REM-Schlaf: Wissenschaftler entdecken neuronales Hauptquartier im Hirnstamm

REM-Schlaf und der mutmaßliche Kontrollkreis im Hirnstamm

Wissenschaftler haben das neuronale Hauptquartier des REM-Schlafs entdeckt – jenes traumreiche Stadium, in dem die Augen der einzige Körperteil sind, der sich aktiv bewegt.

Lösen Forschende diesen Schaltkreis am oberen Ende des Hirnstamms bei Mäusen aus, können sie die Tiere in den REM-Schlaf (Rapid Eye Movement) versetzen, selbst wenn diese anfangs vollkommen wach sind.

Sollten sich die Ergebnisse auf Menschen übertragen lassen, würde dies dem Verständnis der Schlafbiologie und der Gründe, weshalb sie gestört sein kann, einen großen Schritt näherbringen.

Die Erkenntnisse könnten künftig sogar dabei helfen, REM-Schlaf gezielt zum Vorteil von Menschen mit Schlafapnoe, Narkolepsie, häufigen belastenden Albträumen oder REM-Störungen zu beeinflussen. Letztere führen dazu, dass Betroffene ihre Träume durch Bewegungen oder Lautäußerungen ausleben – etwa indem sie im Schlaf sprechen.

Warum der REM-Schlaf bislang rätselhaft ist

Rund um den REM-Schlaf bestehen zahlreiche ungeklärte Fragen. Die Forschung wird zusätzlich dadurch erschwert, dass bislang weder bekannt ist, wo im Gehirn die Steuerzentrale für den REM-Schlaf liegt, noch ob es überhaupt ein solches Kontrollzentrum gibt.

Seit Jahrzehnten vermuten einige Forschende, dass Neuronen im Hirnstamm von Säugetieren für den Beginn des REM-Schlafs entscheidend sind. Wird der Hirnstamm bei Katzen beispielsweise aus dem Prozess ausgeklammert, lässt sich kein normaler REM-Schlaf erzeugen, und die Tiere beginnen, ihre Träume auszuleben.

Auch bei Menschen mit bekannter Degeneration des Hirnstamms, wie sie bei Parkinson auftreten kann, kann der REM-Schlaf auf vergleichbare Weise gestört sein.

Weitere Versuche an Nagetieren lieferten im Lauf der Jahre Hinweise darauf, dass die Brücke, der Pons am oberen Ende des Hirnstamms, das „Kontrollzentrum“ für den üblichen Verlust der Muskelspannung sein könnte, der Bewegungen während des REM-Schlafs begrenzt.

Da sich die wachheitsfördernden Neuronen in diesem Hirnbereich jedoch mit schlaffördernden Neuronen vermischen, war es schwierig, die genauen Signalwege hinter dieser entscheidenden Schlafphase zu bestimmen.

Crhbp+-Neuronen als Kernschaltkreis des REM-Schlafs

Der Neurowissenschaftler Mitsuaki Kashiwagi von der Universität Tsukuba und der Universität Tokio leitete nun ein Team aus Japan und Frankreich, das im dorsalen Bereich des Pons eine Ansammlung REM-bezogener Neuronen identifiziert hat.

Bei Mäusen exprimieren diese Neuronen ein Corticotropin-Releasing-Hormon-bindendes Protein und werden deshalb Crhbp+-Neuronen genannt.

Diese Zellen ziehen vom Pons zu Neuronen in der Medulla oblongata, dem unmittelbar darunterliegenden Abschnitt des Hirnstamms. Letztere heißen Nos1+-Neuronen, da sie die Stickstoffmonoxid-Synthase 1 exprimieren. Anschließend verbinden sich NOs1+-Neuronen wieder mit den Crhbp+-Neuronen sowie mit Neuronen im Vorderhirn.

Kashiwagi und seine Kollegen argumentieren, dass diese Schleife vom Pons zur Medulla und wieder zurück als zentraler Schaltkreis des REM-Schlafs fungieren könnte.

Entfernte das Team Pons-Neuronen aus dieser positiven Rückkopplungsschleife, schliefen die Mäuse weniger und zeigten während des REM-Schlafs eine beeinträchtigte Muskelentspannung.

Wurden dagegen die Pons-Neuronen aktiviert, die bis zur Medulla reichen, gelangten die Mäuse schneller in den REM-Schlaf. Zudem nahmen Anzahl und Dauer der REM-Phasen während ihres Schlafs zulasten der Wachzeit zu.

In der Medulla förderten Nos1+-Neuronen den REM-Schlaf stark und projizierten in mehrere Bereiche, die an REM-Aktivität beteiligt sind.

Tatsächlich führte die Aktivierung dieser Neuronen bei Mäusen zu direkten Übergängen vom Wachzustand in den REM-Schlaf. Selbst wenn zunächst Non-REM-Schlaf eintrat, war dieser stark verkürzt, sodass die Mäuse schneller in den REM-Schlaf fielen. Neuronen, die bis ins Vorderhirn reichen, scheinen die Wachheit zu hemmen.

Menschen mit Narkolepsie wechseln bekanntermaßen unmittelbar vom Wachzustand in den REM-Schlaf, doch ansonsten ist ein solcher Sprung äußerst ungewöhnlich.

Zusammenhang mit Parkinson und REM-Schlaf-Verhaltensstörung

„Nachdem wir Crhbp als Marker für schlafregulierende Neuronen etabliert hatten, untersuchten wir, ob diese Neuronen bei Parkinson-Patienten mit REM-Schlaf-Verhaltensstörung betroffen sind“, erklären die Autoren.

Tatsächlich stellte das Team fest, dass Crhbp-immunreaktive Neuronen in dieser Gruppe weitgehend reduziert sind und damit „Einblicke in die Mechanismen liefern, die den Schlafdefiziten zugrunde liegen, welche diese Erkrankung kennzeichnen“.

In einem Mausmodell der Parkinson-Krankheit zeigten die Forschenden, dass die Aktivierung von Crhbp+-Neuronen im Pons die beobachteten Schlafauffälligkeiten umkehren kann.

Als nächsten Schritt wollen Kashiwagi und seine Kollegen die Aktivität dieser Neuronen mit Einzelzellauflösung aufzeichnen, um herauszufinden, was sie tatsächlich tun und weshalb.

Die Studie wurde in Cell veröffentlicht.