Wie unsere inneren Uhren ticken

Do, 09.05.2024— Michael Simm

Michael SimmIcon Gehirn

Von der Millisekunde bis zur Jahreszeit – das Nervensystem und die Organe des Körpers bestimmen die Rhythmen unseres Lebens. Sie folgen dem Wechsel von Tag und Nacht, können aber durch viele Faktoren beeinflusst werden. Der deutsche Biologe und Wissenschaftsjournalist Michael Simm berichtet über das hochkomplexe System von inneren Uhren, Taktgebern und Korrekturmechanismen mit denen unser Organismus die Zeit misst und im Takt bleibt.*

Wer im Leben erfolgreich sein will, sollte seine Prioritäten kennen und zur rechten Zeit am rechten Ort sein. Heute werden derartige Weisheiten gerne auf Fortbildungen für Manager gelehrt, doch die Voraussetzungen dafür trägt der Mensch schon seit Jahrmillionen in sich: Es ist unsere innere Uhr, die uns am Morgen aufstehen lässt, von der Wiege bis ins Grab durch jeden Tag leitet und in der Nacht für die nötigen Ruhepausen sorgt.

Abbildung 1. . Genau getaktet: ein hochkomplexes System von inneren Uhren, Taktgebern und Korrekturmechanismen bestimmt die Rhythmen unseres Lebens. Lizenz: cc-by-nc-sa.

Von dieser inneren Uhr hängen nicht nur der Schlaf-Wach-Rhythmus und die Anpassungen an die Jahreszeit ab, sondern auch Lernen und Gedächtnis, sowie fast alle physiologischen Tagesrhythmen wie die Schwankungen des Blutdrucks, des Herzschlages, von Hormonspiegeln, der Atemfrequenz und sogar der Blutgerinnung.

Tatsächlich gibt es nicht die eine innere Uhr. Stattdessen herrscht ein hochkomplexes, hierarchisches System von miteinander verbundenen Zeitgebern, Taktgebern und Korrekturmechanismen über unsere Zeit. Abbildung 1. Es besteht aus spezifischen Regionen des Nervensystems, aus spezialisierten Zellen, Hormonen, Botenstoffen, Proteinen und Nukleinsäuren. Letztlich hat sogar jede einzelne Zelle ihre eigene innere Uhr. „Wir verfügen über einen regelrechten Uhrenladen“, erklärt Gregor Eichele, der am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen die Abteilung „Gene und Verhalten“ leitet.

Gekoppelt an den Wechsel von Tag und Nacht

Erstaunlich klein ist die oberste Zeitgeberinstanz des Nervensystems: Der beidseitig angelegte Hirnkern Nucleus suprachiasmaticus (SCN) ist Teil des Hypothalamus und liegt oberhalb der Kreuzung der Sehnerven (Abbildung 2). Er enthält nur etwa 50.000 Neuronen – also weniger als drei Millionstel der Gesamtzahl unserer 65 Milliarden Nervenzellen. Darunter befinden sich auch die circadianen Schrittmacher-Neuronen. Kennzeichnend sind starke Schwankungen zwischen Tag und Nacht bei der Häufigkeit ihrer spontanen Entladungen. Sowohl die anregenden als auch die hemmenden Signale für einen robusten Tagesrhythmus erwachsen aus der zeitlich abgestimmten Aktivität, mit der Natrium- und Kaliumionen durch die Membranen der Schrittmacher-Neuronen strömen, und aus der spezifischen Veränderung der Ionenleitfähigkeit während der Aktionspotenziale. Die Schrittmacher-Neuronen im SCN sind nicht nur notwendig, sondern tatsächlich auch ausreichend, um den circadianen Rhythmus anzutreiben. Außerdem wirken sie Abweichungen vom 24-stündigen Tag-Nacht-Rhythmus entgegen und koppeln unsere Tätigkeiten an die sich drehende Erde.

Abbildung 2. Erstaunlich klein: Die Oberste Instanz der inneren Uhr ist der Nucleus suprachiasmaticus (SCN, grün), derTeil des Hypothalamus(blau)ist und mit zusammen etwa 50.000 Nervenzellen oberhalb des Chiasma opticum (rot), der Kreuzung der Sehnerven liegt. (Bild leicht modifiziert aus: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Suprachiasmatic_Nucleus.jpg. Lizenz: cc-by-sa)

Eigentlich hätte die circadiane Uhr des Menschen nämlich einen Rhythmus von knapp 25 Stunden, wie man aus Versuchen mit Freiwilligen weiß, die über mehrere Wochen in gleichmäßig beleuchteten Räumen lebten. Dem Abgleich mit dem echten Tageslicht durch den SCN ist es zu verdanken, dass diese Probanden nach Versuchsende schnell wieder ihren Rhythmus fanden. So bewahrt der SCN uns auch im Zeitalter der künstlichen Beleuchtung davor, nach einer durchgefeierten Nacht das Zeitgefühl zu verlieren und zum Zombie zu werden.

Wie aber gelangen die Informationen zur Tageslänge zum SCN?

Wenig überraschend spielt das Auge dabei eine entscheidende Rolle. Dort sitzen in der Netzhaut zwischen Zapfen und Stäbchen die spezialisierten Ganglionzellen (RGCs), die neben Zapfen und Stäbchen quasi eine dritte Klasse retinaler Photorezeptoren bilden. Sie sind mit dem Photopigment Melanopsin ausgestattet, und können damit einfallendes Licht registrieren. Die Fasern der RGC laufen dann zum SCN und in andere Hirnregionen – einschließlich solcher, die die Stimmung regulieren. Sogar bei Personen, die wegen eines Schadens im Sehzentrum der Hirnrinde erblindet sind, funktioniert dieses Einstellen der inneren Uhr über den Weg von den RCGs zum SCN – solange die Netzhaut und die von dort abgehenden Nervenbahnen noch intakt sind.

Von der Natur nicht vorgesehen war allerdings die Erfindung des Kunstlichtes durch den Menschen und insbesondere von Handys, Tablets und ähnlichen Geräten. Diese strahlen – ähnlich dem normalen Tageslicht – reichlich blaues Licht ab, auf das Melanopsin empfindlich reagiert. Das Problem: Abends ist die innere Uhr besonders empfindlich für Lichteffekte. Gehen die elektrischen Geräte abends nicht aus, besteht das Risiko einer Verzögerung der inneren Uhr und es erhöht sich die Gefahr von Schlafstörungen.

Ein Uhren-Gen kontrolliert sich selbst

Aus dem Sezieren der Schaltkreise haben die Chronobiologen viel gelernt. Was die Uhr ticken lässt, haben dagegen überwiegend Molekularbiologen herausgefunden. Sie stellten fest, dass auch im Inneren der meisten Zellen unseres Körpers ein annähernd 24-stündiger Zyklus abläuft. Dies wurde zwar überwiegend bei Fruchtfliegen und Mäusen erforscht, und die Details sowie die Namensgebung der Komponenten unterscheiden sich teilweise zwischen den verschiedenen Versuchsorganismen. Die Bauweise dieses Uhrwerks ist aber offenbar im ganzen Tierreich sehr ähnlich und findet sich sogar bei der einzelligen Bäckerhefe.

Erreicht wird die Periodizität durch das Prinzip der negativen Rückkoppelung: Ein „Uhren-Gen“, („clock“) wird von der Maschinerie der Zellen abgelesen und aus dieser Information eine Boten-RNA (mRNA) erstellt, die wiederum in ein spezifisches Protein übersetzt wird. Dieses CLOCK-Protein aktiviert tagsüber ein weiteres Uhren-Gen namens „per“ (für Periode). Über die entsprechende per-mRNA wird so PER-Protein synthetisiert. Zusammen mit anderen gewebespezifischen Proteinen bildet das Eiweißmolekül PER einen Komplex, der das CLOCK-Protein bindet und es damit blockiert. Die Folge ist, dass keine neue per-mRNA mehr gebildet wird, das verbleibende PER-Eiweiß allmählich zerfällt und dadurch auch die Blockade des CLOCK-Proteins wieder gelöst wird. Damit beginnt der Zyklus von vorne. Im Detail ist dieses System noch weitaus komplizierter: Mit seinen schwankenden Konzentrationen, unterschiedlichen Bindungspartnern und durch Gleichgewichtsreaktionen mit anderen Zellbestandteilen kann per zum Beispiel indirekt die Energiezufuhr der Zelle erspüren, den Stoffwechsel beeinflussen, oder Stressreaktionen modulieren.

Als oberste Kontrollinstanz, der die zeitlichen Abläufe der Körperfunktionen regelt, fungiert zwar der SCN. Die meisten Organe und Gewebe können jedoch Dank des clock/per-Systems auch alleine ihren Rhythmus bewahren, wie man an isolierten Zellen der Leber, Lunge oder Niere in Kulturschalen beobachten kann.

Die Rhythmen des Körpers

Dass viele innere Organe, aber auch Muskeln, Fettgewebe und Blutgefäße eine gewisse Unabhängigkeit vom SCN haben, ist durchaus sinnvoll. So können sie sich dank eigener molekularer Uhren besser auf die wechselnden Umwelteinflüsse im Verlauf des Tages einstellen. Beispielsweise bereitet uns eine steigende Körpertemperatur bereits vor dem Aufwachen auf den Tag vor, und am Morgen wird vermehrt das Stresshormon Cortisol ausgeschüttet. Dadurch steigen sowohl die körperliche wie auch die geistige Leistungsfähigkeit.

Vom SCN aus werden diese Oszillationen falls nötig nachjustiert, damit sie einen 24-Stunden-Rhythmus beibehalten. Offensichtlich gibt es viele Querverbindungen zwischen den Systemen, deren Details aber noch nicht vollständig erforscht sind. Erst kürzlich hat man eine schnelle Datenleitung entdeckt , dank derer die sogenannten Mitralzellen im Riechzentrum des Gehirns rhythmische Veränderungen der Blutgefäße registrieren, wie sie durch den Herzschlag verursacht werden. Weil weitere dieser „Herzschlagsensoren“ über das gesamte Hirn verteilt sind, spekulieren die Forscher um Luna Jammal Salahmeh vom Zoologischen Institut der Universität Regensburg, hier eine Schnittstelle gefunden zu haben, über die der Herzschlag sich unmittelbar auf unsere Gedanken auswirken könnte.

Choreografie der Hirnwellen

Einen ganz anderen Rhythmus geben Neurone an, die sich unter der Schädeldecke im Neocortex befinden. Zellen unterschiedlicher Regionen können dabei zusammenarbeiten, und verraten dies in Form von „Hirnwellen“, die sich Mithilfe des Elektroenzephalogramms (EEG) sichtbar machen lassen. Seit den 1920er Jahren ist das EEG daher zu einem wichtigen Instrument der Forschung geworden, und mittlerweile dient es auch zur Diagnose neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen.

Generell unterscheidet man, sortiert nach dem Ausmaß der Aktivität, die folgenden Wellenformen:

  • Gamma-Wellen mit einer Frequenz zwischen 30 – 100 Schwingungen pro Sekunde (Hertz) im Zustand der Konzentration oder beim Lernen,
  • Beta-Wellen von 12 bis 30 Hertz, die im normalen Wachzustand erzeugt werden,
  • Alpha-Wellen mit 8 bis 13 Hertz, wenn das Versuchsobjekt entspannt mit geschlossenen Augen daliegt,
  • Theta-Wellen mit 4 bis 7 Hertz, die im Traum erzeugt werden, aber auch von Gedächtnisaktivitäten zeugen, sowie
  • Delta-Wellen von weniger als 1 bis zu 4 Hertz, die im Tiefschlaf entstehen.

Zwischen Wachzustand und Schlaf lösen sich diese Hirnwellen gemäß einer recht übersichtlichen und einheitlichen Choreografie gegenseitig ab. Die vor dem Einschlafen noch eher „zappeligen“ Kurven im EEG scheinen sich beim schlafenden Menschen in der ersten Stunde stufenweise zu beruhigen. Die Muskeln und Augen entspannen sich, Herzschlag, Blutdruck und Körpertemperatur sinken, und im EEG sind charakteristische langsame Wellen mit hoher Amplitude zu sehen – daher auch der Begriff „Slow Wave".

Nachdem der Schläfer etwa eine halbe Stunde am Tiefpunkt dieses Abstiegs verharrt, werden die EEG-Wellen ebenfalls stufenweise wieder schneller. Ähnlich wie beim Aufwachen beginnen die Augen sich zu bewegen, was dieser Schlafphase den Namen REM-Schlaf eingebracht hat (eng.: Rapid Eye Movement). Die Muskeln bleiben gelähmt, aber eine starke Variabilität von Herzschlag, Blutdruck, und Körpertemperatur verrät, dass nun eine Traumphase stattfindet. Etwa 10 bis 15 Minuten dauert diese erste Traumphase, in der Männer übrigens häufig eine Erektion haben.

Diese alternativen Zyklen von Langwellenschlaf und REM-Schlaf wiederholen sich typischerweise im Rest der Nacht noch etwa vier Mal. Dabei werden bis zum Aufwachen die Tiefschlafphasen in der Regel kürzer und die REM-Phasen länger. Wir wissen also schon eine ganze Menge über das Phänomen – allerdings ist noch immer nicht eindeutig geklärt ist, wozu diese Phase überhaupt gebraucht wird!

Vorher, nachher, gleichzeitig?

Ohne innere Uhr wäre eine Anpassung des Lebens an täglich und saisonal schwankende Einflüsse nicht denkbar. Weniger offensichtlich, aber genauso wichtig für das Überleben, ist eine weitere Art der Zeitmessung, die das Nervensystem bewältigt: Es erkennt, welche Ereignisse mehr oder weniger gleichzeitig passieren. Es konstruiert aus den Meldungen der Sinnesorgane ein „vorher“ und ein „nachher“ und es trennt zufällige Begebenheiten von solchen, die als Ursache und Wirkung miteinander verknüpft sind.

Dahinter steht eine der wohl genialsten „Erfindungen“ der Evolution: der Mechanismus der synaptischen Integration. Dieser hilft uns – sehr grob vereinfacht – zu erkennen, was zusammengehört. Die meisten Neuronen des Nervensystems erhalten nämlich über ihre Synapsen tausende von Signalen und integrieren diese derart, dass ein einziges Ausgangssignal entsteht: das Aktionspotenzial. In jeder Sekunde absolviert das Gehirn Milliarden solcher Berechnungen. Signale, die innerhalb kurzer Zeit von einem einzelnen Neuron gesendet werden, können dabei ebenso aufaddiert werden, wie solche, die von verschiedenen Nervenzellen stammen, und (fast) zur gleichen Zeit eintreffen. Diese Reize werden aber nur dann weitergeleitet, wenn eine bestimmte Schwelle überschritten wird. So können zum Beispiel Ereignisse, die von verschiedenen Sinnesorganen fast gleichzeitig registriert werden, wie ein Blitz und der darauffolgende Donner, oder ein Sturz aufs Knie und der nachfolgende Schmerz „zusammengebunden“ werden.

Kommen die Reize in zu großen Abständen oder sind sie nicht stark genug, so werden sie „aussortiert“: Sie haben offenbar nichts miteinander zu tun. Sie sind so unbedeutend, wie unsere Frisur während des Gewitters oder die Tatsache, dass wir an einem Dienstag gestürzt sind. Ganz anders ist die Situation, wenn man die gleiche Reiz-Kombination mehrfach erlebt. Hierauf kann sich das Nervensystem nämlich „einstellen“, indem es das Erlebte abspeichert und seine Reaktionen darauf anpasst – kurz: indem es lernt.

Die Wissenschaftler, die unsere innere Uhr erforschen, haben mittlerweile einen Großteil des Räderwerks freigelegt und begonnen, deren komplexes Wechselspiel zu verstehen. Sie haben dabei unverhoffte Einblicke gewonnen, die weit über das Mechanistische hinausweisen. Mit ihren Antworten berühren sie inzwischen sogar philosophische Fragestellungen nach dem Wesen der Zeit. Und auch die schnöde Frage nach dem Nutzwert können sie guten Gewissens beantworten. Schließlich waren sie es, die mit ihrer Arbeit das Fundament gestärkt haben für ein besseres Verständnis und für zukünftige Therapien vieler neurologisch-psychiatrischer wie auch organischer Erkrankungen, bei denen die innere Uhr aus dem Takt geraten ist.

* Der vorliegende Artikel ist unter dem Titel "Genau getaktet" zum Thema "Zeit" auf der Webseite www.dasGehirn.info am 2.Mai 2024 erschienen (https://www.dasgehirn.info/grundlagen/zeit/genau-getaktet). Der Artikel steht unter einer cc-by-nc-nd Lizenz. Der Text wurde mit Ausnahme des Titels von der Redaktion unverändert übernommen; zur Visualisierung wurde Abbildung 2 eingefügt.

dasGehirn ist eine exzellente deutsche Plattform mit dem Ziel "das Gehirn, seine Funktionen und seine Bedeutung für unser Fühlen, Denken und Handeln darzustellen – umfassend, verständlich, attraktiv und anschaulich in Wort, Bild und Ton." (Es ist ein Projekt der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung und der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft e.V. in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe).

Zum Weiterlesen

Vaas, Rüdiger. Zeit und Gehirn. Lexikon der Neurowissenschaft (online). URL:  https://www.spektrum.de/lexikon/neurowissenschaft/zeit-und-gehirn/14651 ? [Stand 25.3.2024]

Wilhelm, Klaus. Chronobiologie: Innere Uhren im Takt. Max-Plack-Gesellschaft (online). URL: https://www.mpg.de/10778204/chronobiologie[Stand 25.3.2024]

 

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