In einem neuen japanischen Labor versucht ein internationales Wissenschaftlerteam herauszufinden, warum wir einschlafen
Tsukuba , Japan. Außerhalb des Internationalen Instituts für Kombinierte Medizin ist die Luft mit dem schweren und süßen Geruch von
Osmanthus gefüllt, und große goldene Spinnen weben ihre Spinnweben in den Büschen. Zwei Helme sprachen leise, maßen den Bereich der bläulich-grauen Wände in der Nähe des Eingangs ab und trugen Klebstoff auf sie auf. Das Gebäude ist so neu, dass selbst Schilder keine Zeit hatten, daran zu hängen.
Das Institut ist erst fünf Jahre alt, das Gebäude selbst ist noch kleiner, aber mehr als 120 Forscher aus so unterschiedlichen Bereichen wie Pulmonologie und Chemie sowie aus verschiedenen Ländern, von der Schweiz bis nach China, haben sich bereits darin versammelt. Eine Stunde nördlich von Tokio, auf dem Territorium der Tsukuba-Universität, die von der japanischen Regierung und anderen Quellen finanziert wurde, schuf der Direktor des Instituts, Masashi Yanagisawa, einen Raum für das Studium der Grundlagen der Schlafbiologie - der sich von allgemeineren Fächern wie den Ursachen von Schlafproblemen und unterscheidet Methoden für ihre Behandlung. Es ist voll von Räumen mit funkelnder Ausstattung, ruhigen Kammern, in denen Mäuse schlafen, und geräumigen Arbeitsplätzen, die durch eine Wendeltreppe verbunden sind. Hier konzentrieren sich enorme Ressourcen auf die Untersuchung, warum lebende Organismen tatsächlich Schlaf brauchen.
Stellen Sie den Forschern diese Frage und hören Sie zu, wie sich Ehrfurcht und Enttäuschung in ihre Stimme einschleichen. Es ist erstaunlich, wie universell der Traum ist: Inmitten fieberhafter Überlebenskämpfe, in allen Epochen des Blutvergießens, des Todes, der Flucht, legen sich unzählige Millionen Lebewesen nieder, um für einige Zeit bewusstlos zu bleiben. Es scheint kein geeigneter Weg zu sein, um ein erfülltes Kampfleben zu verbringen. "Es ist verrückt, aber so ist es", sagt Tarja Porkka-Heiskanen von der Universität Helsinki, eine führende Somnologin. Die Tatsache, dass eine solch riskante Angewohnheit so weit verbreitet und konstant ist, legt nahe, dass die Prozesse, die im Schlaf ablaufen, äußerst wichtig sein sollten. Was der Schlaf dem Schlaf gibt, lohnt sich immer wieder, um den Tod ein Leben lang zu versuchen.
Die genauen Vorteile des Schlafes sind immer noch ein Rätsel, und viele Biologen sind von diesem Unbekannten fasziniert. An einem regnerischen Abend in Tsukuba gelingt es einer Gruppe von Wissenschaftlern des Instituts, die sich in der Izakaya-Bar versammelt haben, den Traum nur für die erste halbe Stunde der Kommunikation zu erwähnen. Selbst die einfachsten Quallen müssen länger ruhen, wenn sie gezwungen sind, mehr als gewöhnlich wach zu bleiben - einer der Wissenschaftler berichtete dies überrascht und zitierte eine neue Arbeit, die ein Experiment beschreibt, bei dem diese kleinen Kreaturen regelmäßig mit Wasserstrahlen geschoben wurden. Und die Tauben - hast du die Arbeit über Tauben gelesen? - fragt ein anderer Wissenschaftler. Alle Forscher sind sich einig, dass in einem Traum etwas Erstaunliches passiert. Auf dem Tisch kühlen Gemüse und Tempura ab, vergessen angesichts erstaunlicher Rätsel.
Insbesondere ist es dieses Bedürfnis, den Schlafmangel auszugleichen, der nicht nur bei Quallen und Menschen, sondern auch bei allen Vertretern der Tierwelt beobachtet wurde. Wissenschaftler versuchen, das Problem des Schlafbedarfs im Allgemeinen zu lösen. Viele betrachten das Bedürfnis nach Schlaf als den Schlüssel zum Verständnis dessen, was es uns gibt.
Biologen nennen dieses Bedürfnis „schläfrigen Druck“: Wenn Sie nicht zu lange ins Bett gehen, steigt der Druck. Fühlen Sie sich abends schläfrig? Natürlich - Sie haben nicht den ganzen Tag geschlafen und schläfrigen Druck aufgepumpt. Aber wie "dunkle Materie" beschreibt dieser Name etwas, dessen Natur wir noch nicht verstehen. Je mehr Sie über schläfrigen Druck nachdenken, desto mehr klingt es wie ein Puzzlespiel von Tolkien: Was wächst, wenn Sie wach sind und sich in einem Traum auflösen? Ist das ein Timer? Molekül, das tagsüber wächst und entfernt werden muss? Welche Art von metaphorischer Stundenzählung ist in einem Teil des Gehirns verborgen und wartet darauf, dass sie nachts auf Null zurückgesetzt wird?
Mit anderen Worten, Yanagisawa fragt und reflektiert dies in seinem persönlichen, sonnenbeschienenen Büro des Instituts: „Was ist die physische Grundlage für Schläfrigkeit?“
Biologische Untersuchungen des Karotisdrucks begannen vor mehr als hundert Jahren. In einigen der berühmtesten Experimente hielt der französische Wissenschaftler die Hunde zehn Tage lang wach. Dann pumpte er Flüssigkeit aus ihrem Gehirn und injizierte sie in das Gehirn gut ausgeruhter Hunde, die sofort in den Schlaf fielen. Diese Flüssigkeit enthielt etwas, das sich während des Schlafentzugs ansammelte und die Hunde einschlafen ließ. So begann die Suche nach dieser Zutat - Morpheus 'Assistent, ein Finger am Lichtschalter. Offensichtlich sollte die Entdeckung dieses Hypnotoxins, wie der französische Forscher es nannte, das Geheimnis enthüllen, warum Tiere zum Schlafen neigen.
In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts begannen andere Forscher, Elektroden an der Kopfhaut von Menschen anzubringen, um das schlafende Gehirn durch den Schädel zu betrachten. Mithilfe von Elektroenzephalogrammen (EEGs) stellten sie fest, dass sich das Gehirn in einem Traum überhaupt nicht ausschaltet, sondern nach einem bestimmten Muster arbeitet. Nachdem sich die Augen geschlossen haben und die Atmung tiefer wird, verschiebt sich das dichte und fieberhafte Flackern der elektrischen Wellen des EEG und verwandelt sich in ungewöhnlich lange, pulsierende Wellen des frühen Schlafes. Nach 35-40 Minuten verlangsamt sich der Stoffwechsel, die Atmung ist ausgeglichen und es ist nicht so einfach, die schlafende Person zu wecken. Nach einiger Zeit schaltet das Gehirn um und die Wellen werden wieder kurz und dicht: Dies ist die Phase von REM [REM], in der wir Träume sehen. Einer der ersten REM-Forscher fand heraus, dass er durch Beobachtung der Augenbewegungen im Laufe der Jahrhunderte vorhersagen kann, wann ein Baby aufwacht - ein solcher Trick traf Mütter. Menschen wiederholen diesen Zyklus immer wieder und wachen am Ende der REM-Phase mit einer Erinnerung auf, die mit geflügelten Fischen und Melodien gefüllt ist, an die sie sich nicht erinnern können.
Schlafdruck verändert diese Gehirnwellen. Je mehr das Subjekt nicht schlafen durfte, desto mehr Wellen treten während der langsamen Schlafphase vor dem REM auf. Dieses Phänomen wurde bei fast allen Lebewesen beobachtet, die mit Elektroden versorgt und zu lange wach gehalten wurden - bei Vögeln, Robben, Katzen, Hamstern und Delfinen.
Wenn Sie mehr Beweise dafür benötigen, dass ein Traum mit seiner seltsamen mehrstufigen Struktur und der Tendenz, Ihren Geist mit allerlei Unsinn zu füllen, nicht nur ein passiver Zustand ist, der Energie spart, dann wissen Sie, dass die
syrischen Hamster das folgende Merkmal beobachtet haben: Sie sind aus dem Winterschlaf aufgewacht. schlafen. Was sie als Ergebnis des Schlafes erhalten haben, steht ihnen im Winterschlaf nicht zur Verfügung. Obwohl es fast alle Prozesse in ihrem Körper verlangsamt, baut sich immer noch schläfriger Druck auf. "Ich möchte wissen, warum genau diese Gehirnaktivität so wichtig ist?" Sagt Casper Vogt, einer der Forscher, die sich am neuen Institut in Tsukuba versammelt haben. Er zeigt auf seinem Bildschirm, wo die Daten zur Aktivierung von Neuronen in schlafenden Mäusen sichtbar sind. "Was ist so wichtig, um das Risiko einzugehen, gegessen zu werden, es nicht selbst zu essen, die Fortpflanzung zu verschieben - alles dafür aufzugeben?"
Die Suche nach Hypnotoxin kann nicht als erfolglos bezeichnet werden. Mehrere Substanzen haben eine klare Fähigkeit gezeigt, den Schlaf zu induzieren - einschließlich eines
Adenosinmoleküls , das sich in bestimmten Teilen des Gehirns von wachen Mäusen ansammelt und im Schlaf verschwindet. Adenosin ist insofern besonders interessant, als es anscheinend Koffein ist, das auf Adenosinrezeptoren wirkt. Wenn er sich an sie bindet, gelingt Adenosin nicht mehr - so wirkt die belebende Eigenschaft von Kaffee. Die Arbeit an Hypnotoxinen erklärt jedoch nicht vollständig, wie der Körper den Schlafdruck verfolgt.
Wenn uns beispielsweise Adenosin im Moment des Übergangs von Wachheit zu Schlaf einschläfert, woher kommt es dann? "Niemand weiß es", bemerkt Michael Lazarus, Adenosinforscher am Institut. Einige sagen das von Neuronen, andere sagen, dass es eine andere Klasse von Gehirnzellen ist. Es gibt jedoch keine Einigung. In jedem Fall "ist das Problem nicht die Speicherung", sagt Yanagisawa. Mit anderen Worten, diese Substanzen selbst speichern keine Informationen über den Schlafdruck. Sie stellen nur eine Reaktion darauf dar.
Schlafverursachende Substanzen können bei der Herstellung neuer Verbindungen zwischen Neuronen auftreten. Chiara Cirelli und Giulio Tononi, Schlafforscher der Universität von Wisconsin, schlagen vor, dass unser Gehirn diese Verbindungen im Wachzustand aufbaut und möglicherweise im Schlaf unnötige Verbindungen entfernt, Erinnerungen oder Bilder beseitigt, die nicht mit anderen übereinstimmen oder nutzlos sind in Bezug auf die Erkenntnis der Welt. "Schlaf ist eine Möglichkeit für das Gehirn, Erinnerungen loszuwerden", sagt Tononi. Eine andere Gruppe von Wissenschaftlern entdeckte ein Protein, das in schlecht genutzte Synapsen eindringt und diese zerstört, und dies kann er insbesondere mit einem hohen Adenosinspiegel tun. Vielleicht geschieht dieser Reinigungsprozess in einem Traum.
Es gibt noch viele unbekannte Größen in diesem Prozess, und Forscher erforschen viele andere Richtungen, um zu den Ursprüngen von Schlafdruck und Schlaf zu gelangen. Eine Gruppe der Universität Tsukuba unter der Leitung von Yu Hayashi zerstört eine bestimmte Gruppe von Zellen im Gehirn von Mäusen - und dieses Verfahren kann zu unerwarteten Konsequenzen führen. Das Verhindern, dass die Mäuse die REM-Phase erleben, und das Schütteln in dem Moment, in dem sie in die REM-Phase eintreten, verursacht einen starken REM-Druck, den die Mäuse im nächsten Schlafzyklus ausgleichen müssen. Ob Mäuse darunter leiden, ist eine andere Frage, aber im Moment untersucht das Team, wie REM ihre Fähigkeiten in kognitiven Tests beeinflusst. Aus dem Experiment folgt jedoch, dass diese Zellen oder einige Gruppen von Zellen, in die sie eintreten, Aufzeichnungen des Schlafdrucks speichern können, wenn es darum geht, Träume zu beobachten.
Yanagisawa war schon immer geneigt, Projekte von epischen Ausmaßen durchzuführen - zum Beispiel die Massenforschung von Tausenden von Proteinen und zellulären Rezeptoren, um deren Zweck zu verstehen. Es war ein solches Projekt, das ihn vor etwa 20 Jahren zum Studium des Schlafes führte. Nachdem sie einen
Neurotransmitter namens
Orexin entdeckt hatten , stellten sie und ihre Kollegen fest, dass die Mäuse bei einem Mangel ohnmächtig wurden, weil sie einschliefen. Es stellte sich heraus, dass dieser Neurotransmitter für Menschen mit
Narkolepsie nicht ausreicht - sie können ihn nicht produzieren. Diese Idee hat dazu beigetragen, eine echte Welle von Forschungen auszulösen, die diesen Zustand untersuchen. Ein Team von Chemikern der Universität Tsukuba arbeitet mit einem Pharmaunternehmen zusammen, um das Potenzial von Orexin-nachahmenden Substanzen zur Behandlung dieser Krankheit zu untersuchen.
Derzeit arbeiten Yanagisawa und Kollegen an einer groß angelegten Studie über Gene, mit der Gene identifiziert werden sollen, die mit dem Schlaf assoziiert sind. Mäusen, die an dem Projekt teilnehmen, wird eine mutationsinduzierende Substanz injiziert. Dann sind sie mit Sensoren für das EEG ausgestattet, und wenn sie auf einem Sägemehlbett ins Bett gehen, zeichnen die Maschinen ihre Gehirnwellen auf. Bisher haben Wissenschaftler den Schlaf von mehr als 8.000 Mäusen analysiert.
Wenn die Maus irgendwie falsch schläft - oft aufwacht oder zu lange schläft - beginnen die Forscher, sich mit ihrem Genom zu befassen. Wenn sie die Mutation finden, die diesen Effekt verursachen kann, versuchen sie, eine Maus mit einer solchen Mutation zu erstellen und das Problem der Schlafunterbrechung zu untersuchen. Viele erfolgreiche Wissenschaftler führen seit Jahren ähnliche Studien an Tieren wie Fruchtfliegen durch und erzielen beeindruckende Ergebnisse. Der Vorteil der Verwendung von Mäusen ist, obwohl solche Experimente im Vergleich zu Experimenten an Fliegen sehr teuer sind, dass Sie EEG-Elektroden wie bei einem Menschen an Mäuse anschließen können.
Vor einigen Jahren entdeckte diese Gruppe von Wissenschaftlern eine Maus, die den Schlafdruck nicht loswerden konnte. Ihr EEG zeigte, dass sie in einem Zustand ständiger anstrengender Schläfrigkeit lebt. Mäuse mit einer solchen Mutation, die speziell erzeugt wurden, zeigten ebenfalls die gleichen Symptome: „Diese Mutante von Schlafwellen mit großer Amplitude war größer als gewöhnlich, sie war ständig in einem schläfrigen Zustand“, sagt Yanagisawa. Die Mutation trat im SIK3-Gen auf. Je mehr die Mutanten nicht schliefen, desto mehr Protein erhielt chemische SIK3-Markierungen. Die Forscher veröffentlichten ihre Entdeckung von SIK3 2016 in der Zeitschrift Nature.
Es ist immer noch nicht ganz klar, wie SIK3 mit Schläfrigkeit verbunden ist, aber die Forscher waren sehr daran interessiert, dass sich das Etikett wie Sandkörner am Boden der Sanduhr auf dem Enzym ansammelt. „Wir sind davon überzeugt, dass SIK3 einer der zentralen Akteure in diesem Bereich ist“, sagt Yanagisawa.
Die Forscher waten weiter durch die mysteriöse Dunkelheit der Schläfrigkeit, und solche Entdeckungen beleuchten ihren Weg wie die Strahlen von Laternen. Wie sie miteinander verbunden sind, wie sie zusammenkommen und ein allgemeineres Bild machen können, ist noch nicht klar.
Die Forscher hoffen, dass eine Klärung eintreten wird - vielleicht nicht in einem oder zwei Jahren, sondern irgendwann und früher, als man sich vorstellen kann. Währenddessen gehen Mäuse am Internationalen Institut für kombinierte Medizin ihren Geschäften nach, wachen auf und schlafen in Plastikschalen nebeneinander ein. Und in ihrem Gehirn wie in unserem gibt es ein Geheimnis.