Schlaf läuft letztlich auf Mitochondrien hinaus

• In neueren Studien wurde vorgeschlagen, dass der wahre biochemische Ursprung von „Schläfrigkeit und Schlafbedürfnis“ tief mit den Mitochondrien verknüpft ist
• Durch die Untersuchung eines Gehirnareals von Insekten wurde bei Schlafmangel eine Zunahme der Genexpression festgestellt, wobei besonders Veränderungen im Zusammenhang mit mitochondrialer Funktion und Synapsenübertragung auffielen
• Veränderungen im Elektronentransport innerhalb der Mitochondrien wurden tatsächlich direkt mit der Auslösung von Müdigkeitssignalen verbunden
• Die Sauerstoffatmung selbst deutet darauf hin, dass sie zwangsläufig einen Schlafzustand auslöst, in dem eine Erholung der neuronalen Mitochondrien erforderlich ist
• Sowohl Schlaf als auch Hunger stehen in enger Verbindung zur Energiehomöostase und Mitochondrienregulation

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Der eigentliche Ursprung des Schlafs liegt in den Mitochondrien

Lange Zeit war unklar, warum Schlaf überhaupt nötig ist und was die eigentliche biochemische Grundlage des Gefühls „Ich bin müde und muss mich hinlegen“ ist. Auf zellulärer Ebene wurden diverse Veränderungen gut beobachtet, doch es blieb unklar, ob diese Veränderungen die Ursache für den Schlafbedarf signalisieren oder eine Folge davon sind. Diese Kausalitätsverwirrung ist ein typisches Problem in der Biomedizin, ähnlich wie bei der Beziehung zwischen Alzheimer und Amyloidablagerung.

Die Rolle der Mitochondrien in Insektenmodellen

Wissenschaftler haben gezeigt, dass ein Gehirnareal der Fruchtfliege (insbesondere der dorsale fan-shaped body) eine Schlüsselrolle bei der Schlafregulierung spielt. In einer aktuellen Studie wurden die Neuronen dieses Bereichs in einen schlafarmen Zustand versetzt und eine Einzelzell-Analyse durchgeführt; dabei erhöhte sich die Expression von 122 Genen, wobei die Veränderungen im Bereich der mitochondrialen Funktion und Synapsenübertragung besonders auffällig waren. Aus detaillierten zellulären Beobachtungen ging hervor, dass mit zunehmendem Schlafmangel die Mitochondrienfragmentierung, Mitophagie (Mitochondrienrecycling) sowie der direkte Kontakt zwischen Mitochondrien und endoplasmatischem Retikulum zunahmen. Der Kontakt mit dem endoplasmatischen Retikulum gilt als Mechanismus, um durch oxidativen Stress geschädigte Lipide erneut zu ergänzen.

Direkte Verbindung zwischen Veränderungen im Elektronentransport und Schlafsignalen

Das Forschungsteam führte verschiedene Experimente durch, bei denen der Elektronentransport in den Mitochondrien künstlich verändert wurde. Dabei zeigte sich, dass Veränderungen dieses Prozesses direkt mit dem Schlafförderungsprozess dieser Neuronen zusammenhängen. Unter Schlafmangelbedingungen führt die fortwährende Aktivität der Mitochondrien zu verstärkter Mitochondrienfission und erhöhtem Recycling, und die Akkumulation von Elektronen scheint letztlich der fundamentalste Faktor zu sein, der das „Schlafbedürfnis“ bestimmt.

Unvermeidbare Beziehung zwischen Sauerstoffatmung und Schlaf

Die Studie betont, dass die aerobe Atmung selbst den unvermeidlichen Preis für eine Erholung der neuronalen Mitochondrien, also für einen Schlafzustand, fordert. Auch beim Menschen berichten Patientinnen und Patienten mit Mitochondrienfunktionsstörung häufig über „extreme Müdigkeit“ als Hauptsymptom, und diese Müdigkeit wird üblicherweise nicht durch „erholsamen Schlaf“ verbessert.

Energiehomöostase, Mitochondrien und auch Schlaf und Hunger

Das Forschungsteam betont, dass daraus folgt, dass sowohl Schlaf als auch Hunger eng mit der Energiehomöostase der Mitochondrien verbunden sind. Organismen mit aerober Atmung regulieren dauerhaft die Mitochondrientreibstoffversorgung und insbesondere die Ruhe- und Erholungszeit der neuronalen Mitochondrien. Die Forschenden formulierten es elegant: „Der Fluss der Elektronen durch die Atmungskette ist wie der fallende Sand in einer Sanduhr; er bestimmt, wann das Gleichgewicht wiederhergestellt werden muss.“ Neben diesem Prozess gibt es weitere Funktionen, die sich dem Schlafzyklus anschließen (z. B. Gedächtnisbildung), aber sie schlagen vor, dass mitochondriale Funktion die fundamentalste Basis allen Schlafs sei. Zusammengefasst gilt: Ein Organismus, der Sauerstoff verbraucht, kann nicht vermeiden, dass er „Schlaf braucht“.