Sternförmige Gehirnzellen könnten der Schlüssel dazu sein, warum und wie wir schlafen.

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Eine in der Zeitschrift Current Biology veröffentlichte Studie deutet darauf hin, dass sternförmige Gehirnzellen, so genannte Astrozyten, für die Regulierung des Schlafs ebenso wichtig sein könnten wie Neuronen, die Nervenzellen des Gehirns.

Unter der Leitung von Forschern des Elson S. Floyd College of Medicine der Washington State University baut die Studie neuen Schwung auf, um letztlich das Rätsel zu lösen, warum wir schlafen und wie Schlaf im Gehirn funktioniert. Die Entdeckung könnte auch den Grundstein für mögliche zukünftige Behandlungsstrategien für Schlafstörungen und neurologische Krankheiten und andere mit Schlafstörungen verbundene Krankheiten wie PTBS, Depression, Alzheimer und Autismus-Spektrum-Störung legen.

“Was wir über den Schlaf wissen, basiert weitgehend auf Neuronen”, sagte Hauptautor und Postdoc-Forschungsmitarbeiter Ashley Ingiosi. Neuronen, erklärte sie, kommunizieren durch elektrische Signale, die durch Elektroenzephalographie (EEG) leicht erfasst werden können. Astrozyten – ein Typ von Gliazellen (oder “Klebezellen”), die mit Neuronen interagieren – verwenden keine elektrischen Signale, sondern nutzen stattdessen einen Prozess, der als Kalzium-Signalisierung bekannt ist, um ihre Aktivität zu steuern.

Lange Zeit glaubte man, dass Astrozyten – die fünf bis eins mehr Neuronen als Neuronen haben können – eine unterstützende Rolle spielen, ohne direkt an Verhaltensweisen und Prozessen beteiligt zu sein. Neurowissenschaftler haben erst vor kurzem damit begonnen, ihre potenzielle Rolle in verschiedenen Prozessen genauer zu untersuchen. Und während einige wenige Studien angedeutet haben, dass Astrozyten eine Rolle im Schlaf spielen könnten, standen solide wissenschaftliche Instrumente zur Untersuchung ihrer Kalziumaktivität bis vor kurzem nicht zur Verfügung, sagte Ingiosi.

Studie bietet Fenster ins Gehirn

Um die Rolle der Astrozyten im Schlaf tiefer zu erforschen, verwendeten sie und ihre Koautoren ein Nagetiermodell, um die Kalziumaktivität der Astrozyten während des Schlafes und des Wachzustandes sowie nach Schlafentzug aufzuzeichnen. Sie benutzten einen fluoreszierenden Kalziumindikator, der über winzige, am Kopf montierte Mikroskope aufgenommen wurde, die direkt in die Gehirne von Mäusen blickten, während diese sich bewegten und sich so verhielten, wie sie sich normalerweise verhalten würden. Dieser Indikator ermöglichte es dem Team, die kalziumgesteuerte Fluoreszenzaktivität in Astrozyten während des Schlaf- und Wachverhaltens ein- und ausblinken zu sehen. Ihre einzigartige Methodik unter Verwendung dieser Miniaturmikroskope ermöglichte es dem Team, die allererste Studie über die Kalziumaktivität von Astrozyten im Schlaf an frei lebenden Tieren durchzuführen.

Das Forschungsteam machte sich daran, zwei Hauptfragen zu beantworten: Verändern sich Astrozyten im Schlaf- und Wachzustand dynamisch, wie es Neuronen tun? Und spielen Astrozyten eine Rolle bei der Regulierung des Schlafbedarfs, unserem natürlichen Antrieb zum Schlafen?

Bei der Untersuchung von Astrozyten im frontalen Kortex, einem Bereich des Gehirns, der mit messbaren EEG-Veränderungen des Schlafbedarfs in Verbindung gebracht wird, stellten sie fest, dass sich die Aktivität der Astrozyten während des Schlaf-Wach-Zyklus dynamisch verändert, wie dies auch bei Neuronen der Fall ist. Sie beobachteten auch die höchste Kalziumaktivität zu Beginn der Ruhephase, wenn der Schlafbedarf am grössten ist, und die geringste Kalziumaktivität am Ende der Ruhephase, wenn sich der Schlafbedarf aufgelöst hat.

Als nächstes hielten sie die Mäuse während der ersten 6 Stunden ihrer normalen Ruhephase wach und beobachteten, wie sich die Kalziumaktivität parallel zur Aktivität der langsamen EEG-Wellen im Schlaf, einem Schlüsselindikator für den Schlafbedarf, veränderte. Das heisst, sie stellten fest, dass Schlafentzug einen Anstieg der Astrozyten-Kalziumaktivität verursachte, die nach dem Einschlafen der Mäuse abnahm.

Ihre nächste Frage war, ob eine genetische Manipulation der Astrozyten-Kalziumaktivität die Schlafregulation beeinflussen würde. Um dies herauszufinden, untersuchten sie Mäuse, denen ein als STIM1 bekanntes Protein in Astrozyten selektiv fehlte, wodurch die Menge des verfügbaren Kalziums reduziert wurde. Nach dem Schlafentzug schliefen diese Mäuse nicht so lange oder wurden nicht so schläfrig wie normale Mäuse, die einmal schlafen durften. Dies bestätigte frühere Befunde, die darauf hindeuten, dass Astrozyten eine wesentliche Rolle bei der Regulierung des Schlafbedarfs spielen.

Schliesslich testeten sie die Hypothese, dass die Calcium-Astrozyten-Aktivität vielleicht nur die elektrische Aktivität von Neuronen widerspiegelt. Studien haben gezeigt, dass die elektrische Aktivität von Neuronen während des Nicht-REM-Schlafs und nach Schlafentzug stärker synchronisiert ist. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass für Astrozyten das Gegenteil zutrifft, nämlich dass die Kalziumaktivität im Nicht-REM-Schlaf und nach Schlafentzug weniger synchronisiert ist.

“Das zeigt uns, dass Astrozyten nicht nur passiv der Führung von Neuronen folgen”, sagte Ingiosi. “Und da sie nicht unbedingt dieselben Aktivitätsmuster wie Neuronen aufweisen, könnte dies tatsächlich eine direktere Rolle der Astrozyten bei der Regulierung von Schlaf und Schlafbedürfnis implizieren.

Zukünftige Forschungsrichtung

Mehr Forschung sei nötig, um die Rolle der Astrozyten im Schlaf und bei der Schlafregulation weiter zu enträtseln, sagte Ingiosi. Sie plant, die Kalziumaktivität der Astrozyten in anderen Teilen des Gehirns zu untersuchen, die sich als wichtig für Schlaf und Wachzustand erwiesen haben. Darüber hinaus möchte sie die Interaktionen von Astrozyten mit verschiedenen Neurotransmittern im Gehirn untersuchen, um den Mechanismus aufzuklären, durch den Astrozyten den Schlaf und die Schlafregulierung steuern könnten.

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