Im REM-Schlaf zeigt das Gehirn eine ungewöhnliche Kombination: Die Durchblutung nimmt zu und auch ein wichtiger Stoffwechselbaustein steigt an – gleichzeitig sinkt in den Nervenzellen der Gehalt an ATP, dem zentralen Energieträger der Zellen. Forschende der Tohoku-Universität haben diesen Zusammenhang bei schlafenden Mäusen in Echtzeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Gehirn bereits vor dem Beginn des REM-Schlafs auf die besondere Phase vorbereitet.

Das Gehirn muss mit einem begrenzten Energiebudget arbeiten

Schlaf bedeutet keineswegs, dass das Gehirn seine Arbeit einstellt. Im Gegenteil: Während bestimmter Schlafphasen verändert sich die Aktivität des Nervensystems grundlegend. Besonders auffällig ist der REM-Schlaf, in dem schnelle Augenbewegungen auftreten und der häufig mit besonders lebhaften Träumen verbunden wird.

Diese Schlafphase wird deshalb auch als „paradoxer Schlaf“ bezeichnet. Der Körper befindet sich weitgehend in einer Muskelstarre, während die Aktivität des Gehirns in vielerlei Hinsicht eher an den Wachzustand erinnert. Für die Forschung stellt sich damit eine interessante Frage: Wie versorgt das Gehirn seine Nervenzellen mit Energie, wenn sich die Aktivität innerhalb weniger Minuten so stark verändert? Eine neue Studie in Communications Biology liefert darauf einige überraschende Hinweise. Die Forschenden beobachteten bei Mäusen, dass sich die Energieversorgung des Gehirns bereits vor dem Übergang in den REM-Schlaf verändert. Gleichzeitig scheint der tatsächliche Energieverbrauch der Nervenzellen eine andere Entwicklung zu nehmen.

Das menschliche und auch das tierische Gehirn gehört zu den energieintensivsten Organen des Körpers. Milliarden Nervenzellen müssen ständig elektrische Signale erzeugen, Informationen weiterleiten und ihre Verbindungen untereinander aufrechterhalten. Diese Vorgänge benötigen Energie. Ein wichtiger Energieträger ist ATP, kurz für Adenosintriphosphat. Nervenzellen benötigen ATP unter anderem dafür, nach elektrischen Signalen ihre Ionengleichgewichte wiederherzustellen und die Kommunikation zwischen den Zellen aufrechtzuerhalten.

Gleichzeitig steht dem Gehirn nur eine begrenzte Menge an Energie zur Verfügung. Deshalb muss die Versorgung eng an die jeweilige Aktivität angepasst werden. Genau diese Anpassung interessiert die Forschenden besonders: Verändert das Gehirn seine Energieversorgung abhängig davon, in welchem Zustand es sich befindet? Der Wechsel zwischen verschiedenen Schlafphasen bietet dafür ein besonders geeignetes Untersuchungsmodell. Während des Schlafs verändern sich Aktivität, Durchblutung und Stoffwechsel in charakteristischer Weise.

Ein Blick ins schlafende Gehirn

Um diese Veränderungen direkt verfolgen zu können, entwickelten die Forschenden ein Verfahren, mit dem sie das Gehirn schlafender Mäuse beobachten konnten. Dazu wurde der Schädel der Tiere mit einem transparenten, UV-härtbaren Material versehen. Dadurch konnten die Wissenschaftler die Aktivität und Durchblutung des Gehirns während des natürlichen Schlafs bildgebend verfolgen.

Mit einer Weitfeld-Fluoreszenzbildgebung untersuchten sie unter anderem Veränderungen des Blutvolumens im Gehirn. Dieses liefert Hinweise darauf, wie sich die Versorgung des Nervengewebes während unterschiedlicher Aktivitätszustände verändert. Zusätzlich untersuchten die Forschenden zwei Stoffwechselmarker. Einer davon war ATP in den Nervenzellen. Der zweite war Pyruvat in Astrozyten.

Astrozyten sind nicht-neuronale Zellen des Nervensystems, die unter anderem an der Versorgung und Unterstützung von Nervenzellen beteiligt sind. Pyruvat wiederum steht im Zentrum wichtiger Stoffwechselwege und entsteht unter anderem beim Abbau von Glukose. Damit kann seine Konzentration Hinweise darauf liefern, wie sich der Energiestoffwechsel im Gehirn verändert. Die Kombination dieser Messungen ermöglichte es den Forschenden, nicht nur die Aktivität des Gehirns zu beobachten, sondern gleichzeitig verschiedene Aspekte seiner Energiewirtschaft zu verfolgen.

Schon vor REM verändert sich die Durchblutung

Besonders interessant war der Übergang vom Non-REM-Schlaf in den REM-Schlaf. Während des Non-REM-Schlafs treten charakteristische langsame Hirnaktivitäten auf. Die Forschenden konzentrierten sich dabei unter anderem auf Schwankungen im Theta-Frequenzbereich. Diese Veränderungen standen in Zusammenhang mit späteren Veränderungen des Blutvolumens im Gehirn. Noch auffälliger war jedoch, was unmittelbar vor dem REM-Schlaf geschah.

Rund 50 Sekunden vor dem klassisch definierten Beginn der REM-Phase begann das Blutvolumen im Gehirn anzusteigen. Die Veränderung setzte zunächst im hinteren Bereich des Kortex ein und breitete sich anschließend weiter nach vorne aus. Das deutet darauf hin, dass der Übergang in den REM-Schlaf nicht einfach mit einem plötzlichen Umschalten beginnt. Vielmehr scheint sich das Gehirn bereits vorher auf diesen Zustand einzustellen. Die erhöhte Durchblutung könnte dabei dazu beitragen, die Versorgung des aktiven Nervengewebes an die bevorstehenden Anforderungen anzupassen.

Mehr Pyruvat, aber weniger ATP

Mit Beginn des REM-Schlafs zeigte sich dann ein besonders ungewöhnliches Muster. In den Astrozyten stieg die Konzentration von Pyruvat an. Das könnte darauf hindeuten, dass während dieser Phase mehr Stoffwechselsubstrat verfügbar ist oder dass die glykolytische Aktivität dieser Zellen zunimmt. Gleichzeitig beobachteten die Forschenden jedoch einen Rückgang des ATP-Gehalts in den Nervenzellen.

Auf den ersten Blick scheint das widersprüchlich zu sein. Wenn mehr Blut durch das Gehirn fließt und gleichzeitig ein wichtiger Stoffwechselbaustein zunimmt, könnte man erwarten, dass auch mehr unmittelbar verfügbare Energie vorhanden ist. Doch genau das zeigte sich bei den untersuchten Mäusen nicht.

Die Ergebnisse legen vielmehr nahe, dass Energieversorgung und Energieverbrauch während des REM-Schlafs nicht einfach parallel verlaufen. Das Gehirn kann seine Versorgung erhöhen und gleichzeitig einen niedrigeren ATP-Spiegel in den Neuronen aufweisen.

Verbrauchen die Nervenzellen während des Träumens besonders viel Energie?

Eine mögliche Erklärung wäre, dass die Nervenzellen während des REM-Schlafs besonders viel ATP verbrauchen. Der REM-Schlaf ist mit komplexen Veränderungen der neuronalen Aktivität verbunden. Gleichzeitig werden ihm wichtige Funktionen für Gedächtnis und die Verarbeitung von Informationen zugeschrieben. Während dieser Phase könnten deshalb besonders energieintensive Prozesse in den neuronalen Netzwerken stattfinden.

Denkbar wäre beispielsweise ein erhöhter Energiebedarf für Veränderungen an Synapsen. Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen und spielen eine zentrale Rolle beim Lernen und bei der Speicherung von Informationen. Auch die Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnregionen könnte während des REM-Schlafs eine Rolle spielen. Besonders das Zusammenspiel zwischen Hippocampus und Großhirnrinde wird im Zusammenhang mit der Verarbeitung und Konsolidierung von Erinnerungen untersucht.

Die neuen Ergebnisse beweisen allerdings nicht, dass genau diese Prozesse für den beobachteten ATP-Rückgang verantwortlich sind. Die Forschenden nennen mehrere mögliche Mechanismen, die in zukünftigen Studien genauer untersucht werden müssen. Neben einem erhöhten Verbrauch kommt auch eine Veränderung des Stofftransports innerhalb des Gehirns infrage. Astrozyten und Nervenzellen arbeiten beim Energiestoffwechsel eng zusammen. Astrozyten können Stoffwechselprodukte bereitstellen, die von Neuronen weiterverwendet werden. Wenn sich diese Zusammenarbeit während des REM-Schlafs verändert, könnte dies erklären, warum der Anstieg von Pyruvat in Astrozyten nicht unmittelbar zu einem höheren ATP-Gehalt in den Neuronen führt.

Auch die Mitochondrien könnten beteiligt sein. Diese Zellorganellen produzieren einen großen Teil des ATP in den Zellen. Veränderungen ihrer Aktivität könnten ebenfalls beeinflussen, wie viel ATP den Nervenzellen tatsächlich zur Verfügung steht. Welche dieser Erklärungen zutrifft, lässt sich anhand der aktuellen Ergebnisse noch nicht entscheiden.

Das Gehirn beginnt offenbar schon vor REM mit der Vorbereitung

Für die Chronobiologie ist besonders der zeitliche Ablauf der Beobachtungen interessant. Der Anstieg des Blutvolumens begann bereits etwa 50 Sekunden vor dem Übergang in den REM-Schlaf. Das spricht dafür, dass die Veränderungen nicht erst als Reaktion auf den bereits eingetretenen REM-Zustand entstehen.

Stattdessen könnte das Gehirn einen bevorstehenden Zustandswechsel aktiv vorbereiten. Der Übergang zwischen Schlafstadien wäre demnach nicht nur eine Folge veränderter neuronaler Aktivität, sondern möglicherweise ein koordinierter Prozess, bei dem sich auch die Energieversorgung des Gehirns vorausschauend verändert.

Das passt zu einem grundlegenden Prinzip der biologischen Zeitregulation: Organismen reagieren nicht ausschließlich auf bereits eingetretene Veränderungen. Viele physiologische Prozesse werden zeitlich abgestimmt und können sich auf einen bevorstehenden Zustand vorbereiten.

Warum diese Ergebnisse für die Schlafforschung interessant sind

Schlaf ist weit mehr als eine Ruhephase. Während der Nacht wechseln sich verschiedene Zustände mit charakteristischen Mustern der neuronalen Aktivität, des Stoffwechsels und der Durchblutung ab .REM-Schlaf nimmt dabei eine besondere Stellung ein. Obwohl die Muskulatur weitgehend ruhiggestellt ist, zeigt das Gehirn komplexe Aktivitätsmuster. Die neuen Beobachtungen erweitern dieses Bild um eine weitere Ebene: Auch die Energiewirtschaft des Gehirns verändert sich während des Übergangs in diese Schlafphase. Dabei wird deutlich, dass „mehr Energieversorgung“ nicht automatisch bedeutet, dass einzelne Nervenzellen auch mehr ATP zur Verfügung haben. Versorgung, Stoffwechsel und tatsächlicher Energieverbrauch können zeitlich auseinanderlaufen. Gerade diese Unterschiede könnten helfen, besser zu verstehen, wie das Gehirn seine Funktionen unter wechselnden Bedingungen aufrechterhält.

Die Ergebnisse stammen aus Experimenten an Mäusen. Sie zeigen deshalb zunächst, wie sich die untersuchten Stoffwechsel- und Durchblutungsprozesse im Mausgehirn während verschiedener Schlafzustände verändern. Ob die beobachteten Abläufe beim Menschen in gleicher Weise auftreten, muss noch untersucht werden. Auch lässt sich aus den Messungen nicht unmittelbar ableiten, welche konkrete Funktion der beobachtete ATP-Rückgang für das Träumen oder die Gedächtnisverarbeitung besitzt. Ebenso bleibt offen, ob die Veränderungen bei unterschiedlichen Schlafbedingungen, Altersstufen oder anderen physiologischen Zuständen gleich ausfallen.

Weitere Untersuchungen könnten deshalb klären, wie die verschiedenen Zelltypen während des REM-Schlafs miteinander kooperieren und wie die zeitliche Abstimmung zwischen neuronaler Aktivität, Durchblutung und Stoffwechsel funktioniert. Die Studie liefert damit einen weiteren Hinweis darauf, dass das Gehirn seinen Energiehaushalt während des Schlafs äußerst dynamisch reguliert. Besonders der Übergang zum REM-Schlaf scheint mit einer vorbereitenden Veränderung der Durchblutung und einer anschließenden Neuordnung des Stoffwechsels verbunden zu sein.

Das vermeintliche Paradox – mehr Anzeichen für Energieversorgung bei gleichzeitig weniger ATP in den Nervenzellen – könnte darauf hindeuten, dass das Gehirn während des REM-Schlafs besonders stark auf eine flexible Verteilung seiner Ressourcen angewiesen ist. Damit wird auch deutlich, warum Schlaf für die Gehirnfunktion keineswegs eine passive Pause darstellt. Während wir schlafen, verändert das Gehirn seinen Betriebszustand, organisiert seine Aktivität neu und passt seine Energieversorgung an. Der REM-Schlaf zeigt besonders eindrucksvoll, wie komplex diese nächtliche Regulierung tatsächlich ist.