Das menschliche Gehirn ist ein bemerkenswertes Organ, das für eine Vielzahl von Funktionen verantwortlich ist, von der Steuerung unserer Körperfunktionen bis hin zu unseren Emotionen und unserer Fähigkeit, zu denken und uns zu konzentrieren. Dieser Artikel beleuchtet den hohen Energiebedarf des Gehirns und untersucht, wie viel Sauerstoff und Glukose es benötigt, um optimal zu funktionieren.
Einleitung
Im Vergleich zu anderen Organen ist das Gehirn ein wahrer Energiefresser. Obwohl es nur etwa 2 bis 3 % des Körpergewichts ausmacht, verbraucht es fast 20 % der gesamten Energie, die uns zur Verfügung steht. Dieser hohe Energiebedarf ist auf die komplexen Prozesse zurückzuführen, die im Gehirn ablaufen, einschließlich der Aufrechterhaltung lebenswichtiger Funktionen, der Kommunikation zwischen Nervenzellen und der Unterstützung kognitiver Prozesse wie Denken, Lernen und Erinnern.
Wofür unser Gehirn die meiste Energie benötigt
Das Gehirn reguliert nicht nur einen Großteil deiner Körperfunktionen, sondern auch dein emotionales Empfinden und deine Konzentrationsfähigkeit. Für diese hochkomplexen Prozesse benötigt dein Gehirn eine große Menge an Energie. Das Gehirn macht zwar nur 2-3% deines Körpergewichtes aus, aber benötigt dafür überdurchschnittlich viel Energie. Genau genommen, benötigt das Gehirn 20% der Energie, die dir insgesamt zur Verfügung steht - ganz unabhängig von deinem Körpergewicht. Kommst du in stressige Situationen, ist es sogar noch mehr.
Eine Studie der Universität Lübeck hat sich im Detail angeschaut, wofür dein Gehirn die aufgenommene Nahrung im Detail verbraucht. Dabei kam heraus, dass nur etwa 5 Prozent des Energieverbrauchs von deinem Denkorgan für seine Königsdisziplin, das bewusste Denken, verwendet wird. Den riesigen Rest benötigt es für seine Grundaktivität, die ständig von selbst ablaufende interne Kommunikation. Darunter darf man sich allerdings keinen einfachen Leerlauf vorstellen. Vielmehr, so Jan Born, Neurowissenschaftler an der Uni Lübeck, gleiche das Gehirn im "Offline-Modus" einem intelligenten Computer, dem man die Verbindungen nach außen gekappt hat und der in der Zwischenzeit die Daten auf seiner Festplatte sichtet und sortiert. Zu diesen Grundaktivitäten zählen aber auch lebenserhaltende Funktionen des Gehirns, wie die Regulierung von Atmung, Puls, die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts usw.
Das menschliche Gehirn hat also einen unglaublich hohen Energieverbrauch, nämlich bis zu 20% der dir zur Verfügung stehenden Energie. Die Wissenschaft hat herausgefunden, dass der kleinere Teil davon fürs Denken verwendet wird, der Großteil hingegen für die Aufrechterhaltung von lebenserhaltenden Funktionen wie Atmung, Puls und Gleichgewichtssinn.
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Sauerstoff und Glukose: Die Treibstoffe des Gehirns
Damit das Gehirn Energie herstellen kann, benötigt es zweierlei: Glukose (oder Ketonkörper) als Substrat und Sauerstoff. Das Substrat überwindet die Blut-Hirn-Schranke und gelangt aus dem Blutkreislauf in die Nervenzellen. Der Sauerstoff gelangt aus den Hirnkapillaren in die Nervenzellen und kann zusammen mit dem Substrat Energie herstellen. Diesen Prozess nennt man Gehirnstoffwechsel. Wusstest du, dass bei diesem Gehirnstoffwechsel 20% des gesamten aufgenommenen Sauerstoff verbraucht wird? Die ausreichende Sauerstoffversorgung deines Gehirns, ist also essentiell für deine mentale Leistungsfähigkeit!
Damit dein Gehirn ausreichend mit Energie versorgt ist, benötigt es die ständige Zufuhr von Substrat und Sauerstoff. Ein Stop der Durchblutung und damit ein Stop der Sauerstoffversorgung, führt innerhalb von Sekunden zur Bewusstlosigkeit. Wäre das Gehirn von der Glukose Versorgung abgeschnitten, würde es die Funktionen nur 5 Minuten aufrecht erhalten können, was zeigt, wie klein die Glukosespeicher des Gehirns sind. Deswegen ist auch die richtige Atmung essentiell für das Gehirn, genauso wie Atemübungen, die du ganz einfach in deinen Alltag integrieren kannst.
Allerdings kann es vorkommen, dass dein Gehirn nicht ausreichend mit Energie versorgt ist, z.B. wenn du zu wenig oder nicht das richtige isst. Je mehr Leistung man von dem Gehirn verlangt, desto höher ist der Energieverbrauch. Aber nicht nur in Phasen der maximalen Konzentration benötigt dein Gehirn viel Energie. Besonders die Grundprozesse des Gehirns verbrauchen viel Energie, wozu noch zusätzliche Aufgaben kommen, wie Denken, Rechnen, Lesen, Sport treiben oder Ähnliches. Dafür braucht das Gehirn zusätzlichen Treibstoff.
Eine Studie der University of Bristol hat sich mit dem Zusammenhang von Energieversorgung und mentaler Leistungsfähigkeit beschäftigt. Dabei kam heraus, dass sich gerade die Funktionen des Hippocampus verringern, wenn die Energieversorgung sich verschlechtert. Der Grund dafür ist denkbar simpel. Der Hippocampus ist der Teil des Gehirns, der für Lernprozesse und das Erinnern zuständig sind. Keine Funktionen, die für das Überleben wichtig sind und deshalb jene, die zuerst abgeschaltet werden. Bei Energieengpässen sorgt das Gehirn also zuallererst für die Aufrechterhaltung seiner Grundfunktionen und spart an den bewussten Vorgängen, wie Denken und Konzentrationsfähigkeit. Wenn wir beispielsweise Hunger haben, braucht das Gehirn fast die gesamte vorhandene Energie, um seine Grundaktivität aufrecht zu erhalten. Für geistige Leistung bleibt dann wenig Energie übrig. Die Konsequenz ist, dass kognitive Leistungsfähigkeit und Konzentrationsfähigkeit absinken.
Wenn dein Gehirn also nicht ausreichend mit Energie versorgt ist, erhält es zunächst die Grundfunktionen. Deine mentale Performance, die sozusagen als letztes mit Energie versorgt wird, bricht dadurch ein.
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Ketonkörper als alternative Energiequelle
Neben Glukose kann das Gehirn auch Ketonkörper als Energiequelle nutzen. Ketonkörper entstehen, wenn der Körper Fett abbaut, beispielsweise bei einer kohlenhydratarmen Ernährung oder während des Fastens. Einige Studien deuten darauf hin, dass Ketonkörper eine effizientere Energiequelle für das Gehirn sein könnten als Glukose.
Bei all den Überlegungen zu der richtigen Energieversorgung des Gehirns, haben wir nun festgestellt, dass Sauerstoff und Energie in Form von Nahrung eine wichtige Rolle spielen. Die Nahrung kannst du über BRAINFOOD aufnehmen und die Sauerstoffversorgung deines Gehirns reguliert der Körper von alleine. Aufgrund dessen kommt es dabei selten zu Fehlfunktionen. Der zweite entscheidende Faktor ist das Substrat. Dabei kann das Gehirn entweder aus Glukose oder aus Ketonkörpern Energie gewinnen. Die Frage ist nun, welcher der bessere Energielieferant für eine optimale mentale Leistungsfähigkeit ist. Um das zu verstehen, muss man die Unterschiede in der Verstoffwechselung von Ketonen bzw. Glukose kennen. Als Treibstoff wird dabei entweder Glukose, oder Fett verbrannt. Die Energie, die aus Fetten entsteht, nennt man Ketonkörper und sie stellen grundsätzlich die bessere Energiequelle dar, was nur wenige wissen. Ketone versorgen dich tatsächlich mit schnellerer und konstanterer Energie. So kommt es zu keinem mentalen Leistungseinbruch. Der Grund dafür liegt darin, dass die Ketone weniger Stoffwechselprozesse benötigen als Glukose. Im Vergleich: Ketonkörper, die in der Ketose gebildet werden, können in 3-5 Schritten zu Energie umgewandelt werden. Bei Glukose sind es 26 Schritte. Der zweite Vorteil der Ketonkörper besteht darin, dass sie wasserlöslich sind und so einfach die Blut-Hirn-Schranke überwinden können, ohne an Stoffe gebunden und über das Blut transportiert werden zu müssen. Ketonkörper stellen also den besseren Energielieferanten dar. Warum sich aber nicht alle Menschen auf die Art und Weise mit guter Energie versorgen, ist leicht zu beantworten. Die “Herausforderung” liegt in der Ernährung, denn Kohlenhydrate und Zucker müssen nahezu komplett vom Ernährungsplan gestrichen werden. Die Vorteile für die mentale Performance sind allerdings so groß, dass ein Umstellen des Ernährungsplan in jedem Fall in Erwägung gezogen werden sollte.
Eine Studie des National Institute of Neuroscience in Tokyo hat sich mit den Vorteilen für die mentale Performance durch eine ketogene Ernährung beschäftigt. Die Studie ergab, dass eine MCT-reiche Nahrung den Gehalt an Ketonkörpern im Blutplasma erhöht. Die Testpersonen erhielten entweder einen Placebo oder eine ketogene Diät. Die Ergebnisse waren dabei eindeutig. Die Testpersonen, die die ketogene Diät erhalten hatten, erzielten in kognitiven Leistungstests die besseren Trefferquoten.
Eine weitere Studie der School of Nutrition and Food Sciences der Louisiana State University hat sich mit dem Gehirn, welches mit Ketonkörpern als Energielieferant versorgt wird, beschäftigt. Die Studie ergab, dass MCT-Öl das Gedächtnis verbessern kann und so geistigem Abbau entgegenwirkt. Dabei wurden Testpersonen über 50 Jahren in der randomisierten, doppelblinden, Placebo-kontrollierten Studie untersucht. Sie erhielten für 24 Wochen 56g MCT-Öl täglich. Bei vielen geistigen Krankheiten kann das Gehirn Glukose nicht mehr in ausreichendem Maße in Energie umwandeln. Stattdessen könnten Ketonkörper als Ersatz dienen und so das Gehirn wieder mit ausreichend Energie versorgen. Die Ketonkörper sind also nicht nur die bessere und stabilere Energiequelle, sondern können auch Defizite in der mentalen Performance, die durch Glukose hervorgerufen werden, ausgleichen!
Der definitiv beste Treibstoff für dein Gedächtnis sind also die Ketonkörper. Sie werden aus Fetten aus der Nahrung synthetisiert und sind, anders als Glukose, ein schneller und vor allem stabiler Energielieferant für deine mentale Leistungsfähigkeit!
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Einfluss von Sauerstoffmangel auf die Gehirnfunktion
Die ausreichende Sauerstoffversorgung des Gehirns ist essentiell für seine Funktion. Sauerstoffmangel, auch Hypoxie genannt, kann zu einer Beeinträchtigung der Gehirnfunktion führen, die sich in Symptomen wie Verwirrung, Konzentrationsschwierigkeiten und Gedächtnisproblemen äußern kann. In schweren Fällen kann Hypoxie zu Bewusstlosigkeit, Hirnschäden und sogar zum Tod führen.
Um die Informationsverarbeitung im Gehirn besser zu verstehen, sind Kenntnisse über den Zusammenhang zwischen Sauerstoffverfügbarkeit und Hirnaktivität essenziell. Die Ergebnisse der Wissenschaftler liefern hierzu erste Einblicke und sind eine wichtige Basis, um in zukünftigen Experimenten die Energiebilanz des Gehirns weiter zu untersuchen und den Sauerstoffverbrauch für verschiedene Nervenzellfunktionen zu messen.
Unter dem Einfluss hyperbarer Oxygenierung lassen sich „schlafende“ Nervenzellen nach einem Schlaganfall wieder aktivieren. Und dies nicht nur unmittelbar nach der Schädigung, sondern auch noch Jahre später. Dies weist eine randomisierte, prospektive Studie nach, die im Januar 2013 publizierte wurde. An der Universität Tel Aviv behandelte das Team um Dr. Die Teilnehmer wurden nach dem Zufallsprinzip einer Behandlungs- bzw. Kontrollgruppe zugewiesen. In der Behandlungsgruppe fanden gleich zu Beginn der Studie 40 HBO Sitzungen (5 Tage/Woche) à 90 Minuten statt, bei der Kontrollgruppe erst zwei Monate später. Es wurden 100% Sauerstoff bei einem Druck von 2 bar verabreicht. Mit dem Ergebnis: Die neurologischen Funktionen sowie die Lebensqualität aller Patienten in beiden Gruppen verbesserten sich infolge der HBO-Therapie signifikant. Somit empfiehlt sich die HBO als eine vielversprechende Therapie-Option in der Regenerationsphase nach Schlaganfall. Bei den Teilnehmern der israelischen Studie besserten sich Lähmungen, Taubheitsgefühle und Sprechvermögen und damit die alltägliche Lebensqualität. Den Erfolg der HBO sieht Efrati darin begründet, dass das Gehirn für eine Wiedererholung viel mehr Energie brauche als mit der Aufnahme von normobarem Sauerstoff möglich sei. Normalerweise werde rund 20% des vom Körper aufgenommen Sauerstoff für das Gehirn verbraucht. Damit würden aber nur 5 bis 10 % der Neuronen aktiv gehalten. Die HBO erhöht den Sauerstoffgehalt im Blut bei dem hier verwendeten Druck mindestens um das Zehnfache. Was am meisten verblüffte: Auch Patienten jenseits des erwarteten Zeitfensters profitierten von der HBO.
Ernährung und Gehirnleistung
Die richtige Ernährung ist entscheidend für die optimale Funktion des Gehirns. Da das Gehirn auf eine stetige Versorgung mit Energie angewiesen ist, ist eine ausgewogene Ernährung mit ausreichend Glukose und Sauerstoff wichtig. Schnell verfügbare Zuckerquellen wie Süßigkeiten oder Softdrinks lassen den Blutzucker rasant ansteigen - und ebenso schnell wieder abfallen. Das Ergebnis: Müdigkeit, Gereiztheit und ein Leistungstief.
Wer lernt, benötigt Nährstoffe. Vitamin C, Vitamin E sowie einige sekundäre Pflanzenstoffe gehören zu den Antioxidantien. Sie schützen die Nervenzellen vor oxidativem Stress. Besonders empfehlenswert sind Beeren, Zitrusfrüchte, Brokkoli, Spinat und Paprika. Daneben helfen Omega-3-Fettsäuren. Diese mehrfach ungesättigten Fettsäuren tragen zur normalen Gehirnfunktion und Signalübertragung bei. Reichlich vorhanden sind sie in fettem Seefisch wie Lachs, Hering und Makrele, aber auch in pflanzlichen Quellen wie Leinsamen, Chiasamen und Walnüssen. Das Mikrobiom, also die Gesamtheit der Darmbakterien, beeinflusst unsere Stimmung und Konzentration. Eine ballaststoffreiche Ernährung unterstützt die Vielfalt der Bakterienkulturen. Präbiotische Ballaststoffe wie Inulin, das in Chicorée, Topinambur und Artischocken steckt, fördern gezielt das Wachstum nützlicher Darmbakterien. Nicht nur einzelne Nährstoffe sind für die Gehirnleistung wichtig - auch die Ernährungsphilosophie spielt eine Rolle. Gerade bei Schulkindern, die täglich viele Eindrücke verarbeiten und Lernstoff behalten müssen, lohnt sich ein Blick über den Tellerrand hinaus. In der ayurvedischen Lehre gilt „sattvische Nahrung“ als besonders förderlich für geistige Klarheit. Dazu zählen frisches Obst, Milch, Nüsse, Vollkornprodukte und Honig. Die Traditionelle Chinesische Medizin (TCM) empfiehlt, das Qi - also die Lebensenergie - durch regelmäßige, warme Mahlzeiten zu stärken. Pflanzen wie Ginkgo biloba oder Rosmarin werden in der Naturheilkunde traditionell genutzt, um die Durchblutung und die geistige Wachheit zu unterstützen. Theorie ist gut, doch im hektischen Familienalltag zählen vor allem einfache, umsetzbare Ideen. Viele Eltern fragen sich, wie sie ihre Kinder beim Lernen optimal unterstützen können, und auch Erwachsene möchten ihre Konzentrationsfähigkeit im Alltag verbessern. In bestimmten Fällen - etwa bei nachgewiesenem Nährstoffmangel - können Präparate mit Omega-3-Fettsäuren, Eisen oder B-Vitaminen hilfreich sein.
Das Gehirn und die Idealfigur?
Das Gehirn verbraucht zwar viel Energie, aber das bedeutet nicht, dass angestrengtes Denken automatisch zu Gewichtsverlust führt. Zwar verbrennt das Gehirn im Schnitt 500 Kilokalorien bzw. 20 Prozent der Gesamtenergie am Tag, aber dieser Wert ist relativ stabil, egal ob wir fernsehen, joggen oder Hausaufgaben machen. Einzelne Hirnregionen zeigen jedoch einen erhöhten Energieverbrauch, wenn sie besonders beansprucht werden.
Es stimmt zwar, dass das Gehirn im Vergleich zu anderen Organen mit einem Anteil von nur zwei Prozent am Körpergewicht einen sehr hohen Energieverbrauch hat. Es benötigt so viel Energie, da es rund um die Uhr aktiv ist. Außerdem verbrennt neuronale Aktivität, insbesondere die für höhere Hirnfunktionen, besonders viel Energie. Speziell der Transport von Ionen und Botenstoffen ist sehr kostspielig, für eine funktionierende Signalübertragung aber unverzichtbar. Hinzu kommt die Instandhaltung der Zellen, die bereits ein Viertel der Energie aufbraucht.
Allerdings beruht die Annahme, dass man durch Denken abnehmen kann, auf einem Missverständnis. Messungen des Energieverbrauchs haben ergeben, dass Schachspieler:innen im Spiel im Schnitt 1,67 Kalorien pro Minute verbrauchen, im Vergleich zu 1,53 in Pausen. Die meiste Energie wird also durch intrinsische Aktivität für grundlegende Körperfunktionen verbraucht.
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