Ein einziges Kontrollzentrum für Schlaf und Wachen im Gehirn

12. Juni 2018

von Universität Bern

Credit: Human Brain Project

Bislang ging man davon aus, dass mehrere Hirnareale nötig sind, um Schlaf und Wachsein zu steuern. Berner Neurowissenschaftler haben nun ein einziges Kontrollzentrum für den Schlaf-Wach-Zyklus im Gehirn identifiziert. Die Erkenntnisse sind von grosser Bedeutung für die Suche nach neuen Schlaftherapien.

Jede Nacht verbringen wir mehrere Stunden im Schlaf und jeden Morgen wachen wir auf, um unser Leben zu gestalten. Wie die Gehirnschaltkreise diesen Schlaf-Wach-Zyklus steuern, bleibt ein Rätsel. Unser Schlaf ist in zwei Phasen unterteilt, den NREM-Schlaf (Non-Rapid-Eye-Movement) und den REM-Schlaf (oder paradoxen Schlaf), in dem die meisten unserer Träume stattfinden. Wichtige Schaltkreise des Gehirns wurden anhand von experimentellen und klinischen Daten identifiziert, doch die genauen zugrunde liegenden Mechanismen wie Beginn, Aufrechterhaltung und Beendigung des Schlafs und des Träumens sind nicht gut verstanden.

Wenn wir einschlafen, zeigt das Elektroenzephalogramm (EEG), dass unser Gehirn rhythmische Schwingungen erzeugt, die als „langsame Wellen“ bezeichnet werden. Diese Wellen sind wichtig, damit wir einschlafen und uns nach einem Tag voller geistiger und körperlicher Aktivität erholen können. Gängige Hypothesen besagen, dass diese langsamen Wellen in der Großhirnrinde, dem oberen Teil des Gehirns direkt unter der Schädeloberfläche, erzeugt werden. Im Gegensatz dazu ging man davon aus, dass Wachsein durch die Aktivität von „Wachzentren“ im unteren Teil des Gehirns entsteht, einschließlich des Hirnstamms, der direkt den Neokortex aktiviert, den Teil des Säugetiergehirns, der an höherwertigen Hirnfunktionen wie Sinneswahrnehmung, Kognition und Erzeugung motorischer Befehle beteiligt ist.

In einer wichtigen neuen Studie haben Neurowissenschaftler des Departements für BioMedizinische Forschung (DBMR) der Universität Bern und der Neurologischen Klinik des Inselspitals Bern herausgefunden, dass Neuronen im Thalamus, einem zentralen Knotenpunkt des Gehirns, sowohl den Schlaf als auch den Wachzustand steuern. Der Thalamus ist mit fast allen anderen Hirnarealen verbunden und unterstützt wichtige Hirnfunktionen wie Aufmerksamkeit, Sinneswahrnehmung, Kognition und Bewusstsein.

Schlaf ein- und ausschalten

Die Forschenden um Prof. Dr. Antoine Adamantidis entdeckten, dass eine kleine Population dieser Thalamusneuronen eine doppelte Kontrolle über Schlaf und Wachsein hat, indem sie je nach ihrer elektrischen Aktivität langsame Schlafwellen erzeugen, aber auch aus dem Schlaf erwachen. Die Forschergruppe verwendete eine Technik namens Optogenetik, mit der sie die Aktivität der Thalamusneuronen von Mäusen mit Lichtimpulsen präzise steuern konnten. Wenn sie die Thalamusneuronen mit regelmäßigen, lang anhaltenden Reizen aktivierten, wachten die Tiere auf, aber wenn sie sie in einer langsamen, rhythmischen Weise aktivierten, hatten die Mäuse einen tieferen, erholsameren Schlaf.

Dies ist das erste Mal, dass ein Bereich des Gehirns sowohl schlaf- als auch wachfördernde Funktionen hat. „Interessanterweise konnten wir auch zeigen, dass die Unterdrückung der neuronalen Aktivität des Thalamus die Erholung vom Schlafverlust beeinträchtigt, was darauf hindeutet, dass diese Neuronen für einen erholsamen Schlaf nach längerem Wachsein unerlässlich sind“, sagt Dr. Thomas Gent, Hauptautor der Studie. Dies zeigt, dass der Thalamus sowohl im Schlaf als auch im Wachzustand eine Schlüsselrolle spielt. Die Studie wurde jetzt in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht.

Der Durchbruch für die Schlafmedizin

Die Ergebnisse dieser Studie sind besonders wichtig in einer modernen Welt, in der die aktive Bevölkerung etwa 20 Prozent weniger schläft als noch vor 50 Jahren und unter chronischen Schlafstörungen leidet. Die Menschen arbeiten häufig zu unregelmäßigen Zeiten und holen den verlorenen Schlaf nur selten nach. Schlechter Schlaf wird zunehmend mit einer Vielzahl von psychiatrischen Erkrankungen in Verbindung gebracht und schwächt das Immunsystem. „Wir glauben, dass die Aufdeckung der Kontrollmechanismen der Thalamusneuronen während des Schlafs und des Aufwachens der Schlüssel zur Entwicklung neuer Schlaftherapien in einer Gesellschaft mit zunehmendem Schlafmangel sein wird“, sagt Prof. Antoine Adamantidis.

Weitere Informationen: Thomas C. Gent et al. Thalamic dual control of sleep and wakefulness, Nature Neuroscience (2018). DOI: 10.1038/s41593-018-0164-7

Zeitschrifteninformationen: Nature Neuroscience

Zur Verfügung gestellt von der Universität Bern

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