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Manuel Zimmer © IMP
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"Warum schlafen wir?"

30.08.2019

Manuel Zimmer, Universität Wien und Institut für Molekulare Pathologie (IMP)

Die Funktion des Schlafens ist eines der spannendsten Rätsel in den Neurowissenschaften. Täglich wechselt unser Gehirn in einen Zustand, der uns weitgehend von unseren Sinnesreizen entkoppelt, in den Tiefschlafphasen verlieren wir gar fast gänzlich unser Bewusstsein. Wir erleben die Notwendigkeit dieses Phänomens täglich, daher ist es umso verblüffender, dass sich die Forscher immer noch um so grundlegende Fragen streiten.

In der Tat gibt es einige stichhaltige Theorien zur Funktion des Schlafens, und für jedes dieser Konzepte haben Wissenschafter überzeugende experimentelle Hinweise gefunden. Vielleicht hat Schlaf nur die grundlegende Funktion, unsere Energie-Ressourcen zwischen Tag und Nacht besser umzuverteilen. Andere Forschungsergebnisse deuten stark darauf hin, dass unser Gehirn Schlaf benötigt, um sich von Stoffwechselprodukten entgiften zu können. Gängige Theorien zum Schlaf besagen jedoch, dass Schlaf eine grundlegende und essenzielle Funktion in der Informationsverarbeitung haben muss.

Interessanterweise schließt keine dieser Theorien die andere völlig aus. Mir scheint es daher plausibel, dass die meisten Forscher richtig liegen. Das würde bedeuten, dass Schlaf nicht nur eine, sondern viele Funktionen haben könnte. Vielleicht lassen diese sich jedoch auf eine ursprüngliche Grundfunktion in der Evolution der Tiere zurückführen. Schlaf scheint ein universelles Phänomen zu sein, das bei fast allen Tierarten beobachtet werden kann. Erstaunlicherweise schlafen selbst Quallen, die nach gängiger Definition eigentlich gar kein Gehirn haben, sondern nur ein diffuses Nervennetz. Um das Problem wirklich zu knacken, sollten wir Schlaf daher in möglichst vielen verschiedenen Organismen studieren und dann systematisch vergleichen.

Einem kleinen, bis zu 1 Millimeter langen Fadenwurm namens Caenorhabditis elegans könnte bei diesem wissenschaftlichen Unterfangen eine besondere Rolle zukommen. C. elegans lebt in reichhaltigen Böden und ernährt sich dort von Mikroorganismen. Er hat sich in den letzten Jahrzehnten als einer der wichtigsten Modellorganismen in der biologischen Grundlagenforschung etabliert. Das liegt daran, dass er im Labor einfach zu halten und experimentell gut zugänglich ist. Für Neurowissenschaftler ist er jedoch besonders spannend. Er besitzt ein kleines Nervensystem von nur 302 Neuronen und ist eines der wenigen Modellsysteme, bei denen ein ziemlich genauer Schaltplan des gesamten Nervensystems vorliegt.

Dass selbst Fadenwürmer schlafen, wissen wir schon seit über zehn Jahren. Seitdem haben Forscher weltweit herausgefunden, dass dies nicht nur regelmäßig während bestimmter juveniler Entwicklungsphasen, sondern auch als Antwort auf Stress auftrifft. Zudem wurden einige hormonelle Steuerungsmechanismen entschlüsselt und Parallelen zu höheren Tieren wie Fliegen und Vertebraten konnten auf dieser Ebene bereits gezogen werden. Was jedoch noch weitgehend unbeantwortet blieb, war, wie sich die Aktivitätsmuster im Gehirn dieser Tiere während des Schlafes verändern. Schlaf bei Säugetieren zeichnet sich durch charakteristische Aktivitätsmuster aus, die sich über das gesamte Gehirn ausbreiten. Solche Einblicke blieben Forschern von kleinen Invertebraten aus technischen Gründen lange verwehrt. Wiederum sind gehirnweite Messungen in größeren Tieren wie Säugern meist nur mit Techniken möglich, denen die Auflösung fehlt, um Aktivitäten bei einzelnen Zellen zu beobachten. Man bekommt leider nur ein diffuses Bild ganzer Neuronenverbände.

Hier bot sich meinen Mitarbeitern und mir eine einmalige Gelegenheit. Seitdem ich meine Arbeitsgruppe am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie in Wien etablierte, arbeiteten wir in Kollaboration mit meinem Kollegen Alipasha Vaziri mit vollem Elan an neuen experimentellen Mikroskopie-Ansätzen, die es letztendlich ermöglichten, Gehirnaktivität im Fadenwurm in Echtzeit und mit der Auflösung einzelner Zellen zu beobachten. Eine erste aufregende Entdeckung im wachen Wurmgehirn war, dass sich ganze Neuronenverbände zu dynamischen Aktivitätsmustern koordinieren. Selbst in einem kleinen Wurmgehirn sind Nervenzellen daher nicht als isolierte Einheiten zu betrachten, im Gegenteil: Sie synchronisieren sich fortwährend in verschiedenen Kollektivzuständen. Das Gehirn ist dabei kontinuierlich in Bewegung, genauer gesagt: Die Aktivitätsmuster verändern sich ständig mit fließenden Übergängen. Wir konnten sogar die Bedeutung dieser Aktivitätsmuster entschlüsseln und können so mittlerweile die Gedanken der Würmer lesen, das heißt, welche Verhaltensweisen sie momentan ausführen wollen.

Meine Studenten entwickelten dann Methoden, mit denen sich die Wach- und Schlafzustände unter dem Mikroskop gezielt kontrollieren ließen. Sie verwendeten bestimmte Tiere, die sich unter hohem Schlafdruck (d.h. Müdigkeit) befanden, und stimulierten diese dann mit anregenden sensorischen Reizen. Uns bot sich ein faszinierendes Bild: Während die angeregten Würmer die oben beschriebenen, regen Aktivitätsmuster aufwiesen, fielen ihre Gehirne beim Übergang in den Schlaf in einen stabilen Grundzustand, in dem bestimmte schlafaktive Neurone, die zuvor von anderen Forschern beschrieben wurden, ihre Aktivität über längere Zeit aufrechterhalten. Das Verhalten der beteiligten Neuronenverbände ähnelte dem, was Theoretiker als Attraktor bezeichnen; ein gewisser Zustand, auf den ein komplexes System immer wieder von selbst zusteuert, wenn es sich selbst überlassen wird. Unsere Resultate ähnelten dem, was andere Wissenschafter in dissoziierten Kulturen von Rattenneuronen beobachteten, diese nehmen automatisch einen schlafartigen Zustand an; Schlaf scheint also eine Art Grundzustand von neuronalen Netzwerken zu sein. Unsere Ergebnisse zeigen ähnliche Phänomene, jedoch in einem intakten Tier.

Unsere aktuelle Forschung widmet sich den schlafaktiven Neuronen. Eine immer noch spannende Frage ist, wie einzelne Zellen die Aktivität ganzer Netzwerke kontrollieren können. Zudem wollen wir uns unseren experimentellen Ansatz zunutze machen, um herauszufinden, was mit einem Gehirn eigentlich genau passiert, wenn man ihm dem Schlaf entzieht: Welche Aktivitätsmuster sind am stärksten von Schlafentzug betroffen und was sind die Langzeitfolgen? Wir denken, mit diesem Ansatz lässt sich eine große unbeantwortete Frage der Wissenschaft beantworten: Warum schlafen wir?

Internet: https://www.imp.ac.at/groups/manuel-zimmer

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