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“.

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Hacker-News-Kommentare

• Ich denke, dass das uralte Rätsel, warum Schlaf nötig ist, vielleicht endlich gelöst wurde. Laut der Arbeit führt eine zellautonome milde mitochondriale Entkopplung über Ucp4A/Ucp4C in schlafinduzierenden Neuronen von Fruchtfliegen dazu, dass die „mitochondriale Δp“ sinkt und dadurch Elektronenleckagen reduziert werden, was wiederum den Schlafbedarf verringert. Interessant ist, dass sich der Grund für Schlaf auf Basis dieses biochemischen Prozesses erklären lassen könnte. Die meisten mitochondrialen Entkoppler passieren die BBB (Blut-Hirn-Schranke) nicht gut, und diese Studie wirkt in dieser Hinsicht sehr lokal und ungewöhnlich. Falls die Arbeit stimmt, könnte damit nicht nur das Rätsel des Schlafs gelöst sein, sondern vielleicht auch neue „gesunde“ wachheitsfördernde Medikamente entstehen. Ich frage mich auch, ob sich damit Unterschiede zwischen Tiefschläfern, Leichtschläfern oder beim individuellen Schlafbedarf verändern ließen

  • Es wäre wirklich überraschend, wenn Schlaf nur einem einzigen Zweck diente. In komplex eng vernetzten Systemen passt eine einzige Ursache als Erklärung für alles fast nie
  • Als Erklärung dafür, wie sich Schlaf evolutionär in dieser Form entwickelt hat, klingt das plausibel, aber Menschen nutzen Schlaf außerdem für viele andere Zwecke wie Gedächtniskonsolidierung (Schlafspindeln) oder die Integration prozeduraler Erinnerungen (REM-Schlaf)
  • Dieses Thema hat noch mehr Ebenen. Ein Teil der Gründe, warum wir schlafen, ist kein „uraltes Rätsel“. Da die Umwelt einen Tag-Nacht-Zyklus vorgibt, war es evolutionär vorteilhaft, tagsüber optimierte Tätigkeiten am Tag auszuführen und nachts die körperliche Aktivität einzustellen und andere Prozesse ablaufen zu lassen. Gäbe es keinen Tag-Nacht-Zyklus, hätte sich das Gehirn vermutlich nicht unbedingt so entwickelt, dass es den Körper „nachts“ ruhen lässt
  • Die aktuelle Forschung ist eine „neue Theorie darüber, warum Schlaf nötig ist“. Man kann nicht fest behaupten, dass das Rätsel wirklich gelöst ist. Es ist auch nicht sicher, ob die Arbeit tatsächlich eine neue Theorie darstellt
  • In diesem Zusammenhang möchte ich für einen allgemeineren Grund des Schlafs aus Russell Fosters Buch „Life Time“ zitieren: „Schlaf ist ein artspezifisches Verhalten, das an den 24-Stunden-Zyklus angepasst ist. Während des Schlafs vermeidet man durch die Inaktivität des Körpers Aktivitäten in einer Umgebung, an die man schlecht angepasst ist, und führt in dieser Zeit physiologisch notwendige Aufräumarbeiten durch.“ Dieses Buch erklärt Schlaf am klarsten

• Der Satz „Electrons flowing like grains through the respiratory chain of this feedback controller determine when equilibrium must be restored“ ist einfach großartig. Er gehört für mich nun zu den besten Sätzen überhaupt, zusammen mit „It is as if we are looking at a Lord of the Rings-style world“ von einem legendären Treffen der Royal Society
  Verwandter Link

  • Diesmal wird der Sand dich zwar nicht retten, aber dieser Sand wird dir Zeit sparen

• Die Arbeit ist hier. Ich bin kein Experte, aber auf mich wirkt es, als würde die Arbeit das Konzept etwas vereinfachen und überzeichnen. Sie wurde nicht nur an Fruchtfliegen durchgeführt, sondern es scheint streng genommen eher um „Ruhe“ als um „Schlaf“ zu gehen. Interessant und lesenswert, aber ich vermute, dass es noch eine längere Kausalkette gibt, und ich bin nicht sicher, ob sich das bei Menschen oder anderen Säugetieren reproduzieren lässt. Ich kann mich irren, aber es bleibt unsicher

  • Diese Arbeit ist nicht gut. Ich halte mich selbst für einen Experten auf diesem Gebiet, und es ist bitter, dass die Realität der Wissenschaft eben oft so aussieht

• Ich habe mich gefragt, ob der Grund, warum man letztlich stirbt, wenn man nicht genug schläft, mit diesem mitochondrialen Mechanismus zusammenhängt. Dass Guinness keine Rekorde für extreme Wachzeiten akzeptiert, ist aus demselben Grund nachvollziehbar wie keine Rekorde für Russisches Roulette

  • Tatsächlich hat Guinness die Erfassung schlafbezogener Rekorde aus Gesundheitsgründen eingestellt. Extreme Schlafentzug kann bis zu Schizophrenie, psychiatrischer Einweisung und der Verschreibung von Schlafmitteln führen. Kurzfristig stirbt man nicht sofort an Schlafmangel, aber langfristig (über Jahre bis Jahrzehnte) erhöht chronisch zu wenig Schlaf das Sterberisiko

• Die Verbindung zwischen dieser Forschung und familial natural short sleep ist interessant. Insbesondere scheinen Menschen mit den entsprechenden Genen auch einen Schutzeffekt gegenüber Alzheimer zu haben. Das deutet darauf hin, dass diese Genvarianten möglicherweise nachgelagert auf den in der Arbeit beschriebenen Zyklus der mitochondrialen Aufrechterhaltung wirken

• Die Geschichte, die ich für eine Internet-Legende hielt — dass Mitochondrien von Bakterien abstammen und durch Antibiotika geschädigt werden können — hat tatsächlich eine wissenschaftliche Grundlage

  • Insbesondere Antibiotika aus der Gruppe der Quinolone können Mitochondrien schaden. Bei Antibiotika wie Penicillin besteht dieses Risiko nicht. Penicillin, das aus Pilzen stammt, ist davon nicht betroffen, obwohl Pilze ebenfalls Mitochondrien haben. Grundsätzlich sollte man das schwächste Antibiotikum verwenden, das möglichst gezielt gegen den betreffenden Erreger wirkt, und wenn Quinolone leichtfertig verschrieben werden, sollte dafür unbedingt eine klare Begründung wie die Identifikation des Bakteriums vorliegen
    Verwandter Link
  • Tatsächlich sind Ribosomen-Inhibitoren problematisch, insbesondere Antibiotika wie Tetracyclin, die Mitochondrien beeinflussen
    Verwandte Arbeit
  • Klassische Antibiotika wirken auf bakterielle Ribosomen (prokaryotische Ribosomen), die sich massiv von eukaryotischen Zellribosomen unterscheiden. Natürlich kann es Ausnahmen geben, aber genau deshalb werden neue Medikamente gründlich geprüft
  • Bei solchen Aussagen muss man sehr vorsichtig sein. Menschen, die Wissenschaft oder Medizin nicht gut verstehen, verwenden so etwas leicht als Grundlage für anti-medizinische oder anti-Impf-Behauptungen. Jedes Antibiotikum hat andere Zielstrukturen, und die große Mehrheit beeinflusst Mitochondrien kaum. Die Symbiose von Mitochondrien mit der Zelle begann vor etwa 3 Milliarden Jahren, und heute ist beides so eng verflochten, dass man Mitochondrien kaum noch als getrennten Organismus betrachten kann

• ChatGPT hat mir gesagt, dass Koffein indirekt eine Rolle bei der Aktivierung von UCP (uncoupled protein) spielt, und ich finde es faszinierend, dass ein Stoff, den wir im Alltag als Stimulans nutzen, tatsächlich dazu beitragen könnte, mit weniger Schlaf auszukommen

• Körperliche Erschöpfung und geistige Erschöpfung (Schläfrigkeit) sind unterschiedlich. Man kann den ganzen Tag auf dem Sofa liegen und ist abends trotzdem schläfrig, und ohne Schlaf hält man nicht lange durch. Der geistige Grund für Schlaf ist, dass das Gehirn Zeit zum „Aufräumen“ braucht, in einem Offline-Zustand (ohne sensorische Eingänge) etwa Kurzzeiterinnerungen des Tages zu ordnen und zu speichern

  • Eine Ursache für Elektronenleckagen ist (laut etwas, das ich bei ChatGPT gelesen habe), dass NADH (Treibstoff) ATP (Energiebedarf) übersteigt. Deshalb kann körperliche Ermüdung das geistige Schlafbedürfnis hinauszögern, und die beiden Prozesse sind nicht völlig getrennt
  • Auch das Gehirn verbraucht bei geistig anstrengender Arbeit etwas mehr Energie als sonst, wenn auch nur leicht (etwa 5 %). Deshalb müssen entladene Mitochondrien wieder aufgeladen werden, und insofern ist es gar nicht so überraschend, dass man auch nach einem faulen Tag müde ist

• Es ist sehr wichtig, die Zahl und Effizienz der Mitochondrien zu erhöhen. Ich denke, dass ME/CFS (Chronisches Fatigue-Syndrom) dadurch entsteht, dass diese Organellen nicht richtig funktionieren

  • Ich empfehle dringend Red-Light-Therapie. Es gibt einen Spreadsheet-Link, der alle Arbeiten zu mitochondrialen Effekten zusammenfasst
  • Wer interessiert ist, sollte nach „MOTS-C“ und „SS-31“ suchen. Beides sind Peptide, die die mitochondriale Funktion verbessern sollen, und sie sind online leicht zu bekommen. MOTS-C finde ich besonders interessant; ich habe es zwar noch nicht ausprobiert, aber bereits ein 20mg-Vial hier
  • Ich selbst nutze ebenfalls Supplemente, die an wichtigen Schritten des Krebs-Zyklus beteiligt sind, sowie Glutathion-Supplemente zur Verzögerung von ROS-Schäden, und subjektiv hat das bei mir einen großen Effekt. An solchen Tagen steigt meine Konzentration bei langen Programmierphasen oder Firmenpolitik deutlich an. Mein nächstes Ziel ist es, meine kardiopulmonale Ausdauer deutlich zu verbessern, aber meine Lungenfunktion ist etwas eingeschränkt, daher ist das noch eine Hürde
  • ME/CFS steht für Myalgic Encephalomyelitis/Chronic Fatigue Syndrome (Myalgische Enzephalomyelitis/Chronisches Fatigue-Syndrom)
  • Ich bin mir nicht sicher, ob das Chronische Fatigue-Syndrom tatsächlich als eigenständige Erkrankung existiert. Es wirkt verwirrend, eher wie ein Sammelbegriff für „eine Krankheit, die man nicht gut versteht“

• Schlaf ist extrem wichtig. Bei den Workaholics, die ich erlebt habe, habe ich viel zu oft gesehen, dass sie jahrelang kaum schlafen und später im Leben große Probleme bekommen

  • Einer der größten Vorteile daran, entlassen worden zu sein, ist, morgens so lange schlafen zu können, wie man will
  • Hinter Workaholismus stehen fast immer psychische Probleme, OCD (Zwangsstörung), tiefes Unglück oder die Vermeidung von Leere. Solche Zustände führen zu allerlei selbstzerstörerischem Verhalten, und Schlafentzug ist Teil dieses Teufelskreises. Am Ende kommt man um die Psyche nicht herum, und schon ein grundlegendes Verständnis von Psychologie macht es viel leichter, Menschen zu verstehen und mit ihnen umzugehen. Ich wünschte, so etwas würde in der Schule richtig vermittelt