Einführung
Unser Leben wird von Rhythmen bestimmt, die vom Nervensystem und den Organen unseres Körpers gesteuert werden. Diese Rhythmen, die von Millisekunden bis zu Jahreszeiten reichen, werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wobei der Nucleus suprachiasmaticus (SCN) als oberste Instanz der inneren Uhr fungiert. Dieser Artikel beleuchtet die Funktion des SCN, seine Mechanismen und seine Bedeutung für unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden.
Der Nucleus suprachiasmaticus (SCN): Die oberste Instanz der inneren Uhr
Der Nucleus suprachiasmaticus (SCN) ist ein paariger Hirnkern, der oberhalb der Kreuzung der Sehnerven liegt. Er besteht aus etwa 50.000 Nervenzellen und ist Teil des Hypothalamus. Der SCN ist die oberste Instanz der inneren Uhr und steuert den circadianen Rhythmus, einen etwa 24-stündigen Zyklus, der viele physiologische Prozesse im Körper beeinflusst.
Die circadianen Schrittmacher-Neuronen
Innerhalb des SCN befinden sich die circadianen Schrittmacher-Neuronen, die durch starke Schwankungen ihrer spontanen Entladungen zwischen Tag und Nacht gekennzeichnet sind. Diese Neuronen erzeugen sowohl anregende als auch hemmende Signale, die für einen robusten Tagesrhythmus notwendig sind. Die zeitlich abgestimmte Aktivität, mit der Natrium- und Kaliumionen durch die Membranen der Schrittmacher-Neuronen strömen, sowie die spezifische Veränderung der Ionenleitfähigkeit während der Aktionspotenziale sind entscheidend für die Aufrechterhaltung des circadianen Rhythmus.
Die Rolle des SCN bei der Aufrechterhaltung des 24-Stunden-Rhythmus
Die Schrittmacher-Neuronen im SCN sind nicht nur notwendig, sondern auch ausreichend, um den circadianen Rhythmus anzutreiben. Sie wirken Abweichungen vom 24-stündigen Tag-Nacht-Rhythmus entgegen und koppeln unsere Tätigkeiten an die sich drehende Erde. Die circadiane Uhr des Menschen hätte eigentlich einen Rhythmus von knapp 25 Stunden, aber der SCN gleicht diesen mit dem echten Tageslicht ab. Dies bewahrt uns davor, das Zeitgefühl zu verlieren und zum Zombie zu werden, selbst nach einer durchgefeierten Nacht.
Die Informationsübertragung zum SCN: Das Auge als entscheidende Schnittstelle
Das Auge spielt eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Informationen zur Tageslänge zum SCN. In der Netzhaut befinden sich spezialisierte Ganglionzellen (RGCs), die neben Zapfen und Stäbchen quasi eine dritte Klasse retinaler Photorezeptoren bilden. Diese RGCs sind mit dem Photopigment Melanopsin ausgestattet und können damit einfallendes Licht registrieren. Die Fasern der RGC laufen dann zum SCN und in andere Hirnregionen, einschließlich solcher, die die Stimmung regulieren.
Lesen Sie auch: Faszination Nesseltiere: Wie sie ohne Gehirn leben
Die Bedeutung von Melanopsin und blauem Licht
Melanopsin reagiert besonders empfindlich auf blaues Licht. Kunstlicht, insbesondere von Handys und Tablets, strahlt reichlich blaues Licht ab, was die innere Uhr beeinflussen kann. Abends ist die innere Uhr besonders empfindlich für Lichteffekte. Wenn elektrische Geräte abends nicht ausgeschaltet werden, besteht das Risiko einer Verzögerung der inneren Uhr und einer Erhöhung der Gefahr von Schlafstörungen.
Molekulare Mechanismen: Das Uhrwerk im Inneren der Zellen
Auch im Inneren der meisten Zellen unseres Körpers läuft ein annähernd 24-stündiger Zyklus ab. Dieser Zyklus wird durch das Prinzip der negativen Rückkoppelung erreicht: Ein „Uhren-Gen“ („clock“) wird von der Maschinerie der Zellen abgelesen und aus dieser Information eine Boten-RNA (mRNA) erstellt, die wiederum in ein spezifisches Protein übersetzt wird. Dieses CLOCK-Protein aktiviert tagsüber ein weiteres Uhren-Gen namens „per“ (für Periode). Über die entsprechende per-mRNA wird so PER-Protein synthetisiert. Zusammen mit anderen gewebespezifischen Proteinen bildet das Eiweißmolekül PER einen Komplex, der das CLOCK_Protein bindet und es damit blockiert. Die Folge ist, dass keine neue per-mRNA mehr gebildet wird, das verbleibende PER-Eiweiß allmählich zerfällt und dadurch auch die Blockade des CLOCK-Proteins wieder gelöst wird. Damit beginnt der Zyklus von vorne.
Die Rolle von "per" bei der Modulation von Zellfunktionen
Mit seinen schwankenden Konzentrationen, unterschiedlichen Bindungspartnern und durch Gleichgewichtsreaktionen mit anderen Zellbestandteilen kann per zum Beispiel indirekt die Energiezufuhr der Zelle erspüren, den Stoffwechsel beeinflussen oder Stressreaktionen modulieren.
Die Unabhängigkeit der Organe: Eigene molekulare Uhren
Als oberste Kontrollinstanz, die die zeitlichen Abläufe der Körperfunktionen regelt, fungiert zwar der SCN. Die meisten Organe und Gewebe können jedoch Dank des clock/per-Systems auch alleine ihren Rhythmus bewahren, wie man an isolierten Zellen der Leber, Lunge oder Niere in Kulturschalen beobachten kann. Diese Unabhängigkeit ist sinnvoll, da sie es den Organen ermöglicht, sich besser auf die wechselnden Umwelteinflüsse im Verlauf des Tages einzustellen.
Die Nachjustierung durch den SCN
Vom SCN aus werden diese Oszillationen falls nötig nachjustiert, damit sie einen 24-Stunden-Rhythmus beibehalten. Es gibt viele Querverbindungen zwischen den Systemen, deren Details aber noch nicht vollständig erforscht sind.
Lesen Sie auch: Lesen Sie mehr über die neuesten Fortschritte in der Neurowissenschaft.
Hirnwellen: Einblicke in die neuronale Aktivität
Neurone im Neocortex geben einen ganz anderen Rhythmus an. Zellen unterschiedlicher Regionen können dabei zusammenarbeiten und verraten dies in Form von „Hirnwellen“, die sich Mithilfe des Elektroenzephalogramms (EEG) sichtbar machen lassen. Generell unterscheidet man Gamma-, Beta-, Alpha-, Theta- und Delta-Wellen, die jeweils mit unterschiedlichen Aktivitätszuständen des Gehirns verbunden sind.
Die Choreografie der Hirnwellen im Schlaf
Zwischen Wachzustand und Schlaf lösen sich diese Hirnwellen gemäß einer recht übersichtlichen und einheitlichen Choreografie gegenseitig ab. Die vor dem Einschlafen noch eher „zappeligen“ Kurven im EEG scheinen sich beim schlafenden Menschen in der ersten Stunde stufenweise zu beruhigen. Die Muskeln und Augen entspannen sich, Herzschlag, Blutdruck und Körpertemperatur sinken, und im EEG sind charakteristische langsame Wellen mit hoher Amplitude zu sehen - daher auch der Begriff „Slow Wave". Nachdem der Schläfer etwa eine halbe Stunde am Tiefpunkt dieses Abstiegs verharrt, werden die EEG-Wellen ebenfalls stufenweise wieder schneller. Ähnlich wie beim Aufwachen beginnen die Augen sich zu bewegen, was dieser Schlafphase den Namen REM-Schlaf eingebracht hat (eng.: Rapid Eye Movement).
Synaptische Integration: Das Erkennen von Zusammenhängen
Neben der Anpassung des Lebens an täglich und saisonal schwankende Einflüsse ist eine weitere Art der Zeitmessung wichtig: Das Nervensystem erkennt, welche Ereignisse mehr oder weniger gleichzeitig passieren. Es konstruiert aus den Meldungen der Sinnesorgane ein „vorher“ und ein „nachher“ und es trennt zufällige Begebenheiten von solchen, die als Ursache und Wirkung miteinander verknüpft sind. Dahinter steht der Mechanismus der synaptischen Integration, der uns hilft, zu erkennen, was zusammengehört.
Die Funktionsweise der synaptischen Integration
Die meisten Neuronen des Nervensystems erhalten über ihre Synapsen tausende von Signalen und integrieren diese derart, dass ein einziges Ausgangssignal entsteht: das Aktionspotenzial. Signale, die innerhalb kurzer Zeit von einem einzelnen Neuron gesendet werden, können dabei ebenso aufaddiert werden, wie solche, die von verschiedenen Nervenzellen stammen, und (fast) zur gleichen Zeit eintreffen. Diese Reize werden aber nur dann weitergeleitet, wenn eine bestimmte Schwelle überschritten wird.
Neue Erkenntnisse: Vasopressin exprimierende Zellen in der Retina
Forscher der University of Edinburgh haben eine neue Gruppe von Zellen in der Retina entdeckt, welche die zirkadiane Uhr direkt beeinflusst. Dazu senden sie Signale in die Hirnregion, die den biologischen Rhythmus reguliert. Die Forschungsergebnisse zeigen nun, dass die Retina Zellen besitzt, die selbst Vasopressin exprimieren und so direkt mit dem SCN kommunizieren. Sie sind somit direkt an der Regulation der zirkadianen Rhythmik beteiligt.
Lesen Sie auch: Tinnitus und Gehirnaktivität: Ein detaillierter Einblick
Therapieoptionen für Jetlag und Nachtschichtarbeit
Die Erkenntnis, dass die biologische Uhr auch durch das Auge reguliert wird, könnte laut den Wissenschaftlern zum Beispiel helfen, neue Therapieoptionen für Menschen zu entwickeln, die an einem Jetlag durch Reisen oder Nachtschichten leiden.
Die Steuerung der Schlafprozesse: Ein komplexes Zusammenspiel von Hirnarealen
Für die Steuerung der Schlafprozesse sind eine ganze Reihe von Hirnarealen verantwortlich, vor allem in der Formatio reticularis, dem Nucleus raphe, dem Locus coeruleus und dem Nucleus supraopticus. Die Steuerung erfolgt vornehmlich über drei unterschiedliche Prozesse: ultradiane REM-Schlafrhythmik, zirkadiane Schlafrhythmik (Schlaf-Wachrhythmik) und homöostatischen Schlafdruck.
Das Zweiprozessmodell der Schlafregulation
Nach Borbély wird der Schlaf-Wach-Vorgang sowie die erlebte Müdigkeit im Wesentlichen von zwei Faktoren gesteuert: einem Faktor S, einer Schlafbereitschaft, die mit dem Wachzustand kumulativ ansteigt und im Schlaf wieder abgebaut wird, und einem Prozess C, einer Schlafbereitschaft, die gesteuert durch die innere Uhr, eine regelmäßige zirkadiane Rhythmik zeigt und jew. reziprok zur sinkenden Körpertemperatur ansteigt.
Innere Uhr und äußere Einflüsse: Ein dynamisches Zusammenspiel
Die innere Uhr steuert viele Prozesse im menschlichen Körper, darunter Wachheit und Müdigkeit. Sie arbeitet etwa im 24-Stunden-Rhythmus, unabhängig von äußeren Einflüssen. Taktgeber ist ein Areal im Gehirn, das die Ausschüttung des Schlafhormons Melatonin steuert. Dieser molekulare Prozess ist in den Zellen angelegt. Äußere Lichtreize wie künstliches Bildschirmlicht können die innere Uhr in begrenztem Umfang beeinflussen.
Die Experimente im Bunker: Einblicke in den circadianen Rhythmus
In den 1970er-Jahren führten Forschende des Max-Planck-Instituts für Verhaltensphysiologie Experimente durch, bei denen Freiwillige mehrere Wochen unter Ausschluss von Tageslicht in einem unterirdischen Bunker verbrachten. Dabei stellte sich heraus: Auch ohne Tageslicht stellte sich ein circadianer Rhythmus ein. Die Schlaf- und Wachphasen der Versuchspersonen bildeten also annähernd einen 24-Stunden-Tag ab.
Die Rolle des SCN als zentraler Taktgeber
Der Nucleus suprachiasmaticus (SCN) ist ein kleines Nervenbündel im Gehirn, wo sich die beiden Sehnerven kreuzen. In Studien hat sich gezeigt, dass der SCN zwar nicht der einzige, aber offenbar der zentrale Taktgeber für eine Reihe von physiologischen Prozessen ist. So sendet die reiskorngroße Struktur nachweislich unter anderem Signale an die Zirbeldrüse - eine ebenfalls sehr kleine Hirnregion, die das Hormon Melatonin produziert.
Die Anpassungsfähigkeit der inneren Uhr
Die innere Uhr ist anpassungsfähig und kann in Abhängigkeit von Umwelteinflüssen ihre Zeiger ein Stückchen vor- oder zurückschieben. Solche Korrekturen jedoch gehen eher bedächtig vonstatten. Nach längeren Flugreisen etwa stellt sich die innere Uhr mithilfe von Lichtreizen durchaus auf die neue Zeitzone um. Das aber kann einige Tage dauern.
Licht als kalibrierender Faktor: Die Forschung von Manuel Spitschan
Manuel Spitschan und seine Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in Tübingen erforschen, wie unterschiedliche Lichtreize im Gehirn verarbeitet werden und wie die innere Uhr darauf reagiert. Sie untersuchen, wie sich die Körpertemperatur, die Konzentration der körpereigenen Hormone Melatonin und Cortisol oder die Pupillenreaktion auf Licht über den Tag verändern.
Die Bedeutung von melanopsinhaltigen Ganglienzellen
Um die Jahrtausendwende stellte sich heraus, dass es in der Netzhaut zusätzlich zu den Stäbchen und Zapfen einen weiteren Zelltyp gibt, die melanopsinhaltigen Ganglienzellen. Dieser Photorezeptor hat einen maßgeblichen Einfluss auf die innere Uhr. Verarbeiten diese Zellen Lichtreize, senden sie offenbar ein Signal an den Nucleus suprachiasmaticus und stellen die innere Uhr damit ein Stück zurück.
Der zweite Taktgeber: Nahrung als Einflussfaktor
Neben der lichtgesteuerten inneren Uhr verfügt der Körper noch über einen zweiten Taktgeber, der auf Nahrung reagiert. Finden Tiere in ihrer normalen Wachphase aber nicht ausreichend Futter, passen sie ihren Rhythmus an, um ihre Nahrungsaufnahme zu erhöhen. Es scheint einen zweiten, nahrungsgesteuerten Taktgeber für die innere Uhr zu geben, der den lichtgesteuerten ablösen kann.
Die Bedeutung für Langstreckenflüge
Für Passagiere auf Langstreckenflügen, die unter der Verstellung der inneren Uhr zu leiden haben, könnten die neuen Erkenntnisse von Bedeutung sein. Eine Fastenperiode von 16 Stunden bringt den zweiten Taktgeber in Schwung. Auf Langstreckenflügen sollte man daher auf Essen verzichten und stattdessen direkt nach der Landung ausreichend essen.
Die Master Clock und die Synchronisation mit der Umwelt
Jeder Mensch tickt anders. Dennoch ist er an Tag und Nacht gebunden. Die „Master Clock“ dirigiert die inneren Uhren und synchronisiert sie mit ihrer Umwelt. Die Melanopsin-Rezeptoren sind zwar gleichmäßig über die Netzhaut verteilt, reagieren besonders sensibel aber im unteren und nasalen Bereich der Retina. Sie versorgen den SCN mit Informationen über Lichtreize und sind z. B. verantwortlich dafür, dass die Bildung des sogenannten „Schlafhormons” Melatonin gebremst wird.
Die Rolle von Melatonin und Cortisol
Botenstoffe der inneren Uhr und damit treibende Kraft hinter dem Schlaf-Wach-Rhythmus des Menschen sind Hormone. Vor allem Melatonin und Cortisol spielen hier eine wichtige Rolle, denn sie wirken im Körper entgegengesetzt. Melatonin macht müde und entschleunigt die Körperfunktionen zugunsten der verdienten Nachtruhe, während Cortisol den Stoffwechsel anregt und den Körper auf Tagesbetrieb programmiert.
Der suprachiasmatische Nukleus (SCN) und seine klinische Bedeutung
In diesem Artikel wird die Bedeutung des suprachiasmatischen Nukleus (SCN) für die tagesrhythmische Regulation des intrinsischen Zeitprogramms lebender Organismen vorgestellt sowie klinische Bezüge bei Störungen desselben aufgezeigt. Über die zahlreichen neuronalen und neuroendokrinen Verbindungen integriert der SCN zeitliche Informationen der Umwelt einerseits und die endogenen biologischen Rhythmen neurohormoneller Achsen - (Hypothalamus-Hypophyse-Nebennieren-Achse (HPA-Achse), Hypothalamus-Hypophyse-Gonaden-Achse (HPG-Achse), thyreotroper Regelkreis etc. - andererseits. Über diese und weitere komplexe Wechselwirkungspfade reguliert SCN das Neurovegetativum sowie Funktionen des Metabolismus, des Immunsystems und des Verhaltens.
Die Suche nach der Uhr: Experimentelle Läsionen und Transplantationen
Die Möglichkeit, im Tierversuch gezielte Läsionen an verschiedenen Gehirnstrukturen zu setzen, führte zur genaueren Lokalisierung des endogenen Schrittmachers in Säugern. Experimentelle Läsionen der SCN-Region der Versuchstiere führten zum Verlust des rhythmischen Verhaltens der Nahrungsaufnahme und des Schlaf- und Wach-Zyklus. Auch der Ovulationszyklus und rhythmische Sekretion von Corticosteron waren gestört. Mit fetalen SCN-Transplantaten gelang es, den „schnelleren“ endogenen Schlaf-Wach-Rhythmus in den „langsameren“ Tieren zu erzeugen.
Der Weg des Lichtes zum SCN: Synchronisation der inneren Uhr
Die Synchronisation der inneren Uhr mit den zeitlichen Hinweisen der Umwelt ist keine passive Reaktion, sondern ein komplexer Anpassungsprozess (sog. „entrainment“). Der Anpassungsprozess ist von den Eigenschaften des endogenen Schrittmachers und des äußeren Stimulus abhängig. Der äußere, „entrainment“ generierende Stimulus wird als Zeitgeber bezeichnet. Grundsätzlich können photische (Licht) und nicht-photische Zeitgeber unterschieden werden.
Die Bedeutung der intrinsisch photosensitiven retinalen Ganglienzellen (ipRGCs)
Die für das zirkadiane System relevante Lichtrezeption findet an der Retina statt, jedoch nicht durch Stäbchen und Zapfen, sondern über spezialisierte, direkt lichtempfindliche Netzhautzellen (sog. intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen, ipRGCs), die etwa 1% der gesamten Ganglienzellpopulation der Netzhaut ausmachen und insbesondere im inferior-nasalen/medialen Bereich der Retina lokalisiert sind. Sie führen mit ihren ableitenden Nervenaxonen mittels des Tractus retinohypothalamicus (RHT) zum SCN. Die Lichtdetektion der direkt lichtempfindlichen Ganglienzellen der Netzhaut erfolgt mittels des Photopigments Melanopsin.
Interne Synchronisation und parakrine Mechanismen innerhalb des SCN
Unter In-vivo-Bedingungen integriert der SCN exogene und endogene Signale, vor allem den Hell-Dunkel-Wechsel, und ermöglicht so dem Organismus, sich optimal auf die Umweltbedingungen vorzubereiten. Die Besonderheit der Zellen des SCN besteht darin, dass sie auch ohne äußere Einflüsse ihre rhythmische Aktivität aufrechterhalten. Die einzelnen Oszillatoren mit durchaus unterschiedlichen endogenen Perioden stabilisieren und synchronisieren sich gegenseitig.
Die Rolle von Zellverbindungen und Neurotransmittern
Die Ausbildung von synchronisierenden neuronalen Schaltkreisen innerhalb des SCN wird durch verschiedene Mechanismen erreicht wie Zellverbindungen sowie humorale und parakrine Faktoren. In-vivo-Zellverbindungen vom Gap-junction-Typ vermitteln einen wesentlichen Anteil an der Synchronisation. Die Neurotransmitter Glutamat und γ-Aminobuttersäure (GABA) sind für lokale intrinsische Signalübertragung verantwortlich und im nahezu gesamten SCN verbreitet.