"Soweit man in der Evolution zurückschauen kann, hat jedes Tier, das ein Gehirn hat, ein Schlafbedürfnis", erklärte der österreichische Neurophysiologe Gero Miesenböck der APA: Erstaunlicherweise wisse aber niemand, wozu alle Tiere - von Quallen über Würmer, Fruchtfliegen, Ratten und Menschen - überhaupt schlafen. Doch der Forscher hat herausgefunden, was im Gehirn Schlaf auslöst, und eine Theorie, wofür er überlebenswichtig ist: Um zerstörerischen Sauerstoff zu dezimieren.

"Der Schlaf ist das einzige weitverbreitete Verhalten, dessen Funktion noch völlig mysteriös ist", sagte der Oberösterreicher, der das Centre for Neural Circuits and Behaviour der Universität Oxford leitet. Kein Tier, einschließlich dem Menschen, kommt aber ohne ihn aus. Der berühmte Schlafforscher Allan Rechtschaffen von der University of Chicago habe einmal gesagt: "Wenn er nicht eine absolut überlebensnotwendige Funktion hätte, wäre der Schlaf der größte Fehler der Evolution." Er bringt erhebliche Risiken und Kosten, so Miesenböck: "Man ist wehrlos, wenn man sich von der Umwelt abkoppelt und unproduktiv." Irgendein "Positivum" müsse all diese Nachteile aufwiegen.

Ein Lichtstrahl knipst Nervenzellen an

Miesenböck entdeckte mit seinem Forschungsteam bei Fruchtfliegen, welche Zellen im Gehirn Schlaf auslösen, und was sie dazu veranlasst. Dazu schleusten die Forscher den Code von auf Licht reagierenden Eiweißstoffe in die Zellen. Anschließend schickten sie einen Lichtstrahl in das Fliegenhirn. Damit konnten sie diese Nervenzellen gezielt aktivieren und ihre neuronalen Schaltkreise kontrolliert "anknipsen". Diese von Miesenböck mitentwickelte Methode namens "Optogenetik" wurde 2010 vom Wissenschaftsmagazin "Nature" zur "Methode des Jahres" gekürt und gilt in Fachkreisen als Nobelpreis-verdächtig.

"Wenn man diese Gehirnzellen künstlich einschaltet, kann man die Fliegen in Schlaf versetzen", sagte Miesenböck: "Wir haben auch ihre Gegenspieler gefunden, die Aufwachzellen." Sie sind über Synapsen mit den Schlafzellen verbunden und hemmen deren Aktivität, wenn es ans Munterwerden geht.

Gemeinsamer Nenner Sauerstoffradikale

Die Forscher fanden auch heraus, was die Schlafzellen aktiviert: Beim Stoffwechsel im Wachzustand und speziell beim Verbrennen von Nahrung durch die "Zellkraftwerke" (Mitochondrien) entsteht reaktiver Sauerstoff - sogenannte freie Sauerstoffradikale. Diese sind gefährlich: Sie schädigen in hoher Dosis das Erbgut und können Krebs verursachen, genau so wie Herz-Kreislauferkrankungen, Morbus Parkinson und Alzheimer. "Chronischer Schlafmangel verkürzt bei Menschen und Tieren das Leben; wenn man sie ständig am Wachsein hält, führt das zum vorzeitigen Tod", so Miesenböck. Die selbe "Nebenwirkung" hätte übermäßige Kalorienzufuhr. "Die einzige Intervention, die man kennt, um das Leben zu verlängern und den Alterungsprozess zu verzögern, ist das Fasten", sagte er. Es hält einen also genau so länger am Leben wie das Schlafen.

"Der gemeinsame Nenner scheinen Sauerstoffradikale zu sein", berichtete der Forscher. Er hat herausgefunden, dass ein Transportkanal für elektrisch geladene Teilchen in Nervenzellen (der spannungsgesteuerte Kaliumkanal "Shaker") quasi einen Sensor eingebaut hat, und auf bestimmte Reaktionsprodukte der Sauerstoffradikale reagiert. Er wird aktiv und die Ladungsverteilungen in den Nervenzellen ändern sich dadurch. In Folge entsteht ein elektrischer Reiz, der die Fliegen in den Schlaf schickt. Die Sauerstoffradikale lösen demnach über jenen Kanal das Einschlafen der Tiere aus.

Im Schlaf werden diese gefährlichen Sauerstoffradikale quasi entschärft. Ob das aktiv passiert, indem sie gezielt abgebaut werden, oder ob im Ruhezustand nur ihre Produktion gedrosselt wird, wisse man nicht, so Miesenböck. Es sei allerdings ganz klar, dass dieser gefährliche Sauerstoff ein fundamentaler Grund für das Schlafbedürfnis wohl aller Tiere einschließlich der Menschen ist.

Einschlafzellen gibt es auch bei Menschen

"Auch bei uns Menschen gibt es Zellen im Gehirn, die viele Gemeinsamkeiten mit den Einschlafzellen der Fliegen haben", erklärte er. Sie sind im Schlaf elektrisch aktiv so wie bei den Fliegen und bei beiden Organismen Angriffspunkt für Anästhetika (Narkosemittel). Das stärkste Indiz, dass der Mechanismus bei Säugern nicht anders als bei Fliegen ist, sei, dass man Schlaf auslösen kann, wenn man oxidierende Substanzen in das Gehirn von Ratten nahe dieser Zellen einbringt, so der Forscher. Schlaf wäre demnach nichts anderes, als ein Verteidigungsmechanismus gegen diese Sauerstoffradikale.

Gero Miesenböck berichtet am Dienstagabend (21. September) bei einem Vortrag am Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg über seine Erkenntnisse zu den molekularen Mechanismen, die das Schlafbedürfnis erkennen, und dafür sorgen, dass Fliegen und andere Tiere dem Aufruf des Sandmännchens folgen.

Service: Online-Vortrag "Mechanisms for balancing sleep need and sleep" von Gero Miesenböck (via Zoom); Anmeldung erforderlich http://go.apa.at/ljVZWKCC

Diese Meldung ist Teil einer Medienkooperation mit dem Institute of Science and Technology (IST) Austria