Integrative Funktionen des Nervensystems, Physiologie des Verhaltens

Physiologie des Schlafes


zurück weiter

© H. Hinghofer-Szalkay 

Chaperone: engl. chaperone = Begleiter, Anstandsdame (von lat. cappa, Kappe)
Epiphyse: ἐπίφυσις = Auf-Wuchs, aufsitzendes Gewächs
Koma: κῶμα = tiefer Schlaf
nucleus suprachiasmaticus: supra = über, χίασμα = Kreuzung (der Sehnervenbahn)
Rhythmus: ῥυθμός = Takt
zirkadian: circa = um...herum, dies = Tag



Die miteinander verschalteten Neuronen des hypothalamischen nucleus suprachiasmaticus haben eine zirkadiane Entladungsrhythmik, die auch die isolierten Zellen zeigen und genetisch gesteuert ist. Mit dieser "master clock" oszillieren Proteinsynthese und vielfache systemische Funktionen im Tagestakt.

Die Spontanrhythmik des suprachiasmatischen Kerns wird durch den Helligkeitsrhythmus in der Umwelt synchronisiert; insbesondere blaues Licht regt Melanopsin fotosensitiver Ganglienzellen in der Netzhaut an. Auch Melatonin (Zirbeldrüse) und Serotonin (Raphekerne) wirken anregend bzw. modifizierend auf den nucl. suprachiasmaticus, der seinerseits auf Hypothalamus, Mittelhirn und ganglion cervicale superius projiziert.

Zu schlafinduzierenden Stoffen gehören
   -- Interleukin 1 (höchste Blutwerte zu Beginn der Schlafphase)
   -- Adenosin (hemmt anregende Neurone: serotoninerg - Raphekerne; noradrenerg - locus coeruleus)
   -- Stickstoffmonoxid (NO) - regt die Bildung von Adenosin an
   -- Melatonin (Licht <500 nm unterdrückt die Melatoninsynthese).

Schlaf erfolgt in verschiedenen Phasen, die grob in Tiefschlaf (delta-Rhythmus im EEG, hoher Parasympathikustonus, hohe Weckschwelle) und Traumschlaf (REM: rapid eye movements, Muskelparalyse, hohe sympathische Aktivität) eíngeteilt werden können.


Zirkadianer Rhythmus
Schlafinduktoren Melatonin Schlafstadien Schlafstörungen


>Abbildung: Steuerung des Wach-Schlaf-Zyklus
Nach: Mignot E et al, Sleeping with the hypothalamus: emerging therapeutic targets for sleep disorders. Nature Neurosci 2002; 5 Suppl:1071-5

Der suprachiasmatische Kern funktioniert als "innere Uhr" und steuert den ventrolateralen präoptischen Kern des Hypothalamus. Von hier ziehen GABAerge Bahnen zum posterioren Hypothalamus, Mittelhirn und verlängerten Mark (Hirnstamm) und hemmen dort die Weckfunktion ("arousal") an den Thalamus (Schlafinduktion). Die weckenden Regionen hemmen ihrerseits die Aktivität des ventrolateralen präoptischen Hypothalamus

Die Erdrotation gibt eine Umwelt mit rhythmischen Änderungen vor (Tag-Nacht-Zyklus). Das Gehirn ist auf diese Tagesrhythmik eingestellt - als Schlaf-Wach-Abfolge, als einer von mehreren biologischen Rhythmen. Ein stabiler Schlaf-Wach-Rhythmus stellt sich auch dann ein, wenn der Mensch von äußeren "Zeitgebern" völlig isoliert wird; diese spontane zirkadiane Periodik hat allerdings meist eine Periodendauer von etwas mehr als 24 Stunden (endogener Rhythmus).

Der Tagestakt wird vom hypothalamischen nucleus suprachiasmaticus (≈0,3 mm3) vorgegeben, der direkt über der Sehnervenkreuzung (chiasma opticum) liegt. Angeregt wird er von retinalen Verbindungen (Lichttrigger). Seine etwa 50.000 Neurone sind untereinander verbunden, sie oszillieren in einem zirkadianen Rhythmus (der Mechanismus ist unklar; gap junctions, Beteiligung von Gliazellen?) und projizieren auf Neurone anderer Hirnregionen.

Diese Schrittmacherfunktion bleibt auch in isolierten Neuronen des nucl. suprachiasmaticus erhalten und hängt mit der Funktion bestimmter Gene zusammen (z.B. PER: "period", spielt eine Rolle bei der Verknüpfung periodisch auftretender Lichtsignale mit dem zirkadianen Rhythmus).

Transkriptionsfaktoren (z.B. CLOCK: nach Circadian Locomotor Output Cycles Kaput) steuern die Expression entsprechender Gene.
Clock-Gene produzieren Proteine, welche die weitere Transkription hemmen (negative Rückkopplung mit Verzögerung ergibt Schwingverhalten).

Resultat ist ein rhythmisches Auf und Ab der Genexpression und damit der Eiweißsynthese: Die negative Rückkopplung mit entsprechender Verzögerung ergibt eine spontanen Phasenlänge von etwa 24 Stunden.

2017 erhielten Jeffrey Hall, Michael Rosbash und Michael Young den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin „für ihre Entdeckungen betreffend die molekularen Kontrollmechanismen des circadianen Rhythmus“.
 
<Abbildung: Der zirkadiane Oszillator im nucleus suprachiasmaticus wirkt auf hypothalamische Kerne, welche ihrerseits zirkadiane Rhythmen beeinflussen
Nach: Pace-Schott EF & Hobson JA, The neurobiology of sleep. Nature Rev Neurosci 2002; 3: 591-605

Der Schlafrhythmus wird vom Hypothalamus koordiniert. Im Bild gezeigte Kernsysteme sind multisynaptisch miteinander verknüpft    ARAS: Aktivierendes aszendierendes retikuläres System

Nicht nur die Zellen im nucl. suprachismaticus, sondern praktisch alle Körperzellen zeigen ähnliche Schwingungsmuster in der Proteinsynthese; sie werden normalerweise so synchronisiert, dass sie dem suprachiasmatischen Kern als "master clock" folgen - via Körpertemperatur (hypothalamisch gesteuert), autonomes Nervensystem, Hormone (z.B. CRH) und Somatomotorik (z.B. Nahrungsaufnahmeverhalten).

Afferenz: Die zirkadiane Spontanrhythmik des suprachiasmatischen Kerns wird durch den Informationsfluss von der Netzhaut mit dem Lichtrhythmus in der Umwelt synchronisiert. Die (besonders kleinen) Neurone des nucl. suprachiasmaticus haben sehr große rezeptive Felder in der Netzhaut, die auf Helligkeit reagieren (blaues Licht) und auf speziellen Rezeptoren der Netzhaut beruhen: Fotosensitiven Ganglienzellen mit einem eigenen Sehpigment (Melanopsin), deren Neurite auf den nucl. suprachiasmaticus projizieren (tractus retinohypothalamicus). Weiters wirkt Melatonin (aus der Zirbeldrüse) anregend und Serotonin (Projektion von Raphekernen im Hirnstamm) modifizierend auf den nucl. suprachiasmaticus.

Efferenz: Die Neurone des
nucl. suprachiasmaticus projizieren auf Kerne des vorderen Hypothalamus (>Abbildung) und zum Mittelhirn, wo GABAerge Synapsen die Weckfunktion ("arousal") an den Thalamus hemmen - und somit schlafinduzierend wirken. Der nucl. suprachiasmaticus projiziert weiters indirekt hemmend auf das obere Zervikalganglion (ganglion cervicale superius), welches die Zirbeldrüse noradrenerg anregt (>Abbildung). Auf diesem Wege supprimiert Licht die Melatoninausschüttung (s. unten). Melatonin seinerseits aktiviert Neuronen im nucl. suprachiasmaticus über Melatoninrezeptoren (MT1 und MT2).


>Abbildung: Licht (<500 nm) hemmt die Melatoninproduktion
Nach Koch BCP, Naktegaal JE, Kerkhof GA, ter Wee PM, Circadian sleep-wake disturbances in end-stage renal disease. Nat Rev Nephrol 2009; 5: 407-16

Fotosensitive Ganglienzellen in der Netzhaut regen bei Helligkeit über den tractus retinohypothalamicus den nucl. suprachiasmaticus glutamaterg an (+). Dieser projiziert GABAerg auf das obere Zervikalganglion und hemmt es (-). Das Zervikalganglion regt die Melatoninproduktion in der Epiphyse (Zirbeldrüse) noradrenerg an (+)

 
Zum Einfluss biologischer Rhythmen und diverser Störfaktoren auf Art und Betrag verschiedener physiologischer / klinischer Messgrößen s. dort.
 
Die Physiologie des Schlafs ist nur teilweise erforscht. Schlaf zeigt sich auch bei Würmern, Insekten, Vögeln und Reptilien, es gibt beträchtliche Speziesunterschiede (bei Tümmlern "schlaft" jeweils eine Hirnhälfte, viele Tierarten zeigen "Sekundenschlaf"); nur Säugetiere und einige Vogelarten zeigen auch REM-Schlaf (REM = rapid eye movements), der beim schlafenden Menschen alle ≈90 Minuten auftaucht.
 

<Abbildung: Schlaf vs. Alter
Nach: Nicolau MC et al, Why we sleep: The evolutionary pathway to the mammalian sleep. Progr Neurobiol 2000; 62: 379-406

Die Schlafdauer nimmt mit dem Alter ab; die non-REM-Schlafdauer bis zu ≈3 Lebensjahren etwas zu, dann ebenfalls ab

Neugeborene schlafen ≈18 Stunden am Tag; Erwachsene im Schnitt 6-8 Stunden; mit zunehmendem Alter nimmt die Schlafdauer typischerweise ab. Die Periodik des Schlafmusters ist bei Kindern besonders deutlich ausgeprägt; im Alter nimmt dieses Muster an Klarheit ab.

Einige im Körper gebildete Substanzen wirken schlafinduzierend, wie

      Interleukin 1 - gebildet von Gehirn und Immunsystem; seine Konzentration steigt im Wachzustand an und ist zu Beginn der Schlafphase am höchsten. Interleukin 1 intensiviert den Delta-Schlaf

      Adenosin - es tritt vermehrt bei körperlicher Aktivität und Energiemangel auf und reduziert über Wirkung an Adenosinrezeptoren die Erregbarkeit von Nervenzellen durch Öffnung von Kaliumkanälen (Koffein und Theophyllin sind Adenosin-Rezeptorblocker und wirken damit anregend auf Nervenzellen). Adenosin wirkt ermüdend und schlafauslösend; es hemmt die Aktivität anregender Neurone im Hirnstamm (serotoninerg: Raphekerne; noradrenerg: locus coeruleus; u.a.).

      Stickstoffmonoxid (NO) - NO-Synthase ist in cholinergen (wachheitsfördernden) Neuronen des Hirnstamms besonders aktiv. NO regt die Bildung von Adenosin an und wirkt so ebenfalls ermüdend und schlafauslösend

     Melatonin wird in der Epiphyse (glandula pinealis, Zirbeldrüse) gebildet, Noradrenalin (sympathische Fasern aus dem oberen Zervikalganglion) regt die Synthese an - insbesondere nachts: Die Produktion unterliegt einem zirkadianen Rhythmus - nachts ist sie hoch, tagsüber gehemmt. Licht im Blaubereich (nicht längerwellig, d.h. über ≈500 nm) unterdrückt die Melatoninsynthese (fotosensitive Ganglienzellen).

Die Epiphyse ist ein Teil des Zwischenhirns, sie wiegt weniger als ein halbes Gramm. Ihre Aktivierung durch Lichtreize erfolgt über komplexe Verschaltung: Von der Netzhaut über den Sehnerv zum Hypothalamus (nucl. suprachiasmaticus als chronobiologisches Zentrum), von hier zum nucl. paraventricularis, wo absteigende Fasern zum Rückenmark ihren Ursprung haben und zum nucl. intermediolateralis des oberen Brustmarks ziehen; von hier weiter zum ggl. cervicale superius und schließlich zur Epiphyse - >Abbildung oben).

Melatonin hat schlafinduzierende Wirkung und wirkt auch als Antioxidans. Bei der Passage durch die Leber werden etwa 90% des Melatonins abgebaut, geringe Mengen werden mit Speichel und Harn ausgeschieden

   
  Die somatostatinähnlichen Neuropeptide Cortistatin 14, 17 und 29 werden von Neuronen in der Großhirnrinde exprimiert und wirken an Rezeptoren in Mandelkernen, Hippokampus und Großhirn; sie fördern den Tiefschlaf


>Salvador Dali: Der Schlaf (Le Sommeil)
Öl auf Leinwand, 1937. Private Sammlung


Schlaf tritt unabhängig davon auf, ob sensorische Afferenzen funktionieren oder blockiert sind. Der Wachzustand muss von einem Arousal-System im Hirnstamm angeregt und aufrechterhalten werden, das vor allem noradrenerg (Coeruleus-Kerne) und serotoninerg (Raphe-Kerne), aber auch cholinerg und histaminerg arbeitet und zum aufsteigenden aktivierenden System gehört. (Ein Ausfall dieses Systems verursacht tiefe Bewusstlosigkeit und Koma .)

Dieses System regt wiederum die Hirnrinde sowie rhythmische Entladungen im Thalamus an.

  Generell ist im Schlaf die Aktivität des präfrontalen Kortex (rationale Ordnung und Kontrolle) und der Sehrinde (Verarbeitung von optischen Signalen) herabgesetzt, letztere vor allem im REM-Schlaf. Die Aktivität z.B. von Hirnstamm und limbischem System (Bildung anregender Impulse, Verwaltung emotionaler Erlebnisinhalte) steigt hingegen an.

Es ist wahrscheinlich, dass in diesem Zustand zufallsartig ("chaotisch") Impulse generiert werden, die "von innen" und nicht aus der Umwelt verursacht und der Kontrolle des Frontalhirns entzogen sind; damit würden sich wirre, zusammenhanglose Trauminhalte erklären.
 
Der Thalamus koordiniert die Membranpotentialverläufe kortikaler Zellen, was EEG-Wellen verursacht. Der Wachzustand generiert Beta-Wellen, bei geschlossenen Augen oder beim "Dösen" treten über dem Frontal- und Okzipitalhirn α-Wellen auf. Elektroenzephalographie dient der Beurteilung von Wachzustand bzw. Schlaftiefe. Schlafphasen sind nach dem EEG-Bild definiert, wobei zwischen "orthodoxem" und "paradoxem" Schlaf unterschieden wird:

 
<Abbildung: EEG-Muster von Wachsein bis Tiefschlaf (Schlafstadien 1 bis 4)
Nach Koeppen & Stanton, Berne and Levy's Physiology, 6th ed 2008. Mosby / Elsevier


  Der non-REM- ("orthodoxe") Schlaf ("Tiefschlaf") erfolgt in Stufen mit zunehmender Schlaftiefe (<Abbildung):

  Stadium 1: Theta-Wellen (4-7/s) treten auf, die Aktivität anregender Fasern im Hirnstamm nimmt ab

  Stadium 2: Schlafspindeln und K-Komplexe treten auf. Letztere stehen mit Sinneseindrücken in Zusammenhang, die vom Gehirn in diesem seichten Schlafstadium noch (unbewusst) verarbeitet werden

  Stadium 3: Delta-Wellen (1-3/s) treten auf (slow-wave-sleep, SWS). Thalamische Neurone befinden sich jetzt im "burst-mode" mit spontanen Aktionspotentialsalven (nicht mehr im kontinuierlich aktiven "relay-mode", der für normale Aufmerksamkeit im Wachzustand typisch ist). In diesem Zustand werden sensorische Eingänge zum Kortex kaum noch "durchgestellt", die Weckschwelle ist hoch

  Stadium 4: Langsamer, regelmäßiger Delta-Rhythmus (niederfrequente thalamische Entladungen blockieren die Übermittlung sensorischer Information an den Kortex)
 
Non-REM-Schlaf
wird durch Absinken der Aktivität im aktivierenden retikulären System des Hirnstamms eingeleitet. Der Parasympathikustonus ist während dieser Schlafphase hoch, Blutdruck und Herz- sowie Atemfrequenz sind niedrig. Tiefschlafphasen sind zu Beginn des Nachtschlafs an ausgeprägtesten und längsten. Träume treten während des orthodoxen Schlafs kaum auf.

Man vermutet, dass der orthodoxe Schlaf u.a. dem Abbau schlafinduzierender Substanzen dient. Zahlreiche Gene werden mit zunehmendem Wachzustand, andere im Schlaf induziert. Längere Wachperioden führen beispielsweise zur steigenden Bildung von Chaperonen , d.h. Faktoren, welche die korrekte Faltung neu synthetisierter Proteine in der Zelle unterstützen. Die Häufigkeit fehlgebildeter Proteine nimmt mit der Dauer des Wachzustandes zu.

  Der REM-Schlaf (rapid eye movements, "paradoxer" Schlaf, weil die Weckschwelle trotz desynchronosiertem EEG hoch bleibt) macht (bei erwachsenen Personen) insgesamt ≈20% der gesamten Schlafdauer aus. Er ist gekennzeichnet durch Träume, Beta-Rhythmen treten auf. Die vegetative Aktivität schwankt stark; insgesamt ist der Sympathikustonus hoch (Tachykardie, Blutdruckanstieg, erhöhte Atemfrequenz). Gleichzeitig können aber auch parasympathische Reaktionen auftreten (Schlafmiosis, Klitoris- bzw. Peniserektion - ohne Zusammenhang mit sexuellen Trauminhalten).

Während dieser Zeit nimmt die Aktivität des Frontalhirns ab, diejenige des limbischen Systems zu.

Noradrenerge und serotoninerge Impulse aus dem Hirnstamm nehmen stark ab, cholinerge hingegen zu. Die einseitige Azetylcholinwirkung auf das Großhirn dauerdepolarisiert thalamische Projektionsneurone und begünstigt das Auftreten von REM-Phasen. Muskarinische Rezeptoren im Kortex werden angeregt, was synaptische Muster im ß-Rhythmus begünstigt - dies erklärt die "paradoxe" Kombination von hohen Frequenzen im EEG bei gleichzeitig hoher Weckschwelle.


  Während einer REM-Phase (Dauer ≈10-50 min, am längsten gegen Ende der Nachtschlafperiode) treten häufig Träume auf. Diese Phasen sind durch rasche Augenbewegungen gekennzeichnet, bei gleichzeitiger tonischer Hemmung spinaler Motoneurone (Muskelparalyse - diese schützt normalerweise vor unkontrollierten Bewegungsabläufen). Die Weckschwelle ist erhöht (”paradoxer Schlaf“).

Im REM-Schlaf leitet der Thalamus sensorische Information nicht zum Kortex weiter; der präfrontale Kortex ist außer Funktion (Realitätskonnex inaktiv, irrationale, schwer deutbare Trauminhalte). Der parietale Kortex nimmt an der Bewegungssteuerung nicht teil; der visuelle Kortex erzeugt visuelle Erlebnisse ohne Input vom Auge; und die Amygdala steuert emotionale Inhalte bei.

Für die "Umschaltung" zwischen Schlaf- und Wachzustand insgesamt ist der Hirnstamm verantwortlich.

Der REM-Schlaf scheint zur Konsolidierung prozeduraler Gedächtnisinhalte beizutragen. Einer Theorie zufolge stammen die Impulse zur Traumentstehung aus dem Hirnstamm (pons) und diese regen im Kortex Assoziationen an, welche dann Traumbilder zusammenstellen (Aktivierungs-Synthese-Hypothese).





In westlichen Ländern leidet jede fünfte Person unter Schlafstörungen. Man unterscheidet

  Insomnien (Ein- und Durchschlafstörungen, z.B. Schlafapnoe)

  Parasomnien (Verhaltensauffälligkeiten während des Schlafs, z.B. Schlafwandeln)

 
Hypersomnien (Schlafsucht, z.B. Narkolepsie)

 
gestörte Schlaf-Wach-Rhythmen (z.B. Schichtarbeit, Jet-Lag)

Schlafentzug hat gravierende Folgen.
Entzug von Non-REM-Schlaf kann zu Hypothermie und (enteralen) bakteriellen Infektionen führen.

Schlaf ist für den Körper lebenswichtig; Schlafentzug für ≥2 Wochen führt im Tierversuch zu Multiorganversuchen und ist letal. Die Gründe sind komplex, es wird vermutet, dass das Immunsystem unter solchen Bedingungen versagt.

Schädigungen im Bereich des Hirnstamms - hier befinden sich vegetative Integrationszentren wie die formatio reticularis - können zu schlafähnlichen Zuständen oder Koma führen.




Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.