Schlaf ist überlebenswichtig – nicht nur für uns, sondern auch für die meisten anderen Tiere. Bisher allerdings war unklar, wann in der Evolution die typischen Schlafphasen entstanden sind. Jetzt belegt erstmals eine Studie mit Zebrafischen: Obwohl Fische keine Großhirnrinde besitzen und deutlich primitiver sind als die Landwirbeltiere, durchleben auch sie den charakteristischen Wechsel von Tiefschlaf und einer Traumschlaf-ähnlichen Schlafphase. Dies ist nicht nur der erste Nachweis dieser Schlafmuster bei einem Fisch – die Ergebnisse verschieben auch die Wurzeln unseres Schlafens weiter zurück. Er könnte schon vor 450 Millionen Jahren entstanden sein und damit noch bevor die Tiere das Land eroberten.
Säugetiere tun es, die meisten Vögel und selbst Reptilien: Sie alle zeigen Schlafphasen, die den unseren relativ ähnlich sind. Im Tiefschlaf, auch “Slow Wave Sleep” genannt, sind Herz und Atmung langsam und regelmäßig, die Muskeln fast vollständig entspannt. Die Hirnaktivität zeigt große, langsame und synchrone Wellen. Im Wechsel mit diesem Tiefschlaf gibt es eine zweite, charakteristische Schlafphase, den REM-Schlaf oder Traumschlaf. Er ist bei uns Menschen durch schnelle Augenbewegungen gekennzeichnet, außerdem durch schnellere, von Aktivititätsschüben unterbrochene Hirnwellen. In dieser Schlafphase träumen wir. Die Körpermuskulatur ist während dieser Zeit maximal entspannt, wir sind nahezu gelähmt. Trotz dieser körperlichen Ruhe sind jedoch der Stoffwechsel und Kreislauf aktiver als im Tiefschlaf.
Müde Zebrafische
Studien belegen, dass dieser charakteristische Wechsel von Tiefschlaf und REM-Schlaf bei den meisten Gruppen der Landwirbeltiere vorkommt. Er scheint daher ein ursprüngliches Merkmal zu sein, das bis auf die ersten Reptilien zurückgeht. Doch wie sieht es mit noch älteren Tiergruppen aus? “Bisher ist unklar, ob dieses Phänomen auch bei nichtamniotischen Wirbeltieren wie den Fischen und Amphibien existiert”, erklären Louis Leung von der Stanford University und seine Kollegen. Zwar haben Beobachtungen schon vor 100 Jahren gezeigt, dass auch Fische in einen schlafartigen Zustand der Ruhe zu verfallen scheinen. Wie dieser Schlaf aber neurologisch beschaffen ist und ob er mit unserem Schlaf vergleichbar ist, war unbekannt. “Es ist schwer, eine neuronale Schlafsignatur bei Fischen zu finden, weil sie keinen klassischen Neocortex besitzen, an dem ein Elektroenzephalogramm (EEG) typischerweise abgeleitet wird”, so die Forscher.
Doch Leung und sein Team haben nun einen Weg gefunden, einen genaueren Einblick in den Schlaf von Fischen zu bekommen. Dafür wurden zarte, fast durchsichtige Zebrafischlarven zunächst unter Schlafentzug gesetzt, indem man sie durch Bewegen ihres Wasserbehälters kontinuierlich zu schwimmenden Ausgleichsbewegungen zwang. Dann setzten die Forscher die müden Fische in ein etwas zähflüssigeres Medium. Dort verfielen die Fischlarven relativ schnell in ihren Schlafzustand und wurden dabei durch das angedickte Wasser stabilisiert und ruhig gehalten. Nun konnten die Forscher mithilfe eines Spezialmikroskops und Fluoreszenzmarkern die Muskel- und Gehirnaktivität der Fische und ihren Herzschlag beobachten.
Erst Tiefschlaf, dann “Traumschlaf”
Es zeigte sich: Nach dem Schlafentzug fielen die Fischlarven zunächst in einen Schlaf, der unserem Tiefschlaf stark ähnelte. “Die Fische zeigten Schübe von hochgradig synchronen Aktivitätsmustern, unterbrochen von Perioden der Stille”, berichten Leung und sein Team. Gleichzeitig sank die Herzschlagrate während dieses sogenannten “Slow Burst Sleep” (SBS) von 200 auf nur noch 120 Schläge pro Minute und auch die Muskelspannung nahm ab. “Diese Merkmale zeigen Übereinstimmungen mit denen des Slow Wave Sleeps bei Säugetieren, Vögeln und Reptilien”, sagen die Forscher. An diese Tiefschlafphase schloss sich bei den Fischen jedoch noch eine zweite, deutlich abweichende Schlafphase an. “Die Muskeln zeigten nun einen rapiden, totalen Verlust der Muskelspannung. Zudem wechselte die spontane Augenbewegung zu einem langsamen Rollen, bis sie schließlich ganz aufhörte”, berichten Leung und sein Team. Der Herzschlag der Fische verlangsamte sich in dieser Phase auf nur noch 90 Schläge pro Minute und er wurde deutlich unregelmäßiger. Und auch im Gehirn wechselte das Aktivitätsmuster: Statt der langsamen, synchronen Wellenschübe breiteten sich nun ungeordnetere Hirnstromwellen über fast das gesamte Fischgehirn aus.
Nach Ansicht der Wissenschaftler ähnelt diese zweite Schlafphase der Fische, von ihnen “Propagating Wave Sleep” (PWS) getauft, damit stark dem REM-Schlaf der Säugetiere. “Der einzige echte Unterschied ist das Fehlen der schnellen Augenbewegungen während des REM-Schlafs”, sagt Leungs Kollege Philippe Mourrain. Alle anderen typischen Kennzeichen des REM-Schlafs seien aber vorhanden. “Wir haben damit erstmals die neuronalen Signaturen des Schlafs bei einem Knochenfisch identifiziert”, konstatieren die Forscher. Demnach besitzen schon diese Fische zwei Schlafphasen, die unserem Tiefschlaf und REM-Schlaf stark ähneln. “Das spricht dafür, dass diese gängigen Schlafmuster sich im Wirbeltiergehirn schon vor rund mehr als 450 Millionen Jahren entwickelten”, so Leung und sein Team. Das aber bedeutet: Schon lange bevor die ersten Wirbeltiere an Land krochen, schliefen die Urzeit-Fische ganz ähnlich wie wir.
Quelle: Louis Leung (Stanford University, Stanford) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-019-1336-7
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