Verbraucht das Gehirn immer gleich viel Energie?

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Inzwischen hat sich in der Hirnforschung die Erkenntnis durchgesetzt, dass das Gehirn eine dissipative Struktur ist.
Die Theorie dissipativer Strukturen (TDS) könnte man auch als die Physik lebender Systeme bezeichnen. 1977 erhielt Ilya Prigogine dafür den Nobelpreis. Die TDS gibt Auskunft über das ziemlich ausgeklügelte Energiemanagement im Gehirn.

Dazu muss ich aber einige thermodynamische Fachbegriffe verwenden, die ich kurz erläutere:

„Energie“ ist zunächst eine rein quantitative Aussage, wie z.B. „10 kg Äpfel“.

Nun können Äpfel aber eine unterschiedliche Qualität haben. Es gibt frische knackige Äpfel, die unbeschränkt verwertbar sind. Energie, die „frisch“ ist und unbeschränkt verwendbar ist, nennt sich Exergie. Das wäre z.B. alle mechanische oder elektrische Energie.

Es gibt aber auch Äpfel, die komplett verfault sind und mit denen man gar nichts mehr anfangen kann, außer wegwerfen. Im Bereich der Energie nennt sich der Energieabfall, der zu nichts mehr zu gebrauchen ist und den man unbedingt loswerden möchte, Anergie. Abwärme bei Umgebungstemperatur besteht zu 100% aus Anergie.

Was bei den Äpfeln mit „faulen“ bezeichnet wird, wäre in der Physik „dissipieren“ oder „Energieentwertung“. Dabei wird Exergie in Anergie umgewandelt.

Nun gibt es aber auch noch Äpfel, die nur zum Teil verfault sind. Dann muss man das Faulige wegschneiden und wegwerfen und aus dem Rest kann man immer noch Kompott kochen. Im Bereich der Energie wäre das chemische Energie sowie sämtliche thermischen Energien. Diese bestehen aus einer Mischung von Exergie und Anergie.

Bei Äpfeln würde man einen „Verfaulungsgrad“ definieren um anzugeben, wie weit sich der knackige Apfel schon in einen fauligen Apfel verwandelt hat. Das gibt bei der Energie die Entropie an.
Bei 100% knackigen Äpfeln hätte man einen minimalen Verfaulungsgrad, bei reiner Exergie hat man eine minimale Entropie.
Bei 100% fauligen Äpfeln hätte man den maximalen Verfaulungsgrad, bei Anergie hat man die maximale Entropie.

So, wie man den Energieerhaltungssatz anwenden kann, könnte man auch einen Äpfelerhaltungssatz definieren:

Äpfel = knackige Äpfel + faulige Äpfel
Die 10 kg Äpfel bleiben erhalten, es verschiebt sich jedoch durchs Faulen der Anteil von knackig zu faulig im Laufe der Zeit.
Energie = Exergie + Anergie
Die Energie bleibt erhalten, aber durch die Dissipation verschiebt sich der Anteil von der Exergie zur Anergie.

Der real existierende Zeitpfeil sorgt dafür, dass sich immer nur knackige Äpfel in faulige umwandeln können. Der umgekehrte Vorgang wurde noch nie beobachtet und ist prinzipiell auch gar nicht möglich.
Der real existierende Zeitpfeil sorgt ebenfalls dafür, dass sich immer nur Exergie in Anergie wandeln kann, niemals aber umgekehrt.

So, mit diesen Grundlagen können wir das Energiemanagement des Gehirns näher betrachten und es lassen sich viele Alltagsphänomene leicht verstehen.

Das Gehirn arbeitet prinzipiell so, dass ihm Exergie zugeführt wird in Form von chemischen Verbindungen im Blut. Diese Exergie wird im Gehirn entwertet, um dabei höhere Ordnungsstrukturen, z.B. Gedanken, zu erzeugen. Durch die Entwertung (Dissipation) der Exergie entsteht Anergie in Form von Abwärme, die aus dem Gehirn abtransportiert werden muss, damit es nicht überhitzt. Je schneller die Dissipation von Exergie erfolgt, umso komplexere Gedanken können entstehen. Die Geschwindigkeit der Dissipation wird mit dem Begriff der Entropieproduktion beschrieben. Entropieproduktion wäre Faulgeschwindigkeit bei den Äpfeln.
Es gibt inzwischen sogar klinische Gräte, die können die Entropieproduktion im Gehirn messen und bei einer Narkose daraus den Bewusstseinszustand des Patienten wesentlich präziser ermitteln, als das Anästheisten mit konventionellen Mitteln bisher konnten. Etwa 1/2 - 1 Minute, bevor ein Patient aufwacht, sprich sein Bewusstsein wiedererlangt, steigt die Entropieproduktion im Gehirn sprunghaft an. Dann hat der Anästheist noch genügend Zeit, um Narkosemittel nachzugeben. Durch diese Messungen können Narkosen noch flacher gehalten und optimiert werden.

Nun gibt es ein eigenartiges Phänomen, das ich zunächst am Apfelkorb erläutere. Sobald sich faulende Äpfel im Korb befinden, liegt die Lösung nicht darin, genügend frische Äpfel als Ersatz nachzufüllen sondern es kommt vor allem darauf an, die fauligen möglichst komplett loszuwerden, wenn nicht der ganze Korb verdorben werden soll.

Ähnlich ist es beim Gehirn. Die Energiezufuhr zu erhöhen, wäre kein Problem, obwohl das Gehirn jetzt schon etwa 1/3 des gesamten Energieverbrauches beim Menschen erzeugt. Dazu könnte z.B. einfach der Zuckerspiegel im Blut erhöht werden. Das große Problem ist die Abfuhr der Anergie. Wird diese nicht schnell und vollständig abgeführt, verdirbt das gesamte Gehirn, indem es einen Hitzschlag erleidet. Die Gehirnleistung ist direkt von der Kühlleistung des Gehirns abhängig, hier liegen auch die physiologischen Grenzen.

Der Kopf des Menschen hat sich gegenüber den anderen Säugetieren evolutionär weiterentwickelt. Andere Säugetiere haben einen Kaumuskel, der hinter dem Kiefergelenk verläuft. Das ergibt einen guten Hebel und hohe Beißkraft. Dahinter liegen 2 Zu- bzw. Ableitungen (Blutbahnen) zur Kühlung des Gehirns.
Beim Menschen liegt der Kaumuskel vor dem Kiefergelenk, was die Beißkraft deutlich verringert. Dafür ist aber Platz für eine dritte Zu- bzw. Ableitung entstanden. Die Kühlleistung wurde dadurch um etwa 50% erhöht, wodurch auch das Gehirn entsprechend wachsen konnte.
Zusätzlich wurde die Kühlleistung des menschlichen Körpers insgesamt erhöht, dass er Fell verloren hat aber stattdessen Schweißdrüsen bekam.

Mit der Kühlleistung hängen Phänomene zusammen wie z.B. dass man bei heißem Wetter nicht so gut denken kann, wie mit kühlem Kopf oder dass man durch konzentriertes Denken in Schweiß geraten kann.

Jüngst wurde in Untersuchungen nachgewiesen, dass die Lernleistung durch körperliche Bewegung steigt. Viele behaupten auch, sie könnten beim Spazieren gehen oder beim Auf- und Abgehen im Zimmer besser denken, als im Sitzen. Das ist plausibel. Durch die Bewegung kommt der Kreislauf in Schwung, die Durchströmung des Gehirns steigt, es kann mehr Abwärme abtransprotiert werden, die Entropieproduktion wird gesteigert, es entstehen komplexere Gedanken.

Nur nebenbei: das sind ausschließlich energetische Betrachtungen. Entropie wird auch dadurch exportiert, dass minderwertige Stoffwechselprodukte aus dem Gehirn abgeführt werden. Das würde jetzt aber zu weit führen.

Beim Lernen auf eine Klausur kann es sinnvoller sein, statt 6 h zu lernen nur 5 h zu lernen und 1 h Sport zu machen. Dadurch wird der Kreislauf auf Maximum gefahren, die Kühlleistung steigt, dadurch kann die Entropieproduktion erhöht werden und das Gelernte wird besser vom Kurz- ins Langzeitgedächtnis umgesetzt.

Innerhalb der physiologischen Grenzen von Exergiezufuhr und Anergieabfuhr (Entropieexport) gibt es noch ein Managementmodul, dass dem Energiemanagement in Hybridautos vergleichbar ist. Die im Blut messbare Exergiezufuhr ist kaum davon abhängig, ob man viel oder wenig denkt, ob man wacht oder schläft.

Die momentane Exergiezufuhr durch das Blut entspricht der Leistung des Verbrennungsmotors. Diese wird im bewussten Zustand (fahren) vollständig zum Denken benötigt. Bei besonders hoher Konzentration (Beschleunigen, Höchstgeschwindigkeit) können aber zusätzliche Energiespeicher im Gehirn (Akkus) angezapft werden, um die Denkleistung zu erhöhen. Gehen die Akkus leer, wird man müde (Gesamtleistung sinkt) und unkonzentriert.

Wenn man schläft, wird kaum noch Exergie zum Denken benötigt, das Großhirn wird runtergefahren. Dann wird die zur Verfügung stehende Exergie dazu genutzt, um die Energiespeicher wieder aufzuladen sowie unterbewusste Verarbeitungsvorgänge zu erledigen, für die im Wachzustand keine Exergie zur Verfügung stand. Ausreichend Schlaf ist daher elementar für gute Denkleistungen tagsüber (nachts die Akkus aufladen).
Ebenso kann durch Sport mit viel Bewegung und wenig Denken (Energierückgewinnnung beim Bremsen) wieder eine Teilladung der Energiespeicher erfolgen, wodurch man nach der Bewegung wieder neue Konzentration finden kann.

Ich habe festgestellt, dass ich bei/nach anstrengenden geistigen Tätigkeiten viel öfter pinkeln muss. Es scheint also Einfluss auf die Nierentätigkeit zu haben. Da die Nieren Rückstände der Energieumwandlungen ausscheiden, vermute ich mal stark, dass das Gehirn dann auch mehr Energie umsetzt.

Daneben kann der Effekt aber auch vorausschauend sein, dh das Gehirn möchte dann gereinigtes Blut zur besseren Versorgung.

Je nachdem was du gerade arbeitest verbraucht das Gehirn unterschiedlich viel Energie. Aber nicht nur Arbeit erhöht den Energiebedarf, auch Sport oder viele neue Erfahrungen, Sinneseindrücke.

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