Bartagamen im Tiefschlaf

Die unterschiedlichen Schlafphasen des Gehirns entwickelten sich schon früh in der Evolution der Wirbeltiere

Schlaf ist im Tierreich weit verbreitet: Insekten, Würmer bis hin zu Säugetieren und Menschen – sie alle nehmen sich regelmäßig eine Auszeit. Schlaf ist jedoch nicht gleich Schlaf. Bei Säugetieren und beim Menschen beispielsweise spiegelt er sich auch in der Gehirnaktivität und unterschiedlichen Schlafphasen wie dem sogenannten Delta- und REM-Schlaf wider. Die genaue Funktion dieser Schlafphasen ist bislang noch unklar. Sie wurden in Säugetieren und Vögeln beobachtet, bislang aber nicht in Reptilien, Amphibien und Fischen. Aber Vögel sind die gefiederten Nachfahren der Dinosaurier und damit in gewisser Weise ebenfalls Reptilien. Gilles Laurent und seine Kollegen am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt haben nun erstmalig REM- und Deltaphasen in Reptiliengehirnen beobachtet. Sie zeigten, dass auch die australische Bartagame Pogona vitticeps REM- und Deltaschlaf-Phasen besitzt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es die Schlafphasen mindestens seit der Evolution der ersten Landwirbeltiere gibt.

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Schlafende Bartagame (Pogona vitticeps).

Die ersten landbewohnenden Wirbeltiere lebten vor circa 320 Millionen Jahren und gehörten zur Gruppe der Amnioten. Ihre widerstandsfähigen Eier waren auch außerhalb des Wassers überlebensfähig und ermöglichten ihnen das Leben auf dem Land. Aus den Amnioten entwickelten sich die Säugetiere sowie Reptilien und Vögel. Bartagamen sind Echsen, die vor ungefähr 250 Millionen Jahren und damit deutlich vor Dinosauriern und Vögeln aus dem Stammbaum der Reptilien abzweigten. Eigenschaften, die sowohl bei Echsen als auch bei Vögeln und Säugetieren vorkommen, besaß daher vermutlich schon ihr gemeinsamer Vorfahr.

Die Arbeitsgruppe um Gilles Laurent beschäftigt sich mit dem Gehirn von Reptilien. Der relativ einfache und urtümliche Aufbau des Reptiliengehirns soll den Forschern dabei helfen, die Funktionsweise des komplizierteren menschlichen Gehirns zu verstehen. Während ihrer Experimente haben sie beobachtet, dass die Gehirnaktivität von ruhenden Echsen zwischen zwei Aktivitätsstadien hin und herwechselt. Sie wollten daraufhin herausfinden, ob die Tiere tatsächlich REM- und Deltaschlafphasen besitzen. Dafür werteten sie die elektrischen Aktivitätsmuster der Echsengehirne aus und verglichen sie mit Verhaltensbeobachtungen, zum Beispiel Augenbewegungen.

Bartagamen schlafen fast wie Säugetiere

Die Ergebnisse zeigen, dass die Bartagamen tatsächlich REM- und Deltaschlafphasen aufweisen, die denen der Säugetiere in vielen Punkten ähneln: Die Hirnströme können in regelmäßigen Wellen mit niedriger Frequenz und hoher Amplitude verlaufen. Die Nervenzellen können aber auch hin und wieder in starken Pulsen (Deltaphase) oder ähnlich wie im Wachzustand aktiv werden, dann begleitet von schnellen Augenbewegungen (REM-Schlaf). Eine weitere Gemeinsamkeit ist die koordinierte Aktivität der Großhirnrinde mit einer bestimmten Gehirnregion während der Deltaphasen: In Bartagamen nennt man diese Region dorsaler ventrikulärer Kamm, in Säugetieren erfolgt diese Koordination im Hippocampus.

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Die Wellen des Schlafs: Die Abbildung zeigt die zeitliche Entwicklung des Verhältnisses zwischen 0-4 Hertz- und 10-30 Hertz-Schwingungen (δ/β). Die Reihen repräsentieren 30-Minuten-Abschnitte beginnend von links oben nach rechts unten. Nach Ausschalten der Beleuchtung (19:00) nehmen die Tiere eine typische Schlafhaltung ein, und die Amplitude der Schwingungen steigt an (gelb). Nach dem Aufwachen gehen die Schwingungen dann wieder zurück.

Die Forscher entdeckten aber auch einige Unterschiede: Der Schlafrhythmus der Echsen ist zum Beispiel extrem regelmäßig und schnell: Bei einer Temperatur von 27 Grad Celsius dauert ein Schlafzyklus nur circa 80 Sekunden. Im Gegensatz dazu dauert er bei Katzen etwa 30 Minuten und bei Menschen ungefähr 60 bis 90 Minuten. Außerdem sind die REM- und Deltaschlafphasen der Echsen in etwa gleich lang, während die REM-Phasen der Säugetiere deutlich kürzer als die Deltaphasen sind. In Vögeln sind beide Abschnitte kurz und unregelmäßig. Insgesamt scheint es, als ob das Schlafverhalten von Echsen etwas simpler als das von Vögeln, Säugetieren und Menschen ist. Daher vermuten die Wissenschaftler, dass es dem Schlafverhalten unseres gemeinsamen Vorfahren ähnelt.

Früher Ursprung

Aber deuten die Beobachtungen auf einen gemeinsamen Ursprung hin? Könnten sich die Schlafphasen nicht in Reptilien, Vögeln und Säugetieren unabhängig voneinander entwickelt haben? „Dass mehrere Tiergruppen unabhängig voneinander dieselbe Eigenschaft entwickeln, ist unwahrscheinlicher als dass sie diese von einem gemeinsamen Vorfahren übernommen haben. Wenn auch bei anderen Reptilien wie Schildkröten oder Krokodilen REM- und Deltaschlafphasen gefunden werden, wird das der endgültige Beleg für einen gemeinsamen Ursprung sein. Aber schon jetzt lassen die Ergebnisse vermuten, dass die REM- und Deltaschlafphasen des Gehirns mindestens so alt sind wie der gemeinsame Vorfahr von Reptilien, Vögeln und Säugetieren, der vor ungefähr 320 Millionen Jahre lebte“, erklärt Laurent. Zu dieser Zeit waren die Kontinente der Erde noch eine einzige zusammenhängende Landmasse.

Gilles Laurent und seine Kollegen am Frankfurter Max-Planck-Institut planen weitere Untersuchungen der Gehirnaktivität der Echsen im Schlaf- und Wachzustand, um die Gemeinsamkeiten von Funktion und Aufbau verschiedener Wirbeltiergehirne zu verstehen.

AV/HR

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