Das menschliche Gehirn ist ein außergewöhnliches Organ, das unsere Gedanken, Emotionen, Erinnerungen und Handlungen steuert. Es ist ein energieintensives Organ, das ständig arbeitet, selbst wenn wir schlafen. Obwohl es nur etwa 2 % unseres Körpergewichts ausmacht, verbraucht es etwa 20 % bis 25 % unserer täglichen Energie. Dieser Artikel untersucht den täglichen Kalorienverbrauch des Gehirns, die Faktoren, die ihn beeinflussen, und die Bedeutung einer ausreichenden Versorgung mit Nährstoffen für die optimale Gehirnfunktion, insbesondere bei Kindern.
Einführung: Die Energieverschwendung des Gehirns
Das Gehirn ist im Vergleich zu anderen Organen ein wahrer Energiefresser. Es macht nur etwa zwei Prozent des Körpergewichts aus, verbraucht aber rund 20 Prozent der gesamten Energie. Das sind etwa 500 Kilokalorien pro Tag. Dieser hohe Energieverbrauch ist notwendig, da das Gehirn rund um die Uhr aktiv ist und eine komplexe Signalübertragung zwischen den Nervenzellen stattfindet.
Warum braucht das Gehirn so viel Energie?
Es gibt mehrere Gründe, warum das Gehirn so viel Energie benötigt:
- Ständige Aktivität: Im Gegensatz zu unseren Skelettmuskeln, die ruhen können, ist das Gehirn ständig aktiv, selbst im Schlaf.
- Instandhaltung: Etwa ein Viertel der Energie wird für die Instandhaltung der Zellen benötigt, z. B. für die Bildung und den Transport von Proteinen sowie die Reparatur von DNA-Schäden.
- Komplexe Signalübertragung: Die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen erfordert den Transport von Ionen und Botenstoffen über die Zellmembranen, was sehr energieaufwendig ist. Insbesondere die Natrium-Kalium-Pumpe, die für die Aufrechterhaltung des Spannungsgefälles an der Zellmembran verantwortlich ist, verbraucht mehr als die Hälfte der dem Gehirn zur Verfügung stehenden Energie.
- Synaptische Aktivität: Die Synapsen, die Verbindungsstellen zwischen den Nervenzellen, sind die größten Energiefresser. Hier sind nicht nur die Natrium-Kalium-Pumpe am Werk, sondern auch die Transportsysteme für andere Ionen und Botenstoffe wie Glutamat.
Der Treibstoff des Gehirns: Glukose
Das Gehirn bezieht seine Energie hauptsächlich aus Glukose, die von den Mitochondrien in den Zellen in Adenosintriphosphat (ATP) umgewandelt wird. ATP ist der Treibstoff, der für alle zellulären Prozesse benötigt wird. Nervenzellen können Glukose jedoch nicht speichern und sind daher auf eine ständige Zufuhr über das Blut angewiesen. Wenn nicht genügend Glukose im Blut zirkuliert, greifen die Nervenzellen auf die Glykogenspeicher der Astrozyten zurück.
Glukosebedarf des Gehirns
Der tägliche Glukosebedarf des Gehirns ist hoch. Eine durchschnittliche Person mit einem Energiebedarf von etwa 2000 Kalorien pro Tag verbraucht allein für das Gehirn zwischen 400 und 500 Kalorien. Da 1 Gramm Glukose etwa 4 Kalorien liefert, benötigt das Gehirn täglich zwischen 100 und 125 Gramm Glukose, um optimal zu funktionieren.
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Die Bedeutung eines stabilen Blutzuckerspiegels
Es ist entscheidend, den Blutzuckerspiegel stabil zu halten, um eine konstante Versorgung des Gehirns mit Glukose sicherzustellen. Niedrige Glukosespiegel können zu Konzentrationsproblemen, Müdigkeit und im Extremfall zu Verwirrung oder Ohnmacht führen. Ein dauerhaft hoher Blutzuckerspiegel kann das Gehirn langfristig schädigen und zu Entzündungen und oxidativem Stress führen.
Der Einfluss des Alters auf den Energiebedarf des Gehirns
Der Energiebedarf des Gehirns variiert je nach Alter. Säuglinge und Kleinkinder haben einen besonders hohen Energiebedarf, da sich ihr Gehirn noch in der Entwicklung befindet. Studien haben gezeigt, dass das Gehirn von Kindern im Alter von vier bis fünf Jahren etwa 43 Prozent der Energie des gesamten Körpers benötigt. Dieser hohe Energiebedarf erklärt, warum das Wachstum des Körpers in dieser Phase verlangsamt ist.
Studie zum Energieverbrauch bei Kindern
Eine Studie der Northwestern-Universität in Evanston, Illinois, ergab, dass der Energiebedarf des Gehirns dann am höchsten ist, wenn das Wachstum des Körpergewichts am geringsten ist: im Alter von vier bis fünf Jahren. In dieser Phase benötigt das Gehirn etwa 43 Prozent der Energie des gesamten Körpers. Das sei mehr als das Doppelte des Energiebedarfs des erwachsenen Gehirns.
Ernährungsempfehlungen für ein gesundes Gehirn
Eine ausgewogene Ernährung ist entscheidend für die optimale Funktion des Gehirns. Folgende Nährstoffe sind besonders wichtig:
- Komplexe Kohlenhydrate: Vollkornprodukte, Gemüse und Hülsenfrüchte sorgen für eine langsame und gleichmäßige Freisetzung von Glukose in den Blutkreislauf und versorgen das Gehirn über den Tag hinweg konstant mit Energie.
- Proteine: Fleisch, Geflügel, Fisch und Eier liefern essentielle Aminosäuren, die für die Neurotransmitterproduktion notwendig sind.
- Omega-3-Fettsäuren: Fettreiche Fische wie Lachs, Makrele und Hering sind reich an DHA und EPA, die für die Gesundheit des Gehirns wichtig sind.
- Antioxidantien: Vitamin C, Vitamin E und Glutathion neutralisieren freie Radikale und schützen die Zellen vor oxidativem Stress.
- B-Vitamine: Vitamin B6, Vitamin B9 (Folsäure) und Vitamin B12 sind entscheidend für die Produktion von Neurotransmittern.
Die Bedeutung von regelmäßigem Essen
Eine konstante Energieversorgung des Gehirns gelingt am besten mit der über den Tag verteilten Einnahme von langkettigen Kohlenhydraten, wie sie beispielsweise in Vollkornprodukten, Hülsenfrüchten, Gemüse sowie nicht zu süssem Obst vorkommen. Da diese Nahrungsmittel im Darm erst in kleine Stücke zerlegt werden müssen, erhöhen sie den Zuckergehalt im Blut nur langsam und kontinuierlich. Dies ist ein essenzieller Faktor für das Denkorgan, denn es verträgt grosse Blutzuckerschwankungen schlecht, wie sie etwa bei unregelmässiger Nahrungsaufnahme oder übermässigem Konsum von Süssigkeiten auftreten. Ein Auf und Ab der Konzentrations- und Gedächtnisleistungen ist die Folge.
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Hunger und Sättigung: Die Rolle von Hormonen
Damit unser Gehirn mit genügend Glukose versorgt wird, müssen wir essen. Das Hormon Ghrelin, das von Zellen des Magens ausgeschüttet wird, sorgt für das Gefühl von Hunger. Wenn wir essen, steigt der Blutzuckerspiegel und verschiedene Hormone, wie Insulin und Leptin, werden ausgeschüttet, die dem Gehirn signalisieren, dass wir satt sind.
Die Rolle von Leptin und Ghrelin
Leptin wird größtenteils von Fettzellen freigesetzt und sagt 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. Ghrelin hingegen wird von Zellen des Magens ausgeschüttet und 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, wir bekommen Hunger und schauen uns nach etwas Essbarem um.
Studien zum Kalorienverbrauch
Eine groß angelegte Studie mit über 6.600 Frauen und Männern aus 29 verschiedenen Ländern ergab, dass der Kalorienverbrauch in vier Phasen des Lebens unterschiedlich ist:
- Säuglinge bis zu einem Jahr: Verbrauchen die meiste Energie.
- Nach dem ersten Lebensjahr bis zum 20. Lebensjahr: Nimmt der Stoffwechsel um etwa drei Prozent jährlich ab.
- 20 bis 60 Jahre: Pendelt sich der Kalorienumsatz ein und bleibt dann ziemlich lange gleich.
- Nach dem 60. Lebensjahr: Sinkt der Kalorienverbrauch sehr langsam - etwa 0,7 Prozent jährlich.
Die Shuar-Kinder-Studie
Eine Studie mit Shuar-Kindern, einem indigenen Volkstamm im ecuadorianischen Amazonastiefland, ergab, dass sie trotz deutlich mehr Bewegung keinen höheren Energiebedarf haben als Altersgenossen in Industrieländern. Ihr Körper verwendete sogar weniger Energie auf die körperliche Aktivität. Stattdessen verbrannten Shuar-Kinder schon im Ruhezustand etwa 20 Prozent mehr Kalorien, was auf eine erhöhte Immunaktivität hindeutet.
Auswirkungen von Ernährungsfehlern auf das Gehirn
Eine unausgewogene Ernährung kann sich negativ auf die Gehirnfunktion auswirken. Studien haben gezeigt, dass Kinder, die sich vorwiegend von frittiertem Essen, Take-away-Food und Süßigkeiten ernähren, doppelt so häufig schlechte Noten haben und dreimal so oft durch schlechtes Benehmen auffallen.
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Die Rolle von Fetten und Eiweißen
Die Nervenzellmembran, die eine wichtige Rolle in der Informationsübermittlung spielt, besteht grösstenteils aus ungesättigten Fettsäuren, wie sie von Natur aus in grosser Konzentration in Makrelen, Lachs, Hering und Thunfisch enthalten sind. Diese «guten Fette» werden im Alltag durch den übermässigen Genuss von gesättigten Fettsäuren, beispielsweise aus frittierten Speisen, verdrängt. Bei häufigem Verzehr von Fast Food kommt es zu einem Ungleichgewicht zugunsten gesättigter Fettsäuren. Diese können die Durchlässigkeit der Neuronenmembran und damit die Informationsübermittlung behindern und sich so negativ auf kognitive Fähigkeiten auswirken.
Die Synapsen - Kontaktstellen, wie sie milliardenfach im Hirn vorkommen - ermöglichen die Kommunikation zwischen den Nervenzellen über zahlreiche Botenstoffe. Diese Neurotransmitter werden in den Nervenzellen aus Eiweissbausteinen aufgebaut, von denen der menschliche Organismus einige nicht selber herstellen kann. Sie müssen darum regelmässig mit der Nahrung in Form von Eiweissen, unter anderem aus fettarmen Milchprodukten, Fisch, magerem Fleisch und Hülsenfrüchten, aufgenommen werden. Eine einseitige beziehungsweise eiweissarme Versorgung kann vermehrt zu Müdigkeit und Stimmungsschwankungen führen.
Kulinarische Konsequenzen: Schulküchen im Wandel
Die britische Regierung hat in den letzten Jahren grosse finanzielle Mittel für Reformen ihrer Schulküchen investiert. So essen englische Kinder fortan Hering, Gemüse und Früchte anstelle von «Fish and Chips» und Pudding. Auch in der Schweiz gibt es ähnliche Bemühungen, etwa indem Dutzende von Schülerkantinen in der Deutschschweiz an einigen Tagen in der Woche speziell ausgewogene Menus anbieten.
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