefühlen der Euphorie und Motivation verbunden", erklärt Christian Weiss.

Auswirkungen auf das Verhalten

Wer glücklich verliebt ist, handelt zwar manchmal etwas neben der Spur, ist aber oft auch selbstbewusster, mutiger und zufriedener.

Die Rolle von Polyaminen in der Ernährung und Wahrnehmung

Sinneseindrücke und physiologische Zustände

Sinneseindrücke wie Geruch und Geschmack bilden die Basis für unser Verhalten, unsere Entscheidungen und unsere Präferenzen. Sie sind entscheidend bei der Wahl unserer Nahrung und ermöglichen es, Toxine, Bakterien, Pilze oder sonstige Verunreinigungen zu vermeiden. Unsere Sinne verändern sich aber auch je nach physiologischem Zustand und Bedürfnislage.

Polyamine und ihre Bedeutung

Polyamine tragen so charakteristische Namen wie Cadaverin, Spermin oder Putrescin. Was für uns Menschen und viele Tiere gerade in höheren Konzentrationen durchaus unangenehm riecht, ist gleichzeitig überlebenswichtig. Ein Mangel an Polyamin wird mit neurodegenerativen Erkrankungen, Altern und Abnahme der Fruchtbarkeit in Verbindung gebracht. Neue Daten zeigen, dass Polyamine als Nahrungsergänzung das Herz schützen und so lebensverlängernd wirken können.

Wahrnehmung von Polyaminen

Anhand des Modells der Fruchtfliege untersuchten die Neurobiologen daher, wie Tiere Polyamine wahrnehmen und welchen Einfluss Körper und Physiologie haben. Wie Verhaltensversuche zeigten, werden Fliegen vom Polyamingeruch stark angezogen; sie legen ihre Eier lieber auf polyaminreiche, ältere Früchte als auf frische. Durch eine Reihe von genetischen Experimenten fanden die Wissenschaftler heraus, dass Fliegen die Polyamine mit dem Geruchs- und Geschmackssinn wahrnehmen.

Rezeptoren für Polyamine

Die Forscher identifizierten drei Rezeptoren, die zu derselben Rezeptorklasse gehören und in den Sinneszellen den Geruch und Geschmack von Polyaminen vermitteln. Sie gehören zu einer evolutionär sehr alten Klasse von Proteinen, den sogenannten ionotropischen Rezeptoren oder IRs.

Neuropeptide und Wahrnehmung

Neuropeptide verändern die Reizbarkeit oder Übertragungsleistung von Nervenverbindungen. Sie spielen in vielen wichtigen Prozessen eine Rolle. Zum Beispiel verändert sich die Wahrnehmung in Tieren, wenn sie hungrig sind, oder sich in einem bestimmten emotionalen oder physischen Zustand befinden.

Trächtigkeit und Polyamine

Um die heranwachsenden Nachkommen optimal zu versorgen und gleichzeitig die eigenen, gesteigerten Körperfunktionen aufrecht zu erhalten, muss sich die Ernährung auf die geänderten Anforderungen umstellen. Ähnlich wie beim Menschen oder der Maus wirken sich zusätzliche Polyamine in der Nahrung positiv auf den Reproduktionserfolg von Fliegen aus. So legten Tiere, die eine Nahrung mit hohem Polyaminanteil zu sich nahmen, mehr Eier und produzierten mehr Nachwuchs.

Zusammenspiel von Körper und Gehirn

Die Ergebnisse der Neurobiologen weisen auf einen Mechanismus hin, wie körperliche Veränderungen (hier Trächtigkeit oder Schwangerschaft) die chemosensorischen Nervenzellen modifizieren und so die Wahrnehmung wichtiger Nährstoffe und die Reaktion darauf verändern können.

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