Quelle: Birbaumer & Schmidt Kap. 22. Zirkadiane Rhythmen: circa einen Tag, also circa 24h dauernd Abb. B&S 22.1, B&S 7.12

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1 Zirkadiane Rhythmen 1. Einleitung 2. Biologische Rhythmen 3. Prinzipien zirkadianer Periodik Perinatale Entwicklung Komponenten der zirkadianen Rhythmik 4. Neuronale Grundlagen Nucleus suprachiasmaticus Nucleus ventromedialis 5. Zirkadiane Rhythmen 6. Störungen zirkadianer Rhythmen 7. Schlaf Schlafstadien & Schlaftheorien Neuronale Grundlagen Quelle: Birbaumer & Schmidt Kap BIOLOGISCHE RHYTHMEN Zirkadiane Rhythmen: circa einen Tag, also circa 24h dauernd Abb. B&S 22.1, B&S 7.12 bedeutendster Rhythmus für den Menschen nahezu alle physiologischen u. psychologischen Prozesse unterliegen der zirkadianen Rhythmik der auffälligste: Schlaf-Wach-Rhythmus Ultradiane Rhythmen: sich innerhalb eines Tages mehrfach wiederholende Rhythmen (EEG, Atmung, bestimmte Hormone) Abb. Fig. 3 und 4 Infradiane Rhythmen: länger als einen Tag dauernd (Winterschlaf, Menstruationszyklus) Messung der Rhythmen ( Abb. Fig. 1): o Mesor = arithmetisches Mittel über eine Zykluskurve o Periode = Dauer eines kompletten Zyklus o Amplitude = Anstieg vom Mesor o Acrophase = Zeitlatenz vom Mesor zum Peak 1/8

2 3. PRINZIPIEN ZIRKADIANER PERIODIK 3.1 Perinatale Entwicklung beim Menschen: zirkadiane Rhythmik erst ab etwa 15. Woche nach Geburt bei anderen Säugern z.t. bereits intrauterin an den Rhythmus der Mutter synchronisiert 3.2 Komponenten in der zirkadianen Rhythmik Abb. B&S 22.3 und 23.3 (4. Auflage) Primäre Oszillatoren: o Organismusinterne Uhren", angeborene Rhythmusgeber o verantwortlich für endogene Rhythmen o liegen im ZNS o multiple primäre Oszillatoren nebeneinander o müssen synchronisiert werden o Enge der Kopplung abhängig von der gemeinsamen physiologischen Funktion (z.b. Kaliumausscheidung folgt Nahrungsaufnahmezyklus) Sekundäre Oszillatoren: o außerhalb des ZNS liegende Uhren o beeinflussen Organfunktion(en) rhythmisch o Beispiel: rhythmische Schwankung der Cortisol- Konzentration in Zellkultur Zeitgeber: o externe Rhythmusgeber o Beispiel: Hell-Dunkel, Sommer-Winter, Nahrungsaufnahme, soziale Stimuli o helles Licht ( Lux) stärkster Zeitgeber beim Menschen o unter Isolation stellt sich Synchronisation von endogenen Rhythmen durch soziale Stimuli ein o auch Gruppenrhythmen oder Synchronisation infradianer Rhythmen (Menstruation) Freilaufende Uhren: o Zirkadiane Rhythmen nach Ausschaltung von Zeitgebern o Aktivität der endogenen Oszillatoren erkennbar (Bunker- Experimente (Aschoff) 2/8

3 o o endogene Rhythmen laufen mit veränderter Periodik (Freilauf), selten exakt 24 Stunden (Phasenverschiebung) Mitnahmebereich: Flexibilitätsbereich, innerhalb dessen Rhythmen durch Zeitgeber einstellbar sind (Körpertemperatur: 23-27h; motorische Aktivität: 20-32h), sonst Desynchronisation Abb. B&S 22.2 Passive Elemente: o Erfolgsorgane ohne eigene zirkadiane Periodizität (z.b. Zirbeldrüse verliert ohne neuronalen Input Tagesrhythmik der Melatoninsynthese) Mediatoren: o übertragen Zeitinformation zwischen Körperregionen (v.a. Neurotransmitter, Hormone) 4. NEURONALE GRUNDLAGEN 4.1 Nucleus suprachiasmaticus (SCN) Abb. Pinel 12.15, B&S 22.4 Zentraler Schrittmacher der zirkadianen Periodik steuert Großteil der Hell-Dunkel-Zyklus synchronisierten Funktionen im ventralen Teil des Hypothalamus oberhalb der Kreuzung der Sehbahnen (Chiasma opticum) Entdeckung durch Curt Richter (1967) Läsion der Kerne führt zu Verlust der Rhythmizität von motorischer Aktivität, Nahrungs- u. Flüssigkeitsaufnahme, Schlaf-Wach- Rhythmus Autoradiographie: Sichtbarmachung aktiver Hirnregionen über Gabe radioaktiv markierter Glucose. In Abb.: N. supraopticus (= SCN) Transplantationsstudien: Rhythmen vom Spendertier werden übernommen Afferenzen des SCN: Abb. Pinel o Retinohypothalamischer Trakt (RHT) o Thalamus o Chiasma opticum o Serotonerge Kerne im Ncl. Raphé 3/8

4 Efferenzen des SCN: Abb. B&S 8.4 o andere hypothalamische Kerne o Hypophyse, Zirbeldrüse, Hirnstamm und Rückenmark o Neuromodulatoren in Zirkulation zur Beeinflussung von Zielorganen Mitnahme des SCN: o SCN drängt anderen Kernstrukturen endogenen Rhythmus auf o pulsatile Hormonfreisetzung und rhythmische Neuronenentladungen o isolierte SCN-Neurone feuern rhythmisch, gesteuert durch molekulargenetische Faktoren (endogene Oszillatoren in SCN-Zellen synthetisieren CLOCK und CYCLE Proteine bilden Dimer bindet an DNA Proteine PER und CRY werden gebildet binden an Tau Protein Hemmung = es entsteht ein Zyklus von 24 Stunden ALSO: die Auf- und Abbauzeiten von Genen und Proteinen bestimmen den endogenen Rhythmus. o auch beteiligt: c-fos Abb. B&S Nucleus ventromedialis (VMN) (NICHT IM B&S) zweiter zentraler Schrittmacher rhythmisiert Temperatur und Nahrungsaufnahme, Glucose, Insulin, freie Fettsäuren SCN und VMN eng durch reziproke Bahnen verknüpft Synchronizität beider Kerne 5. ZIRKADIANE RHYTHMEN Nahrungsaufnahme o eng mit Aktivitätszyklen synchronisiert o Rhythmus durch Antizipation verfügbarer Nahrung bestimmt (=gelernte Reaktion) o Hunger tritt antizipatorisch auf o hängt mit Freisetzung gastrointestinaler Faktoren (Gastrin, CCK) zusammen o gesteuert durch VMN 4/8

5 Trinkrhythmen o normalerweise mit Essrhythmen verbunden, treten aber auch getrennt auf o antizipatorische Rhythmen existieren nicht o viel stärker von exogenen Faktoren abhängig Thermoregulation Abb. B&S 22.7 ((und Abbildung aus Biol Psychol-Artikel)) o Tagesmaximum nach 18:00 Uhr o Tagesminimum in späten Nachtstunden o antizipatorischer Anstieg kurz vor dem Erwachen o Abfall der Temperatur entsteht durch erhöhten Blutfluss in der Haut und dadurch erhöhte Wärmeabgabe Endokrine Rhythmen Abb. B&S 7.12b, Abb. Fig. 3 o Viele Hormone unterliegen zirkadianer Rhythmik (v.a. ACTH, Cortisol, Katecholamine, Schilddrüsenhormone, Wachstumshormon) o Verlust der Rhythmizität durch (a) SCN-Läsion (b) Stress (c) psychische Störungen (Depression, PTSD) (d) körperliche Erkrankungen (Morbus Cushing) Schmerz o Schmerzempfindlichkeit schwankt im Tagesverlauf o Gipfel der relativen Schmerzunempfindlichkeit zwischen 12 und 18 Uhr o Gipfel der Schmerzempfindlichkeit zwischen 0 und 3 Uhr o vermutlich zusammenhängend mit Tagesrhythmus der endogenen Opioide o Analgetika wirken weniger zu Nachtzeiten, also in den schmerzempfindsamen Stunden, mehr zu Tageszeiten Krankheiten o Chronoepidemiologische Untersuchungen: Krankheiten und Tod treten häufiger zu bestimmten Tageszeiten auf (Beispiel: Herzinfarkt 9 Uhr; Hirninfarkt 3 Uhr). o Chronopharmakologie: Medikamente wirken unterschiedlich stark zu bestimmten Tageszeiten 5/8

6 Reaktionszeit und Vigilanz o Einfache Reaktionszeitaufgaben: Leistungsgipfel um 3 Uhr nachts; Leistung in Daueraufmerksamkeit (Vigilanz) minimal nachts um 3 Uhr häufig Fehler bei Schichtarbeit Rechengeschwindigkeit, unmittelbares Gedächtnis Abb. B&S 22.8 o Maximale Leistungen in späten Vormittags- und frühen Mittagsstunden o Minimal früh morgens oder spät abends o korreliert mit Körpertemperatur 6. STÖRUNGEN ZIRKADIANER RHYTHMEN Häufigste Störungen: o Schlafstörungen o Depression/Post.Traum.Belast.Störung (PTBS) o Nacht- und Schichtarbeit o Überschreiten von Zeitzonen (Jet-lag) Desynchronisation von eigentlich korrelierten Funktionen oder Synchronisation unkorrelierter Funktionen (z.b. Zytokine, Melatonin und Tiefschlaf). bei wiederholter, anhaltender Phasenverschiebung o Leistungsabfall o gastrointestinale Störungen o Schlafstörungen o respiratorische Probleme o Schmerzen (( Abb. Schichtarbeiter-Artikel, Abb. Pinel 12.7)) 7. SCHLAF 7.1 Schlafstadien & Schlaftheorien Schlafstadien: Abb. Pinel 12.2 (oder B&S 22.9) o Messung mit EEG, EMG, EOG o Vor Einschlafen Alpha-Wellen (8-12 Hz) o Stadium 1: hoch-frequent, niedrig-amplitudig, langsamer als Wachheit 6/8

7 o Stadium 2-3: zunehmende Amplitude und abnehmende Frequenz mit K-Komplexen und Schlafspindeln o Stadium 4: niedrig-frequente, hoch-amplitudige Delta- Wellen (Slow-Wave Sleep, Tiefschlaf) o REM-Schlaf: Nach Rücklauf tritt anstelle des Stadiums 1 der REM-Schlaf (Rapid Eye Movements) o EEG ähnlich Wachzustand, Verlust des Muskeltonus, starke, autonome Aktivierung (paradoxer Schlaf) o Hier finden Traumerlebnisse statt, vermutlich auf Grund von Entladungen aus dem Hirnstamm Abb. Pinel 12.3 Schlafstadien werden wiederholt durchlaufen Zyklusdauer von 90 min (ultradianer Rhythmus) Schlaftheorien: Restaurative Theorie: o Wachzustand stört Homöostase des Körpers, die im Schlaf wiederhergestellt wird (Reparatur) Zirkadiane Theorie: o Schlaf als neuronaler Mechanismus, welcher den Organismus bei Nicht-Beschäftigung inaktiv werden lässt, um Energie zu sparen (Ruheanordnung) Schlafentzugsexperimente: o Schlafentzug führt nicht oder minimal zur Veränderung der Schlafdauer, relativer Anteil des Slow-Wave-Sleeps nimmt jedoch zu Tab. Pinel 12.1, Abb. Pinel 12.6 Einiges spricht für die zirkadiane Theorie, aber man weiß inzwischen, dass gerade die ersten 4 Stunden lebensnotwendig sind (restaurative Funktion): Kernschlaf versus Optionalschlaf Bedeutung des REM-Schlafs: Abb. B&S o Experimente mit REM-Schlaf-Entzug Entstehung von REM-Druck unabhängig von SWS-Dauer o Funktion REM letztlich unklar; evt. Erhaltung seelischer Gesundheit, Erhaltung des Aktivitätsniveaus, Konsolidierung von Gedächtnisinhalten 7/8

8 7.2 Neuronale Grundlagen Abb. Pinel Hemmung des aufsteigenden retikulären Aktivierungssystems (ARAS) Serotonerge Neuronen der Raphékerne senken Entladungsrate REM-Schlaf durch cholinerge Aktivierung der Formatio reticularis Noradrenrge Neuronen des Locus coeruleus und serotonerge Neuronen der Raphékerne hemmen REM-Schlaf Schlafstörungen: über 100 Schlaf-Wach-Störungen in 4 Kategorien: 1. Insomnien: Bsp.. 2. Hypersomnien: Bsp.. 3. Schladstadien-gebundene Störungen/Parasomnien: Bsp.. 4. Störungen des Schlaf-Wach-Rhythmus/zirkadianen Rhythmus: Bsp Abb. Schlafveränderungen bei psychischen Erkrankungen Koffein: Wachmachende Wirkung über Blockade von Adenosin-Rezeptoren 8/8