Studie: Schlaf schützt Neuronen vor DNA-Schäden

Schlaf könnte ursprünglich nichts weiter als ein Wartungsfenster für das Nervensystem gewesen sein. Eine neue Studie legt nahe, dass selbst einige der frühesten Tiere mit Neuronen Schlaf nutzen, um DNA-Schäden und zellulären Stress zu verringern.

Diese Schutzfunktion scheint so grundlegend zu sein, dass sie komplexe Gehirne um Hunderte Millionen Jahre überdauert.

Die Forschungsarbeit wurde von den Laboren von Professor Lior Appelbaum und Professor Oren Levy an der Bar-Ilan-Universität geleitet.

Anhand von Quallen und Seeanemonen argumentiert das Team, dass eine Kernaufgabe des Schlafs sehr alt ist: Neuronen Zeit zur Reparatur zu geben.

Warum Schlaf das Risiko wert ist

Sobald Nervensysteme im Tierreich auftreten, ist Schlaf nahezu überall zu finden. Das wirkt zunächst merkwürdig, denn Schlaf scheint riskant zu sein.

Während ein Tier schläft, nimmt es seine Umgebung weniger aufmerksam wahr. Dadurch kann es leichter zur Beute werden. Außerdem unterbricht Schlaf Aktivitäten, die für das Überleben wichtig sind, etwa Nahrungssuche und Fortpflanzung.

Warum also hat die Evolution den Schlaf bewahrt? Die Studie liefert deutliche Hinweise darauf, dass Schlaf nicht nur nützlich ist. Er erfüllt eine Schutzfunktion, die sich kaum ersetzen lässt.

Die Annahme lautet, dass Neuronen im Wachzustand Schäden ansammeln und Schlaf einen zusammenhängenden Zeitraum schafft, in dem diese Schäden reduziert werden können. Trifft das zu, könnte der „Preis“ des Schlafs durch die Folgen aufgewogen werden, die entstehen, wenn Neuronen keine Zeit für Wartung erhalten.

Uralte Tiere mit vertrauten Schlafmustern

Das Team untersuchte zwei ursprüngliche Tierlinien, die nahe an den frühen Wurzeln der Evolution des Nervensystems stehen.

Eine davon war eine tagaktive, symbiotische Qualle. Sie schläft nachts und hält zudem um die Mittagszeit ein kurzes Nickerchen. Bei der anderen handelte es sich um eine dämmerungsaktive, nicht symbiotische Seeanemone. Sie schläft überwiegend von der Morgendämmerung bis zur ersten Tageshälfte.

Mithilfe von Infrarot-Videoaufzeichnungen und Verhaltensanalysen bestimmten und maßen die Forschenden die Schlafmuster beider Tiere.

Trotz ihrer sehr unterschiedlichen Lebensweisen machten sie eine unerwartet vertraute Beobachtung: Beide Arten schlafen ungefähr acht Stunden täglich, ähnlich wie es für Menschen typisch ist.

Die genauen Schlafzeiten unterscheiden sich zwar. Die grundlegende Struktur gleicht jedoch weiterhin einem regelmäßigen Rhythmus und keiner zufälligen Ruhephase.

DNA-Schäden nehmen zu und ab

Im Zentrum der Ergebnisse steht die Frage, was im Verlauf des Schlaf-Wach-Zyklus innerhalb der Neuronen geschieht.

In früheren Arbeiten zeigte das Appelbaum-Labor bei Zebrafischen, dass Neuronen während des Wachseins DNA-Schäden ansammeln und Schlaf für die Erholung erforderlich ist.

DNA-Schäden können viele Ursachen haben, darunter neuronale Aktivität, oxidativer Stress, Stoffwechsel und Strahlung.

Solche Schäden können jede Zelle beeinträchtigen, doch Neuronen stehen vor einem besonderen Problem. Sie sind erregbar, ununterbrochen aktiv und teilen sich in der Regel nicht. Anders als manche Gewebe können Neuronen daher nicht einfach durch die Bildung neuer Zellen „zurückgesetzt“ werden.

In der Studie zeigte sich das von Zebrafischen bekannte Muster erneut, nun aber bei wesentlich älteren Tieren. Sowohl bei Quallen als auch bei Seeanemonen häuften sich DNA-Schäden in den Neuronen während der Wachphase an und gingen während des Schlafs zurück.

Nachholschlaf und weniger Schäden

Die Forschenden setzten das System außerdem unter Druck, um zu prüfen, ob Schlaf auf Schäden reagiert. Hielten sie die Tiere wach, nahmen die DNA-Schäden zu. Anschließend schliefen die Tiere länger als gewöhnlich.

Dieses „Nachholverhalten“ wird als Schlaf-Rebound bezeichnet und ging in der Studie mit Erholung und niedrigeren DNA-Schadenswerten einher.

Danach gingen die Forschenden noch direkter vor. Sie erhöhten die DNA-Schäden sowohl durch UV-Strahlung als auch durch die Exposition der Tiere gegenüber einer DNA-schädigenden Chemikalie.

Beide Auslöser führten bei beiden Arten zu Erholungsschlaf. Und als die Forschenden den Schlaf mit Melatonin förderten, gingen die DNA-Schäden zurück.

Zusammengenommen ergibt sich daraus eine wechselseitige Beziehung. Schäden scheinen den Schlafbedarf zu erhöhen, während Schlaf offenbar dabei hilft, Schäden zu verringern.

Unterschiedliche Uhren, dieselbe Reparaturaufgabe

Ein weiterer interessanter Aspekt der Studie ist, dass diese Tiere ihren Schlaf nicht auf dieselbe Weise steuern.

Beide Arten zeigen einen homöostatischen Schlafdruck. Das bedeutet: Je länger ein Tier wach bleibt, desto stärker wird der innere Drang zu schlafen. Der wichtigste „Zeitgeber“, der den Schlafrhythmus bestimmt, unterscheidet sich jedoch zwischen den beiden Arten.

Bei Quallen wird der Schlaf hauptsächlich durch den Hell-Dunkel-Zyklus gesteuert. Bei der Seeanemone hängt der Schlaf stärker von einer inneren zirkadianen Uhr ab.

Das eine Tier wird also unmittelbarer durch Sonnenlicht beeinflusst, während das andere stärker auf seine innere Zeitmessung angewiesen ist. Dennoch setzen beide Schlaf für dieselbe grundlegende Aufgabe ein: DNA-Schäden und zellulären Stress in Neuronen zu reduzieren.

Das ist für die weitreichende evolutionäre Aussage bedeutsam. Wenn sehr unterschiedliche Systeme zur Schlafsteuerung auf dieselbe Wartungsfunktion hinauslaufen, könnte genau diese Funktion das sein, was die Evolution die ganze Zeit bewahrt hat.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Fähigkeit des Schlafs, neuronale DNA-Schäden zu reduzieren, ein ursprüngliches Merkmal ist, das bereits bei einem der einfachsten Tiere mit Nervensystemen vorhanden war“, sagte Appelbaum.

„Schlaf könnte sich ursprünglich entwickelt haben, um einen zusammenhängenden Zeitraum für die neuronale Wartung bereitzustellen – eine Funktion, die so grundlegend ist, dass sie möglicherweise im gesamten Tierreich erhalten blieb.“

Folgen für das menschliche Gehirn

Die Studie verweist auch auf einen Aspekt der menschlichen Gesundheit. Beim Menschen stehen Schlafstörungen mit kognitivem Abbau und einem höheren Risiko für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson in Verbindung.

Bei diesen Erkrankungen könnten sich Stress und Schäden in Neuronen langfristig ansammeln. Die hier vorgestellte evolutionäre Argumentation stützt die Annahme, dass die Schlafqualität über längere Zeit mit der Widerstandsfähigkeit des Gehirns verbunden ist.

Die Studie behauptet nicht, dass Quallen Alzheimer „erklären“. Sie legt jedoch eine tiefere biologische Logik nahe: Wenn Schlaf Neuronen seit den frühesten Nervensystemen schützt, könnte chronisch gestörter Schlaf Neuronen im Laufe eines Lebens plausibel anfälliger machen.

„Schlaf ist nicht nur für Lernen und Gedächtnis wichtig, sondern auch dafür, unsere Neuronen gesund zu halten“, sagte Appelbaum.

„Der evolutionäre Antrieb, Neuronen zu erhalten, den wir bei Quallen und Seeanemonen beobachten, ist möglicherweise einer der Gründe, warum Schlaf für Menschen heute unverzichtbar ist.“