Was veranlasst uns zum Schlafen? Die Antwort liegt möglicherweise nicht nur in unserem Gehirn, sondern auch in dessen komplexem Zusammenspiel mit jenen Mikroorganismen, die in unserem Darm leben. Neue Forschungsergebnisse der Washington State University legen ein neues Paradigma für das Verständnis des Schlafs nahe und zeigen, dass eine Substanz in den netzartigen Wänden von Bakterien, bekannt als Peptidoglykan, natürlicherweise im Gehirn von Mäusen vorkommt, und eng mit dem Schlafzyklus verbunden ist.

Diese Erkenntnisse dienen dazu, eine umfassendere Hypothese zu aktualisieren, die seit Jahren an der WSU entwickelt wird – nämlich, dass Schlaf aus der Kommunikation zwischen den schlafregulierenden Systemen des Körpers und den zahlreichen Mikroben entsteht, die in uns leben. „Dies hat unseren bisherigen Erkenntnissen eine neue Dimension hinzugefügt“, sagte Erika English, Doktorandin an der WSU und Hauptautorin von zwei kürzlich veröffentlichten wissenschaftlichen Artikeln, in denen die Ergebnisse vorgestellt werden.

Schlaf als Ergebnis des Zusammenspiels zwischen dem Körper und seinen Mikroorganismen

Diese Sichtweise, dass Schlaf aus diesem „Holobiont-Zustand“ entsteht, reiht sich ein in eine wachsende Zahl von Belegen, die darauf hindeuten, dass unser Darmmikrobiom eine wichtige Rolle bei der Kognition, dem Appetit, dem Sexualtrieb und anderen Aktivitäten spielen – eine Sichtweise, die traditionelle, auf das Gehirn ausgerichtete Modelle der Kognition auf den Kopf stellt und Auswirkungen auf unser Verständnis der Evolution und des freien Willens sowie auf die Entwicklung zukünftiger Behandlungsmethoden für Schlafstörungen hat.

Die jüngsten Erkenntnisse zu Peptidoglykan (PG) stützen diese Hypothese und deuten auf eine mögliche regulierende Rolle von bakteriellen Zellwandprodukten beim Schlaf hin. Es ist bekannt, dass PG den Schlaf fördert, wenn es Tieren injiziert wird, aber bis vor kurzem ging man davon aus, dass es nicht auf natürliche Weise ins Gehirn gelangt. English fand heraus, dass PG zusammen mit seinen Rezeptormolekülen, die an der PG-Signalübertragung und -Kommunikation beteiligt sind, an verschiedenen Stellen im Gehirn vorhanden war, wobei die Konzentrationen je nach Tageszeit und Schlafentzug variierten.

Die Ergebnisse wurden im Juli in Frontiers in Neuroscience veröffentlicht; der langjährige Schlafforscher und Regents-Professor James Krueger von der WSU war Mitautor des Artikels. English ist auch Hauptautor eines kürzlich zusammen mit Krueger in der Fachzeitschrift Sleep Medicine Reviews veröffentlichten Artikels, in dem die Hypothese des „Holobiont-Zustands” des Schlafs vorgestellt wird. Dieser Artikel vereint zwei vorherrschende Ansichten. Die eine geht davon aus, dass der Schlaf vom Gehirn und den neurologischen Systemen reguliert wird. Die andere konzentriert sich auf den „lokalen Schlaf”, der den Schlummer als Ergebnis einer Anhäufung von schlafähnlichen Zuständen in kleinen zellulären Netzwerken im gesamten Körper betrachtet. Solche schlafähnlichen Zustände wurden bei Zellen in vitro beobachtet, bekannt als das „Schlaf in einer Schale”-Modell.

Wenn sich diese kleineren Schlafphasen ansammeln, wie wenn in einem Haus das Licht ausgeht, kippt der Körper von Wachheit in Schlaf. Die neue Hypothese vereint diese Theorien und schlägt vor, dass Schlaf das Ergebnis des Zusammenspiels zwischen dem Körper und seinen Mikroorganismen ist – zwei autonome Systeme, die interagieren und sich überschneiden. „Es ist nicht das eine oder das andere, es sind beide. Sie müssen zusammenarbeiten“, sagte English. „Schlaf ist wirklich ein Prozess. Er vollzieht sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit für verschiedene Ebenen der Zell- und Gewebeorganisation und kommt aufgrund einer umfassenden Koordination zustande.“

Schlafmuster und die Funktion des Darmmikrobioms

An mehreren Fronten zeigen sich Verbindungen zwischen dem Mikrobiom und dem Verhalten, was darauf hindeutet, dass die im Darm gebildeten Mikroorganismen eine wichtige Rolle bei der Kognition und grundlegenden menschlichen Verhaltensweisen spielen. Diese Arbeit stellt die traditionelle Sichtweise der menschlichen Neurologie auf den Kopf und legt nahe, dass sie nicht vollständig top-down ist – d. h. das Ergebnis von Entscheidungsprozessen im Gehirn –, sondern bottom-up – d. h. angetrieben von winzigen Organismen, deren Evolution Tiere zu ihren Wirten gemacht hat und deren Bedürfnisse die Aktivitäten und die Kognition ihrer Wirte beeinflussen.

„Wir haben eine ganze Gemeinschaft von Mikroben, die in uns leben. Diese Mikroben haben eine viel längere Evolutionsgeschichte als jedes Säugetier, jeder Vogel oder jedes Insekt – viel länger, Milliarden von Jahren länger”, sagte Krueger, der 2023 von der Sleep Research Society zur „lebenden Legende der Schlafforschung” ernannt wurde. „Wir glauben, dass die Evolution des Schlafs vor Äonen mit dem Aktivitäts-/Inaktivitätszyklus von Bakterien begann und dass die Moleküle, die diesen Zyklus antrieben, mit denen verwandt sind, die heute die Kognition antreiben.”

Englishs Arbeit baut auf bekannten Zusammenhängen zwischen Bakterien und Schlaf auf, darunter die Tatsache, dass Schlafmuster die Funktion des Darmmikrobioms beeinflussen, und dass bakterielle Infektionen dazu führen, dass Menschen mehr schlafen. Die neuen Erkenntnisse werfen Fragen auf, denen English gerne weiter nachgehen möchte. „Jetzt, da die Welt erkannt hat, wie wichtig Mikroben nicht nur für Krankheiten, sondern auch für die Gesundheit sind, ist es eine sehr spannende Zeit, um unser Verständnis darüber zu erweitern, wie wir mit unseren Mikroben kommunizieren und wie unsere Mikroben mit uns kommunizieren“, sagte sie.