Warum verbraucht das Gehirn auch im Ruhezustand so viel Energie?

Das Gehirn ist ein stoffwechselanfälliges Organ, da eine Beeinträchtigung der Verfügbarkeit von Energie die kognitiven Funktionen schnell verschlechtert. Zwar wird in der Regel der Großteil der Energie für die aktive Kommunikation der Nervenzellen über elektrische und chemische Signale benötigt, doch sinkt der Energiebedarf auch in völliger Ruhe oder im Koma nur wenig ab, sodass das Gehirn sehr sensibel schon auf kurze Unterbrechungen der Blut- und damit der Energieversorgung reagiert.

Nach Pulido & Ryan (2021) sind für diesen Energiehunger die Synapsen verantwortlich, also die Schaltstellen zwischen den Nervenzellen, an denen elektrische Signale in chemische Botenstoffe übersetzt und über den synaptischen Spalt zwischen den Zellen transportiert werden. In der Untersuchung wurde der Ruhestoffwechsel mithilfe von Fluoreszenzmarkern und gezielter Blockade der Energiezufuhr in Form von Adenosintriphosphat oder einzelner Prozessschritte untersucht. Eine Gehirnzelle verpackt Neurotransmitter in winzige Bläschen, die dann solange auf Vorrat angedockt bleiben, bis ein elektrischer Impuls ihre Freisetzung auslöst. Aus früheren Studien ist bekannt, dass das Packen und Nachfüllen dieser Vesikel viel Energie verbraucht und daher beim aktiven Gehirn einen großen Anteil am gesamten Hirnstoffwechsel hat. Auch wenn die Synapsen nicht aktiv sind, benötigen die dort gelagerten Vesikel tatsächlich ständig Nachschub an chemischer Energie in Form des Moleküls Adenosintriphosphat, wobei das Enzym V-ATPase nicht nur beim Befüllen der Vesikel mit Neurotransmittern aktiv ist, sondern auch, wenn die Bläschen fertig gepackt sind und eigentlich nichts passiert. Die vakuoläre ATPase ist ein hochkonserviertes, evolutionär uraltes Enzym mit bemerkenswert vielfältigen Funktionen in eukaryontischen Organismen, die eine Vielzahl von intrazellulären Organellen ansäuern und Protonen durch die Plasmamembranen zahlreicher Zelltypen pumpen. vakuoläre ATPasen koppeln dabei die Energie der Adenosintriphosphat-Hydrolyse an den Protonentransport durch intrazelluläre und Plasmamembranen von eukaryotischen Zellen. Offenbar sind die Membranen der winzigen Neurotransmitter-gefüllten Bläschen offenbar nicht ganz dicht, sondern verlieren ständig Protonen an ihre Umgebung, sodass dieser Verlust dann wiederum durch die vakuoläre ATPase ausgeglichen werden muss, die dafür ständig Adenosintriphosphat verbraucht.

Die Nervenendungen können offenbar nicht genügend Adenosintriphosphat-Moleküle speichern und müssen diese während ihrer Aktivität synthetisieren, um eine akute Verschlechterung der Leistung zu vermeiden. Die Fähigkeit der bedarfsgesteuerten Adenosintriphosphat-Synthese, die aktivitätsbedingte Adenosintriphosphat-Hydrolyse zu befriedigen, hängt zusätzlich von der Größe der lokalen Stoffwechselprozesse im Ruhezustand ab. Man konnte zeigen, dass die synaptischen Vesikel eine Hauptquelle des präsynaptischen Basalenergieverbrauchs sind. Wie man feststellte, ist das Enzym V-ATPase nicht nur beim Befüllen der Vesikel mit Neurotransmittern aktiv, sondern auch, wenn die Bläschen fertig gepackt sind und eigentlich nichts passiert. Der konstante Protonenausstrom ist für rund 44 Prozent des Adenosintriphosphat-Verbrauchs einer ruhenden Synapse verantwortlich, sodass angesichts der enormen Zahl solcher Nervenenden im Gehirn und der Tatsache, dass dieser Energieverbrauch ständig anhält, Synapsen soviel Energie verbrauchen.

Aktuelle Untersuchungen stellen die energetische Grundlage des Denkens in den Mittelpunkt der Kognitionsforschung, denn Haueis & Colaço (2025) konnten zeigen, dass gängige Modelle geistiger Prozesse – von Wahrnehmung über Gedächtnis bis hin zu Aufmerksamkeit – die energetischen Rahmenbedingungen des Gehirns bislang kaum berücksichtigen. Obwohl das Gehirn lediglich einen kleinen Teil der Körpermasse ausmacht, beansprucht es einen erheblichen Anteil des gesamten Energieverbrauchs und arbeitet dabei immer noch effizienter als moderne Computersysteme. Diese Tatsache wird in vielen theoretischen Modellen jedoch weitgehend ignoriert. Der Stoffwechsel des Gehirns bildet nämlich nicht nur eine biologische Randbedingung, sondern ist ein zentraler Prüfstein dafür, ob kognitive Modelle überhaupt realistisch sein können. Wenn ein Modell mehr Energie voraussetzt, als ein biologisches Gehirn bereitstellen kann, muss es verworfen oder angepasst werden. Gleichzeitig eröffnet metabolisches Wissen neue Perspektiven darauf, wie neuronale Netzwerke Informationen verarbeiten, wie sie lernen und warum bestimmte Denkprozesse begrenzt sind. Der Stoffwechsel wirkt somit sowohl als Filter, der mögliche theoretische Erklärungen eingrenzt, als auch als Impulsgeber für neue Modellansätze. Haueis & Colaço (2025) plädieren daher dafür, metabolische Faktoren systematisch in die Modellierung geistiger Prozesse einzubeziehen – nicht nur aus naturwissenschaftlichen, sondern auch aus philosophischen Gründen. Die Frage, welche Energie Denkprozesse benötigen, berührt daher grundlegende Themen wie mentale Anstrengung, die Vergleichbarkeit biologischer und künstlicher Intelligenz sowie die Frage, welche Arten von Berechnung ein Gehirn überhaupt leisten kann. Denken ist daher eine energetisch begrenzte Tätigkeit und diese Grenzen prägen sowohl die Aufmerksamkeit als auch die Entscheidungsfähigkeit. von Menschen.

Literatur

Haueis, P., & Colaço, D. J. (2025). Metabolic considerations for cognitive modeling. Behavioral and Brain Sciences, 1–53.Pulido, Camila & Ryan, Timothy A. (2021). Synaptic vesicle pools are a major hidden resting metabolic burden of nerve terminals. American Association for the Advancement of Science, 7, doi: 10.1126/sciadv.abi9027.
https://www.scinexx.de/news/medizin/warum-unser-gehirn-so-energiehungrig-ist/ (21-12-08)