Paradox im Traumschlaf: Mehr Blut, weniger Neuronen-Energie

Der REM-Schlaf gilt seit Langem als „paradoxer Schlaf“: Der Körper ruht weitgehend, während das Gehirn hochaktiv ist und die lebhaftesten Träume entstehen. Eine neue Studie, die im Fachjournal Communications Biology erschienen ist, hat nun einen weiteren Widerspruch in dieser Schlafphase aufgedeckt. Bei Mäusen stieg während des REM-Schlafs das Blutvolumen im Gehirn an, doch die in den Neuronen verfügbare Energie in Form von ATP nahm gleichzeitig ab. Die Forschenden gingen ursprünglich von der gegenteiligen Annahme aus und mussten die Richtung ihrer Untersuchung daraufhin ändern.

Am Anfang stand eine einfache Frage: Wie passt das schlafende Gehirn seine Energieversorgung an wechselnde Muster der Informationsverarbeitung an? Das Gehirn ist ein energiehungriges Organ. Neuronen benötigen ATP, um elektrische Signale zu erzeugen, Ionen-Gradienten wiederherzustellen und Synapsen zu verändern. Blutgefäße liefern Sauerstoff und Glukose, während Astrozyten – Gliazellen, die sowohl Gefäße als auch Neuronen berühren – dabei helfen, Stoffwechselsubstrate zu verarbeiten und zu verteilen.

Ein Blick durch den unversehrten Schädel lebender Mäuse

Um dieses System zu verstehen, verfolgte das Team drei Signale gleichzeitig: das Blutvolumen im Gehirn, das Pyruvat in den Astrozyten und das ATP in den Neuronen. Das war technisch anspruchsvoll, denn das Öffnen des Schädels kann den Hirndruck, die Gefäßaktivität und die Funktion der Gliazellen stören. Die Forschenden beobachteten die Hirnrinde deshalb durch den unversehrten Schädel lebender Mäuse. Nach dem Freilegen des Schädelknochens beschichteten sie diesen mit einem transparenten, UV-härtenden Harz und nutzten die Weitfeld-Fluoreszenzbildgebung, während die Tiere natürlich zwischen Non-REM-Schlaf, REM-Schlaf und Wachheit wechselten.

Während des Non-REM-Schlafs zeigte sich, dass Schwankungen der Theta-Aktivität Veränderungen des Blutvolumens etwa vier bis fünf Sekunden später vorhersagten. Das überraschte, weil diese Schlafphase meist mit starker Delta-Aktivität in Verbindung gebracht wird. Zudem beobachteten die Forschenden räumliche Muster: Schnelle Blutvolumen-Wellen wanderten wiederholt von vorderen zu hinteren Rindenregionen und durchquerten den beobachteten Bereich in etwa einer Sekunde.

Das Gehirn bereitet sich vor, bevor der REM-Schlaf messbar ist

Besonders auffällig war der Übergang in den REM-Schlaf. Das Blutvolumen begann etwa 50 Sekunden zu steigen, bevor der REM-Schlaf mit den üblichen Hirn- und Muskelmessungen überhaupt erkennbar war. Der Anstieg begann im hinteren Teil der Hirnrinde und breitete sich über rund 15 bis 20 Sekunden nach vorne aus.

Das Gehirn schien sich also auf den REM-Schlaf vorzubereiten, noch bevor die typischen elektrischen Zeichen dieser Phase vollständig ausgeprägt waren.

An diesem Punkt erwarteten die Forschenden, dass die zellulären Energiesignale gemeinsam mit dem Gefäßsignal ansteigen würden. Diese Annahme schien plausibel: Als sie die Hirngefäße pharmakologisch weiteten, stiegen sowohl das Pyruvat der Astrozyten als auch das ATP der Neuronen. Der natürliche REM-Schlaf folgte diesem Muster jedoch nicht.

Mehr Blut, aber weniger Energie in den Neuronen

Das Pyruvat der Astrozyten stieg im REM-Schlaf an, besonders in den hinteren Rindenregionen. Das neuronale ATP bewegte sich jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Zusammengefasst: Das Blutvolumen stieg, das astrozytäre Pyruvat stieg, doch das neuronale ATP sank. Damit hatten die Forschenden eine Entkopplung zwischen der Versorgung über die Gefäße, dem Stoffwechsel der Astrozyten und der verfügbaren Energie der Neuronen aufgedeckt.

Warum das Gehirn zulässt, dass die neuronale Energie während einer Phase intensiver innerer Verarbeitung sinkt, ist noch offen. Die Forschenden nennen mehrere mögliche Erklärungen, die sich nicht ausschließen: Neuronen könnten während REM-spezifischer Prozesse wie der synaptischen Reorganisation und der Kommunikation zwischen Hippocampus und Kortex besonders viel ATP verbrauchen. Möglich ist auch, dass sich der Transfer von Stoffwechselsubstraten von den Astrozyten zu den Neuronen verändert oder dass die mitochondriale ATP-Produktion vorübergehend weniger effizient arbeitet.

Was Gefäßbildgebung zeigen kann – und was nicht

Die Ergebnisse haben Bedeutung über den Schlaf hinaus. Die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) misst neuronale Aktivität nicht direkt, sondern schließt aus Veränderungen von Blutfluss, Blutvolumen und Sauerstoffgehalt auf sie. Diese Gefäßsignale sind äußerst nützlich, doch die Studie zeigt, dass sie nicht die ganze Stoffwechselgeschichte erzählen: Im REM-Schlaf stieg das Gefäßsignal, während sich das neuronale ATP in die andere Richtung bewegte.

Die Forschenden verstehen die Energieregulation des Gehirns daher als mehrschichtigen Prozess. Das biologische Gehirn könnte seine bemerkenswerte Energieeffizienz nicht dadurch erreichen, dass es jede Zelle gleichmäßig versorgt, sondern indem es begrenzte Ressourcen je nach aktuellem Rechenzustand umverteilt. Der REM-Schlaf liefert dafür ein natürliches Beispiel. Ob dies mit dem Gefühl zusammenhängt, nach einem lebhaften Traum seltsam erschöpft aufzuwachen, testete das Experiment nicht – eine solche Verbindung bleibt spekulativ. Das zelluläre Phänomen selbst ist jedoch eindeutig.

Kennen Sie das Gefühl, nach einem intensiven Traum wie gerädert aufzuwachen? Teilen Sie uns Ihre Gedanken zu dieser überraschenden Studie in den Kommentaren mit.