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Hirnforschung: Warum läuft das Gehirn nicht heiß?

Das Gehirn macht rund zwei Prozent unserer Körpermasse aus, verbraucht aber gut 20 Prozent der Energie. Dennoch arbeitet es konstant bei 37 Grad Celsius – warum?
Handinnenflächen schützen leuchtendes virtuelles GehirnLaden...

Eine gute Geschäftsidee wäre er schon, der Helm mit integrierten Eispads, die unser Gehirn stets herunterkühlen und so vielleicht allzu hitzigen Diskussionen entgegenwirken könnten. Aber Spaß beiseite: Wie schafft es unser Denkorgan, bei der enormen Rechenleistung und all der elektrischen Aktivität nicht heiß zu laufen wie ein Akku? Tatsächlich ist es in Sachen Stoffwechsel eines der aktivsten Organe unseres Körpers. Es verbraucht rund 20 Watt an Energie, das macht etwa 20 Prozent des gesamten Grundumsatzes des Organismus aus. Wofür benötigt das Gehirn so viel Saft? Und entsteht dabei nicht auch eine Menge Wärme?

Das Gehirn enthält bis zu 100 Milliarden Nervenzellen, und jede davon ist wiederum mit anderen über 10 000 bis 100 000 Synapsen verbunden. Alle Neurone produzieren elektrische Aktivität, so genannte synaptische Potenziale und Aktionspotenziale. Ganz ähnlich wie in den Mikroprozessoren unserer Computer dienen diese elektrischen Spannungen dazu, Informationen zu übermitteln. Nun kommt die Energie für das Gehirn nicht wie beim Computer aus der Steckdose, sondern muss erst mit Hilfe chemischer Prozesse erzeugt werden. Der Körper verstoffwechselt energiereiche Substrate wie Glukose, gewinnt daraus mittels Sauerstoff in den Mitochondrien der Zellen Energie und stellt sie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) für allerlei Prozesse zur Verfügung.

Als isoliertes Organ würde sich das Gehirn auf 50 bis 60 Grad aufheizen

Wozu genau wird diese Energie benötigt? Jede Folge von elektrischen Impulsen führt in den Neuronen zu leichten Ionenverschiebungen: Kaliumionen gelangen vom Zellinneren nach außen und Natriumionen von außen nach innen. Diese Umverteilung muss jedes Mal wieder rückgängig gemacht werden, ähnlich wie man auch einen Akku immer wieder aufladen muss. In der Zelle bewerkstelligt dies ein spezielles Membranprotein, die Natrium-Kalium-Pumpe oder auch Natrium-Kalium-ATPase.

Wie der Name schon sagt, wird hier ATP – der biochemische Energieträger – verbraucht, um die Ionen wieder ins Gleichgewicht zu bringen, so dass neue elektrische Potenziale in der Zelle entstehen können. Dieser Prozess verbraucht sehr viel Energie und produziert auch Wärme. Dadurch würde sich unser Gehirn, wenn es als isoliertes Organ existieren würde, auf eine Temperatur von etwa 50 bis 60 Grad Celsius erwärmen.

Was verhindert diese Überhitzung? In Grunde die Tatsache, dass das Gehirn durchblutet wird, und zwar nicht zu knapp: Etwa 15 Prozent des Herzminutenvolumens an Blut durchströmt das Denkorgan. Dabei hat das Blut neben vielen anderen Aufgaben auch die Funktion, Wärme abzuleiten. Wir nennen diesen Prozess »Konvektion« – man kennt ihn vielleicht von der Zentralheizung, die die Wärme durch zirkulierendes Wasser gleichmäßig über die Heizkörper im Haus verteilt. Genauso funktioniert die Kühlung in unserem Körper. Die überschüssige Wärme aus dem Gehirn wird über das Blut in den Körper abgeleitet, wo ausgeklügelte Mechanismen dafür sorgen, dass wir die Hitze loswerden. Mit fast zwei Quadratmetern Oberfläche kann die Haut sehr effizient Wärme abgeben – einerseits durch Strahlung, andererseits durch Verdunstung von Schweiß.

Da Hunde keine Schweißdrüsen besitzen, müssen die Vierbeiner sich mit Hecheln behelfen und sich so über die Zunge abkühlen. Das ist bei uns Menschen Gott sei Dank anders. Unsere körpereigene Kühlung reicht vollkommen aus, um das Gehirn konstant auf seiner Betriebstemperatur von 37 Grad Celsius zu halten. Wenn es also wieder einmal heißt, einen »kühlen Kopf zu bewahren«, dann sollten Sie daran denken, dass für die Temperaturregulation nicht der Kopf allein verantwortlich ist, sondern ein hocheffizienter Regelkreis im gesamten Körper. Kreislauf- und Hautdurchblutung schaffen so optimale Voraussetzungen dafür, dass unser Gehirn auf gute Gedanken kommt.

7/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Gehirn&Geist 7/2018

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