Schlaf wird gewöhnlich als ein Alles-oder-Nichts-Zustand betrachtet: Das Gehirn ist entweder komplett wach oder schläft komplett. Neurowissenschaftler des MIT haben jedoch einen Schaltkreis im Gehirn entdeckt, der kleine Hirnregionen dazu veranlassen kann, einzuschlafen oder weniger wach zu werden, während der Rest des Gehirns wach bleibt.
Dieser Schaltkreis hat seinen Ursprung in einer Hirnstruktur, die als retikulärer Thalamuskern (TRN) bekannt ist und Signale an den Thalamus und dann an die Hirnrinde weiterleitet, wodurch Taschen mit langsamen, oszillierenden Gehirnwellen entstehen, die für den Tiefschlaf charakteristisch sind. Langsame Oszillationen treten auch während des Komas und der Vollnarkose auf und sind mit verminderter Erregung verbunden. Bei ausreichender TRN-Aktivität können diese Wellen das gesamte Gehirn übernehmen.
Die Forscher glauben, dass das TRN dem Gehirn helfen kann, neue Erinnerungen zu konsolidieren, indem es langsame Wellen zwischen verschiedenen Teilen des Gehirns koordiniert, so dass sie Informationen leichter austauschen können.
„Während des Schlafs haben vielleicht bestimmte Hirnregionen gleichzeitig langsame Wellen, weil sie Informationen miteinander austauschen müssen, während andere das nicht tun“, sagt Laura Lewis, eine Forschungsmitarbeiterin in der Abteilung für Gehirn- und Kognitionswissenschaften des MIT und eine der Hauptautoren der neuen Studie, die heute in der Zeitschrift eLife erscheint.
Das TRN könnte auch dafür verantwortlich sein, was im Gehirn passiert, wenn Menschen unter Schlafentzug kurzzeitig das Gefühl haben, „wegzudämmern“, während sie darum kämpfen, wach zu bleiben, so die Forscher.
Der andere Erstautor der Studie ist Jakob Voigts, ein MIT-Absolvent in Gehirn- und Kognitionswissenschaften. Hauptautoren sind Emery Brown, Edward Hood Taplin, Professor für Medizintechnik und Computational Neuroscience am MIT und Anästhesist am Massachusetts General Hospital, und Michael Halassa, Assistenzprofessor an der New York University. Weitere Autoren sind der MIT-Forscher Francisco Flores und Matthew Wilson, Sherman Fairchild Professor für Neurobiologie und Mitglied des Picower Institute for Learning and Memory am MIT.
Lokale Kontrolle
Bislang konzentrierte sich die Schlafforschung vor allem auf die globale Kontrolle des Schlafs, der eintritt, wenn das gesamte Gehirn von langsamen Wellen überflutet wird – Oszillationen der Hirnaktivität, die entstehen, wenn Gruppen von Neuronen für kurze Zeit zum Schweigen gebracht werden.
Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass Tiere unter Schlafentzug langsame Wellen in Teilen ihres Gehirns zeigen können, während sie noch wach sind, was darauf hindeutet, dass das Gehirn die Wachsamkeit auch auf lokaler Ebene kontrollieren kann.
Das MIT-Team begann seine Untersuchung der lokalen Kontrolle von Wachsamkeit oder Schläfrigkeit mit dem TRN, weil es aufgrund seiner physischen Lage perfekt positioniert ist, um eine Rolle im Schlaf zu spielen, sagt Lewis. Der TRN umgibt den Thalamus wie eine Schale und kann als Pförtner für sensorische Informationen fungieren, die in den Thalamus gelangen, der dann Informationen zur weiteren Verarbeitung an den Kortex sendet.
Mit Hilfe der Optogenetik, einer Technik, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Neuronen mit Licht zu stimulieren oder zum Schweigen zu bringen, fanden die Forscher heraus, dass, wenn sie den TRN bei wachen Mäusen schwach stimulierten, langsame Wellen in einem kleinen Teil des Kortex auftraten. Bei stärkerer Stimulation zeigte der gesamte Kortex langsame Wellen.
„Wir haben auch festgestellt, dass die Tiere, wenn man diese langsamen Wellen im Kortex auslöst, sich verhalten, als wären sie schläfrig. Sie hören auf, sich zu bewegen, ihr Muskeltonus sinkt“, sagt Lewis.
Die Forscher glauben, dass das TRN die Kontrolle des Gehirns über lokale Hirnregionen fein abstimmt, indem es langsame Wellen in bestimmten Regionen verstärkt oder reduziert, so dass diese Bereiche miteinander kommunizieren können, oder indem es einige Bereiche dazu veranlasst, weniger aufmerksam zu werden, wenn das Gehirn sehr schläfrig ist. Dies könnte erklären, was beim Menschen passiert, wenn er unter Schlafentzug leidet und kurzzeitig einschläft, ohne wirklich einzuschlafen.
„Ich neige zu der Annahme, dass dies geschieht, weil das Gehirn beginnt, in den Schlaf überzugehen, und einige lokale Hirnregionen schläfrig werden, selbst wenn man sich zwingt, wach zu bleiben“, sagt Lewis.
„Die Stärke dieser Arbeit ist, dass sie die erste ist, die Optogenetik einsetzt, um zu versuchen, die Rolle eines Teils des Thalamo-kortikalen Schaltkreises bei der Erzeugung langsamer Wellen im Kortex zu analysieren“, sagt Mark Opp, Professor für Anästhesiologie und Schmerzmedizin an der Universität von Washington, der nicht zum Forschungsteam gehörte.
Natürlicher Schlaf und Vollnarkose
Das Wissen darüber, wie das Gehirn die Erregung steuert, könnte den Forschern helfen, neue Schlaf- und Narkosemedikamente zu entwickeln, die einen Zustand erzeugen, der dem natürlichen Schlaf ähnlicher ist. Die Stimulierung des TRN kann tiefe, nicht-REM-ähnliche Schlafzustände hervorrufen, und frühere Forschungen von Brown und Kollegen haben einen Schaltkreis aufgedeckt, der den REM-Schlaf einleitet.
Brown fügt hinzu: „Das TRN ist reich an Synapsen – Verbindungen im Gehirn – die den hemmenden Neurotransmitter GABA freisetzen. Daher ist das TRN mit ziemlicher Sicherheit ein Wirkort vieler Narkosemittel, da viele von ihnen an diesen Synapsen wirken und langsame Wellen als eines ihrer charakteristischen Merkmale erzeugen.“
Vorangegangene Arbeiten von Lewis und Kollegen haben gezeigt, dass die langsamen Wellen unter Vollnarkose im Gegensatz zu den langsamen Wellen des Schlafes nicht koordiniert sind, was auf einen Mechanismus hindeutet, warum diese Medikamente den Informationsaustausch im Gehirn beeinträchtigen und Bewusstlosigkeit erzeugen.