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Wie können wir uns ein Hirn leisten?

Der Roboter iCub, ein hybrides kognitives System.
(c) REUTERS (Robert Pratta)
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Der Betrieb der Nervenzellen ist überraschend energiesparend. Dabei benötigt unser Denkapparat auch im Ruhemodus einiges an Energie. Trotzdem sind die Zellen sparsamer als jegliche menschliche Technik.

Unser Gehirn ist ein kostspieliges Organ: Es macht zwar nur zwei Prozent des Körpergewichts aus (bei schlanken Menschen), braucht aber zirka 20 Prozent der Energie. Einige Anthropologen meinen, dass erst die Umstellung auf energiereichere Nahrung (Fleisch, Kohlenhydrate) unseren Vorfahren erlaubte, sich dieses Organ zu leisten.

Könnte eine Beschränkung des Denkens beim internen Energiesparen helfen? Nur ein wenig. Energieaufwendig ist das Hirn auch im Stand-by-Modus, weil die elektrochemischen Potenziale an den Synapsen aufrechterhalten werden müssen. Diese Potenziale entstehen aus dem Konzentrationsgefälle von Ionen (Na+, K+), um dieses zu erzeugen, dienen Ionenpumpen: Enzyme, die die Ionen durch die Membrane schleusen und dafür (chemische) Energie verbrauchen.

Biophysiker können berechnen, wie viel Energie für solche Prozesse theoretisch – also im günstigsten Fall – nötig ist. Bisher dachten sie, dass in Wirklichkeit zirka viermal so viel Energie verbraucht wird, weil die K+- und Na+-Pumpen nicht gut koordiniert seien.

Sie sind es doch: Forscher um Henrik Alle (Max-Planck-Institut, Frankfurt) maßen an Nervenzellen von Ratten, dass der Energieverbrauch nur 1,3-mal so hoch ist wie der theoretische Wert (Science, 325, S.1349). Das ist eine Effizienz, auf die menschliche Techniker ziemlich stolz wären. Und es spricht dafür, dass diese Prozesse im Lauf der Evolution optimiert wurden. Zumindest bei Säugetieren: An Tintenfischneuronen wurden dreimal so große Werte gemessen. Der energiesparende Betrieb der Nervenzellen, meint Alle, „könnte dazu beigetragen haben, dass sich komplexe Gehirne entwickeln konnten“. tk

("Die Presse", Print-Ausgabe, 11.09.2009)