במהלך רעב הגוף עושה הכל כדי לשמור על המוח. למוח עדיפות עליונה בכל מה שקשור לגישה לחומרים מזינים ודלק חיוניים. המוח הוא, אם כן, האזור האחרון שסבל ממחסור במזון. יש אפילו הוכחות לכך שתקופות רעב קצרות עשויות להיות בריאות למוח. עם זאת, אפילו המוח חייב בסופו של דבר לחילוף חומרים של נוירונים משלו כדי לשמור על שארית המוח בחיים.
קטוזה
בשלבים הראשונים של רעב או צום מים, הגוף ממיר גליקוגן המאוחסן בכבד ובשרירים לגלוקוז. לאחר 24 שעות של שימוש בגליקוגן המאוחסן כמקור אנרגיה, הגוף עובר לשריפת שומן. רקמות שרירים וחיבור מסוימות משמשות גם כדי לספק את אבני הבניין לזרזים ביולוגיים חשובים. מכיוון ששומנים אינם יכולים לעבור את מחסום הדם-מוח, המוח אינו יכול להשתמש בשומנים כמקור אנרגיה. עם זאת, חילוף החומרים בשומן בכבד מייצר גופי קטון כתוצר לוואי. המוח יכול להשתמש בחומרים אלה כמקור אנרגיה. מצב בו גופי קטון הפכו למקור האנרגיה העיקרי למוח נקרא "קטוזה".
יציבות נוירון
קטוזה אינה בריאה למוח, לדברי לייל מקדונלד, מחברת הספר "התזונה הקטוגנית". למעשה, ישנן הוכחות לכך שקטוזיס יכולה לייצב נוירונים במוח. רופאים יוונים קדומים ריפאו בהצלחה כמה מקרים של אפילפסיה ברעב. ההתקפים המתרחשים באפילפסיה מתרחשים כאשר נוירונים מקומיים מקבלים יתר על המידה והירי העז מתפשט לאזורים גדולים יותר של המוח. למרות שלא ברור לחלוטין מדוע, גופי קטון יכולים לייצב את העצבים ולהגן מפני התקפים. בשנים האחרונות יותר, הדיאטה הקטוגנית כביכול שימשה לטיפול באפילפסיה. תזונה זו מורכבת בעיקר משומן.
התמוטטות שרירים ונוירונים
כאשר מותר להרעב להמשיך לאורך תקופה ממושכת, מרבית השומן המאוחסן בגוף נוצל והמחסור בוויטמינים ומינרלים הופך להיות משמעותי. בשלב זה, הסיכוי היחיד של הגוף לשרוד הוא חילוף חומרים של שרירים ורקמות חיבור משלו. גם במוח חסר חומרים תזונתיים חיוניים ומתחיל לפרק את העצבים שלו כדי לשמור על השאר בחיים. על פי מחקר שפורסם בגיליון ינואר 2009 של "כתב העת לכימיה ביולוגית", מוחם של גברים ונשים מגיבים בצורה שונה במהלך רעב. המוח הגברי מתחיל להשתמש במהירות רבה יותר ברקמות משלו כדי לספק חומרים מזינים.
נפח מוח מופחת
כאשר המוח מתחיל לפרק את העצבים שלו, המוח ממש מתכווץ. עם זאת, הצטמקות זו הפיכה אם תיגמר הרעב. מחקר שפורסם בגיליון מאי 2010 של "כתב העת הבינלאומי להפרעות אכילה" הראה הפחתת נפח מוחי בקרב אנשים עם אנורקסיה נרבוזה. כאשר אנורקסים מרעבים את עצמם לרדת במשקל, המוח שלהם מתחיל לחילוף חומרים אפור משלו. עם זאת, אותם נבדקים שחזרו למשקל חזרו גם הם לנפח המוח.
