Gehirnschaltung in Schläfrigkeit verwickelt, "Zoning Out"

Neue Forschungen bringen eine neue Perspektive auf das Konzept des Schlafes. Traditionelle Gedanken haben ergeben, dass das Gehirn völlig wach ist oder schläft - ein Alles-oder-Nichts-Vorschlag.

Jetzt haben Neurowissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen Gehirnkreislauf entdeckt, der dazu führen kann, dass kleine Regionen des Gehirns einschlafen oder weniger aufmerksam werden, während der Rest des Gehirns wach bleibt.

Wissenschaftler fanden heraus, dass dieser Kreislauf aus einer Gehirnstruktur stammt, die als Thalamus-Retikularkern (TRN) bekannt ist. Das TRN leitet Signale an den Thalamus und dann an die Hirnrinde weiter und induziert Taschen der langsamen, oszillierenden Gehirnwellen, die für Tiefschlaf charakteristisch sind.

Langsame Schwingungen treten auch während des Komas und der Vollnarkose auf und sind mit einer verminderten Erregung verbunden. Bei ausreichender TRN-Aktivität können diese Wellen das gesamte Gehirn übernehmen.

Die Forscher glauben, dass die TRN dem Gehirn helfen kann, neue Erinnerungen zu festigen, indem langsame Wellen zwischen verschiedenen Teilen des Gehirns koordiniert werden, so dass sie Informationen leichter austauschen können.

"Während des Schlafes haben bestimmte Gehirnregionen möglicherweise gleichzeitig langsame Wellen, weil sie Informationen miteinander austauschen müssen, während andere dies nicht tun", sagte Dr. Laura Lewis, eine Forschungspartnerin und eine der Hauptautoreninnen der neue Studie.

Die TRN könnte auch dafür verantwortlich sein, was im Gehirn passiert, wenn Menschen mit Schlafmangel kurze Gefühle des „Zoning out“ verspüren, während sie darum kämpfen, wach zu bleiben, sagen die Forscher.

Die Studienergebnisse erscheinen in der Zeitschrift eLife.

Der andere Erstautor der Zeitung ist Jakob Voigts, ältere Autoren sind Emery Brown und Michael Halassa. Weitere Autoren sind das MIT-Forschungsunternehmen Francisco Flores und Matthew Wilson.

Bisher konzentrierten sich die meisten Schlafforschungen auf die globale Kontrolle des Schlafes, die auftritt, wenn das gesamte Gehirn in langsamen Wellen überflutet ist - Schwingungen der Gehirnaktivität, die entstehen, wenn Sätze von Neuronen für kurze Zeit zum Schweigen gebracht werden.

Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass Tiere mit Schlafmangel 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, da es aufgrund seiner physischen Lage perfekt positioniert ist, um eine Rolle im Schlaf zu spielen, sagt Lewis.

Das TRN umgibt den Thalamus wie eine Hülle und kann als Gatekeeper für sensorische Informationen fungieren, die in den Thalamus gelangen, und sendet dann Informationen zur weiteren Verarbeitung an den Cortex.

Mithilfe der Optogenetik, einer Technik, mit der Wissenschaftler Neuronen mit Licht stimulieren oder zum Schweigen bringen können, stellten die Forscher fest, dass langsame Wellen in einem kleinen Teil des Kortex auftraten, wenn sie die TRN in wachen Mäusen schwach stimulierten. Mit mehr Stimulation zeigte der gesamte Kortex langsame Wellen.

"Wir haben auch festgestellt, dass Tiere, wenn Sie diese langsamen Wellen über den Kortex induzieren, sich verhalten, als wären sie schläfrig. Sie werden aufhören, sich zu bewegen, ihr Muskeltonus wird nachlassen “, sagte Lewis.

Die Forscher glauben, dass die TRN die Kontrolle des Gehirns über lokale Gehirnregionen verfeinert, langsame Wellen in bestimmten Regionen verstärkt oder verringert, damit diese Bereiche miteinander kommunizieren können, oder einige Bereiche dazu veranlasst, weniger aufmerksam zu werden, wenn das Gehirn sehr schläfrig ist.

Dies kann erklären, was beim Menschen passiert, wenn ihm der Schlaf entzogen ist und er sich vorübergehend aus dem Staub macht, ohne wirklich einzuschlafen.

"Ich neige dazu zu glauben, dass dies passiert, weil das Gehirn in den Schlaf übergeht und einige lokale Gehirnregionen schläfrig werden, selbst wenn Sie sich zwingen, wach zu bleiben", sagte Lewis.

Das Verständnis, wie das Gehirn die Erregung steuert, könnte Forschern helfen, neue Schlaf- und Anästhetika zu entwickeln, die einen Zustand erzeugen, der dem natürlichen Schlaf ähnlicher ist. Die Stimulierung des TRN kann tiefe, nicht REM-ähnliche Schlafzustände induzieren, und frühere Forschungen von Brown und Kollegen haben einen Kreislauf entdeckt, der den REM-Schlaf aktiviert.

Brown fügte hinzu: „Die TRN ist reich an Synapsen - Verbindungen im Gehirn -, die den inhibitorischen Neurotransmitter GABA freisetzen. Daher ist die TRN mit ziemlicher Sicherheit ein Wirkort vieler Anästhetika, da eine große Klasse von ihnen an diesen Synapsen wirkt und langsame Wellen als eines ihrer charakteristischen Merkmale erzeugt. “

Frühere 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 einen Mechanismus nahe legt, warum diese Medikamente den Informationsaustausch im Gehirn beeinträchtigen und Bewusstlosigkeit erzeugen.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology / EurekAlert