• vom 22.06.2017, 17:00 Uhr

Mensch


Hirnforschung

Das Gehirn ist eine Schlafmütze




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  • Wiener Forscher beobachten die rätselhaften Mechanismen des Einschlafens und des Erwachens.

Der Schlaf ist der natürliche Zustand: Erst ein Reiz weckt die Gehirnzellen auf.

Der Schlaf ist der natürliche Zustand: Erst ein Reiz weckt die Gehirnzellen auf.© fotolia/Kristin Gründler Der Schlaf ist der natürliche Zustand: Erst ein Reiz weckt die Gehirnzellen auf.© fotolia/Kristin Gründler

Wien. (est) Ohne Schlaf kann der Mensch nicht leben. Doch das Universelle scheint auch hier rätselhaft. Bei allen Organismen mit Nervensystem ändert sich die Gehirnaktivität in den Schlafphasen, doch ist wenig über die Mechanismen bekannt, die ein Gehirn einschlafen und erwachen lassen.

Wie schlafen wir ein und wie erwachen wir? Der Neurobiologe Manuel Zimmer und seine Kollegen vom Institut für Molekulare Pathologie (IMP) sind der Lösung des Rätsels einen Schritt näher gekommen. Das Team studiert die Übergänge zwischen Wachen und Schlafen an Fadenwürmern. Wie sich dabei zeigte, ist bei Müdigkeit der Schlaf der stabile Grundzustand des Gehirns, auf den es ganz unweigerlich zusteuert, solange starke äußere Reize fehlen.


Somit muss es nicht wundern, wenn ohnehin müde Menschen bei langweiligen Vorträgen oder ebensolchen Lektüren zuerst in eine Art Trance verfallen und dann langsam wegkippen - und erst wieder aufwachen, wenn geklatscht wird oder das Buch herunterfällt. Manuel Zimmer vergleicht den Zustand mit dem einer ruhenden Kugel in einer Mulde. Nur durch einen Anstoß lässt sich die Kugel nach oben bewegen, rollt dann aber sogleich zurück. Ähnlich sei es mit dem Schlaf, aus dem die Tiere durch einen passenden Reiz geweckt werden und in den sie spontan wieder zurückfallen. Wissenschafter sprechen von einem Attraktor. "Der Mechanismus kann erklären, wie sich so unterschiedliche Zustände wie Schlaf und Wachheit effizient und schnell über das gesamte Gehirn ausbreiten können", erläutert Zimmer im Fachmagazin "Science".

Für ihre Schlafstudien wählten die Forscher den winzigen Fadenwurm C. elegans. Mit nur 302 Zellen ist sein Nervensystem klein genug, um mit speziellen Verfahren die Aktivität sämtlicher Gehirnzellen in Echtzeit zu messen. Das wiederum ist laut Zimmer die Voraussetzung, um die tief greifenden Veränderungen beim Übergang zwischen Wachen und Schlafen sowohl in ihrer Gesamtheit als auch im Detail zu erfassen.

Kooperation zwischen Zellen
Die nächste Herausforderung war, die Wach- und Schlafphasen des Wurms zu steuern. Dies gelang den Doktoranden Annika Nichols und Tomá Eichler, indem sie die Frischluftzufuhr veränderten. C. elegans lebt an sich in der Erde, wo viele Mikroorganismen atmen und somit die Sauerstoffkonzentration niedrig halten. Deshalb mögen Würmer niedrige Sauerstoffkonzentrationen. Wie Nichols und Eichler experimentell belegen konnten, können die Würmer, wenn sie müde sind, unter diesen Bedingungen schlafen. Darauf aufbauend entdeckten die Forscher, dass Frischluft mit 21 Prozent Sauerstoffgehalt die Tiere in einen Alarmzustand versetzt und weckt. Sie nutzten dies in ihren Experimenten wie einen Schalter, um die Würmer einzuschläfern und wieder zu wecken.

Nichols maß die Aktivität aller Nervenzellen im Gehirn während der Wach-Schlaf-Übergänge. Es zeigte sich, dass ein Großteil der Zellen, die beim wachen Tier aktiv sind, im Schlaf ruhen. Einige Zelltypen sind jedoch davon ausgenommen. Sie heißen RIS-Zellen und erzeugen eine schlaffördernde Substanz. Nichols fand, dass RIS-Zellen auch bei wachen Tieren aktiv sind, ganz besonders wenn das Verlangen, gleich einzuschlafen, hoch ist. Aus der Aktivität dieser spezialisierten Nervenzellen lässt sich also die Müdigkeit des Gehirns ableiten und vorhersagen, wann das Tier einschlafen wird.

Eine besonders interessante Beobachtung machte Nichols, als sie das Gehirn beim Einschlafen genauer beobachtete. Eine Computeranalyse deutete an, dass die Netzwerkaktivität sich spontan und von selbst in einen Grundzustand versetzt. Eigentlich hatten die Forscher nämlich angenommen, dass die RIS-Zellen das Nervensystem wie ein Dirigent sein Orchester nach dem Schlusstakt zum Schweigen zwingt. Tatsächlich scheint RIS aber eine Vereinbarung zwischen allen Teilnehmern zu initiieren, die sich dann im Kollektiv etabliert. Der Vorteil eines solchen Mechanismus wäre, dass der Wechsel zwischen Schlaf und Wachheit schon durch eher subtile Veränderungen im Gehirn gesteuert werden kann.

Trotz offenbarer Unterschiede zwischen den Gehirnen von Würmern und Menschen bergen die Ergebnisse laut den IMP-Forschern das Potenzial, grundlegende Prinzipien der Gehirnorganisation zu erklären.




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Dokument erstellt am 2017-06-22 16:47:10



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