Sleep Science · Zirkadianer Rhythmus
Die innere Uhr
Um drei Uhr nachts und um vier Uhr nachmittags sinkt die Wachheit, auch wenn du geschlafen hast. Das ist kein Zufall und keine Schwäche. Es ist eine Uhr, die der Körper in jeder Zelle trägt und die sich durch keinen Willen verstellen lässt. Wähle eine Uhrzeit und sieh, was passiert.
OnlineSzenario
Viel Spielraum Über der Schwelle Du schläfst Spitzen der schlafbezogenen Unfälle
Aufstehen um 7 Uhr, schlafen um 23 Uhr. Die Farbe des Rings zeigt, wie viel Spielraum dir der Körper lässt, Stunde für Stunde.
01Das Licht
Der Morgen stellt die Uhr richtig
Die innere Uhr läuft nicht genau 24 Stunden. Im Labor bei sehr schwachem Licht gemessen, dauert ihre Runde etwas länger: im Mittel 24 Stunden und 11 Minuten. Ohne Korrektur ginge sie jeden Tag ein wenig nach. Czeisler et al. 1999
Richtig gestellt wird sie vom Licht. In der Netzhaut gibt es neben den Zellen, mit denen wir sehen, weitere Zellen mit einem Stoff namens Melanopsin. Sie dienen nicht dem Sehen: Sie messen, wie viel Licht da ist, vor allem blaues Licht, und schicken das Signal direkt an die Uhr im Gehirn. Berson et al. 2002 Hattar et al. 2002
Das Licht kommt herein, die Uhr stellt sich richtig
Am Steuer
Licht am Abend verschiebt die Uhr nach hinten. Wer vor dem Schlafen auf einem Tablet liest, schläft später ein und ist am nächsten Morgen weniger wach. Eine Studie aus Basel zeigte, dass auch der Computerbildschirm am Abend das Melatonin senkt. Chang et al. 2015 Cajochen et al. 2011
02Das Gehirn
Der Dirigent
Das Signal des Lichts erreicht eine kleine Gruppe von Nervenzellen an der Basis des Gehirns, über der Stelle, an der sich die Sehnerven kreuzen. Diese Gruppe heisst Nucleus suprachiasmaticus und ist die Hauptuhr. Mohawk et al. 2012
Von dort gibt sie dem übrigen Körper den Takt vor: der Temperatur, den Hormonen, dem Hunger und der Wachheit. Am Abend startet sie die Bildung von Melatonin, dem Hormon der biologischen Nacht. Am Tag sorgt sie dafür, dass du wach bleibst. Mohawk et al. 2012 Arendt & Skene 2005
Von der Uhr zum Körper
Am Steuer
Die Uhr weiss nicht, dass du fährst. Um drei Uhr nachts zeigt sie Nacht an, auch im Auto, auch bei laufendem Radio. Mohawk et al. 2012
03Die zwei Kräfte
Zwei Kräfte, eine Schläfrigkeit
Die Schläfrigkeit, die du spürst, entsteht aus zwei Kräften. Die erste ist der Schlafdruck: Er wächst mit jeder wachen Stunde und baut sich nur im Schlaf ab. Eines der Moleküle, die ihn anzeigen, ist Adenosin, das sich im Wachzustand im Gehirn anreichert. Porkka-Heiskanen et al. 1997 Landolt 2008
Die zweite ist die Uhr, die als Schwelle wirkt: Am Tag hebt sie die Schwelle an und hält dich auch bei hohem Druck wach, in der Nacht senkt sie sie, egal was du getan hast. Das Modell, das beide Kräfte zusammenführt, entstand in Zürich bei Alexander Borbély und hilft seit über vierzig Jahren zu verstehen, wie der Schlaf funktioniert. Daan et al. 1984 Borbély et al. 2016
Im Labor sieht man es gut: Acht Männer lebten über einen Monat lang, ohne die Uhrzeit zu kennen, mit Tagen von 28 Stunden. Schlaf und Wachsein folgten beiden Kräften zugleich. Dijk & Czeisler 1995
Der Schlafdruck gegen die Schwelle der Uhr
Am Steuer
Mitten in der Nacht ziehen beide Kräfte in dieselbe Richtung: Der Druck ist hoch, und die Uhr sinkt ihrem Tiefpunkt entgegen, den sie vor der Morgendämmerung erreicht. Kaffee hilft eine Weile, weil er Adenosin an der Wirkung hindert, nicht weil er es entfernt. Landolt 2008 Philip et al. 2006
04Die Zelle
Eine Uhr in jeder Zelle
In fast jeder Zelle des Körpers steckt eine kleine Uhr aus Genen und Proteinen. Zwei Proteine, CLOCK und BMAL1, schalten die Gene PER und CRY ein. Die Proteine PER und CRY reichern sich an, wandern in den Zellkern und schalten CLOCK und BMAL1 ab. Dann werden sie abgebaut, die Sperre fällt, und die Runde beginnt von vorn. Takahashi 2017
Eine Runde dauert etwa einen Tag. Für die Entdeckung dieses Mechanismus gab es 2017 den Nobelpreis für Medizin: An der Fruchtfliege erforscht, funktioniert er bei Säugetieren sehr ähnlich. Takahashi 2017
In Genf zeigte die Gruppe von Ueli Schibler, dass die Uhr auch in Zellen läuft, die im Labor gezüchtet werden, fern vom Gehirn. Nicht nur das Gehirn weiss, wie spät es ist. Balsalobre et al. 1998
Der Zyklus der Gene
C = CLOCK · B = BMAL1 · ◆ = Proteine PER und CRY · Linien = Botschaften der Gene
- 1CLOCK und BMAL1 schalten die Gene ein
- 2PER und CRY reichern sich an
- 3sie wandern in den Zellkern und schalten CLOCK und BMAL1 ab
- 4sie werden abgebaut: die Runde beginnt neu
Am Steuer
Die Schläfrigkeit in der Nacht ist kein Gedanke, den man einfach wegschieben kann. Sie beruht auf einem Zyklus aus Genen, der in jeder Zelle läuft, auch während du fährst. Takahashi 2017
05Die Chemie
Die Chemie der Nacht
Die Uhr lässt sich an drei Kurven ablesen. Melatonin steigt am Abend, wenn das Licht nachlässt, und bleibt die ganze biologische Nacht hoch. Die Körpertemperatur sinkt in der Nacht und erreicht ihren Tiefpunkt vor der Morgendämmerung. Cortisol steigt gegen Morgen wieder an und bereitet den Körper auf das Aufwachen vor. Arendt & Skene 2005 Hofstra & de Weerd 2008
Mit diesen Signalen bestimmt die Forschung, welche Zeit die Uhr eines Menschen anzeigt. Die gezeigten Formen sind typisch, die Werte unterscheiden sich aber stark von Mensch zu Mensch. Hofstra & de Weerd 2008 Dijk & Czeisler 1995
Drei Kurven, eine Uhr
Am Steuer
Vor der Morgendämmerung sagen niedrige Temperatur und hohes Melatonin dem Körper, dass tiefe Nacht ist. Es ist auch die Zeit, in der man am schlechtesten fährt. Dijk & Czeisler 1995 Lenné et al. 1997
06Der Körper
Die Uhren des Körpers
Auch Leber, Darm, Bauchspeicheldrüse und Fettgewebe haben eine eigene Uhr. Sie folgen dem Gehirn, richten sich aber auch nach den Mahlzeiten. Bekommen Mäuse nur tagsüber Futter, also in den Stunden, in denen sie sonst schlafen, verschiebt sich die Uhr der Leber um bis zu zwölf Stunden, während die Uhr des Gehirns bleibt, wo sie ist. Damiola et al. 2000
Beim Menschen wurden die Mahlzeiten um fünf Stunden nach hinten verlegt: Der Rhythmus des Blutzuckers verschob sich um fast sechs Stunden, die Uhr des Fettgewebes um etwa eine Stunde. Die Uhr des Gehirns und die Schläfrigkeit blieben unverändert. Wehrens et al. 2017
Auch die Darmflora verändert sich im Lauf des Tages, und Jetlag bringt sie durcheinander. Das zeigte sich vor allem bei Mäusen. Wenn Arbeit und Schule der inneren Uhr zuwiderlaufen, wie beim sozialen Jetlag oder bei Schichtarbeit, gerät der Körper zwischen zwei Zeitpläne. Thaiss et al. 2014 Wittmann et al. 2006
Mahlzeiten um fünf Stunden verschoben
Am Steuer
Das Tief am Nachmittag kommt nicht vom Mittagessen: Es kommt von der Uhr. Ein üppiges Mittagessen nach einer kurzen Nacht kann es verstärken. Reyner et al. 2012 Lenné et al. 1997
07Die Strasse
Auf der Strasse
Unfälle, bei denen die Person am Steuer eingeschlafen ist, verteilen sich nicht zufällig über den Tag. In England zeigen Polizeidaten drei Spitzen: gegen zwei Uhr nachts, gegen sechs Uhr morgens und gegen vier Uhr nachmittags. Horne & Reyner 1995
Im Fahrsimulator verschlechtert sich die Fahrleistung um zwei und um sechs Uhr, am frühen Nachmittag in ähnlichem Ausmass. Lenné et al. 1997
Und nachts ist die Strasse nicht leer. Auf der A2 fahren um drei Uhr im Mittel 185 Fahrzeuge pro Stunde durch den Gotthardtunnel, in Biasca 229, in Lugano 315.
Drei Spitzen, und eine Strasse, die nicht leer wird
Am Steuer
Die Uhr lässt sich nicht täuschen: weder vom offenen Fenster noch vom Radio. Man kann wissen, wo sie steht, und anhalten. Nachts auf der Strasse konnten die meisten jungen Fahrerinnen und Fahrer nach einem Kaffee oder dreissig Minuten Schlaf fast so fahren wie am Tag. Philip et al. 2006
Was du tun kannst
Die Reise in sieben Sätzen
- Das Morgenlicht stellt die Uhr richtig, über Zellen der Netzhaut, die nicht dem Sehen dienen.
- Eine kleine Gruppe von Nervenzellen an der Basis des Gehirns gibt dem ganzen Körper den Takt vor.
- Schläfrigkeit entsteht aus zwei Kräften: dem Schlafdruck, der im Wachzustand wächst, und der Uhr, die als Schwelle wirkt.
- In fast jeder Zelle läuft ein Zyklus aus Genen und Proteinen, der etwa einen Tag dauert.
- Melatonin, Temperatur und Cortisol folgen der Uhr und sagen dem Körper, ob Tag oder Nacht ist.
- Die Organe haben eigene Uhren, die auch auf die Essenszeiten reagieren und gegenüber der Uhr im Gehirn aus dem Takt geraten können.
- Am Steuer sinkt die Wachheit am stärksten vor der Morgendämmerung und am Nachmittag, und die Uhr lässt sich nicht täuschen.
Die Wörter
- Zirkadian
- Vom lateinischen circa diem, «ungefähr ein Tag»: ein Rhythmus, der sich in etwa 24 Stunden wiederholt.
- Nucleus suprachiasmaticus
- Die Hauptuhr, an der Basis des Gehirns.
- Melanopsin
- Das Pigment einiger Zellen der Netzhaut: Es misst das Licht für die Uhr.
- Adenosin
- Ein Molekül, das sich im Wachzustand im Gehirn anreichert und den Schlafdruck anzeigt.
- Schlafdruck
- Das Schlafbedürfnis, das mit den wachen Stunden wächst. Im Modell heisst es Prozess S.
- Melatonin
- Das Hormon der biologischen Nacht, gebildet von der Zirbeldrüse, wenn es dunkel ist.
- Periphere Uhren
- Die Uhren von Leber, Darm, Bauchspeicheldrüse und den anderen Organen.
- Sozialer Jetlag
- Der Abstand zwischen den Zeiten der inneren Uhr und denen, die Arbeit und Schule vorgeben.
Was wir wissen, und was wir noch nicht wissen
Wir wissen
- Die Wachheit folgt einem Rhythmus von etwa 24 Stunden, mit dem tiefsten Punkt vor der Morgendämmerung und einem Tief am Nachmittag.
- Die Schläfrigkeit hängt sowohl von den wachen Stunden als auch von der Tageszeit ab.
- Licht am Abend verschiebt die Uhr nach hinten.
Wir wissen noch nicht
- Wie stark jeder Mensch von den Durchschnittskurven abweicht: Chronotyp, Alter und Arbeit spielen eine grosse Rolle.
- Wie stark die Mahlzeiten die Schläfrigkeit am Steuer beeinflussen. Beim Menschen hat das Verschieben der Mahlzeiten die gemessene Schläfrigkeit nicht verändert.
- Viele Erkenntnisse über die Uhren des Körpers stammen aus Versuchen mit Mäusen, Ratten und Katzen. Beim Menschen sind sie nur zum Teil bestätigt.
Quellen
Zum Modell
Die Kurven der dritten Station stammen aus dem Zwei-Prozess-Modell, mit den von Daan, Beersma und Borbély veröffentlichten Zeitkonstanten. Sie zeigen den typischen Verlauf für einen Menschen, der um 7 Uhr aufsteht und um 23 Uhr schlafen geht. Sie messen nicht deine Schläfrigkeit und ersetzen nicht die Frage «Bin ich schläfrig?».
01 · Das Licht
- Berson DM, Dunn FA, Takao M. Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock. Science 2002;295(5557):1070-1073. DOI 10.1126/science.1067262 · Studie an Ratten
- Hattar S, Liao HW, Takao M, Berson DM, Yau KW. Melanopsin-containing retinal ganglion cells: architecture, projections, and intrinsic photosensitivity. Science 2002;295(5557):1065-1070. DOI 10.1126/science.1069609 · Studie an Ratten und Mäusen
- Czeisler CA, Duffy JF, Shanahan TL, et al. Stability, precision, and near-24-hour period of the human circadian pacemaker. Science 1999;284(5423):2177-2181. DOI 10.1126/science.284.5423.2177 · Studie an Menschen, im Labor
- Chang AM, Aeschbach D, Duffy JF, Czeisler CA. Evening use of light-emitting eReaders negatively affects sleep, circadian timing, and next-morning alertness. PNAS 2015;112(4):1232-1237. DOI 10.1073/pnas.1418490112 · Studie an Menschen
- Cajochen C, Frey S, Anders D, et al. Evening exposure to a light-emitting diodes (LED)-backlit computer screen affects circadian physiology and cognitive performance. Journal of Applied Physiology 2011;110(5):1432-1438. DOI 10.1152/japplphysiol.00165.2011 · Studie an Menschen, Basel
02 · Das Gehirn
- Mohawk JA, Green CB, Takahashi JS. Central and peripheral circadian clocks in mammals. Annual Review of Neuroscience 2012;35:445-462. DOI 10.1146/annurev-neuro-060909-153128 · Übersichtsarbeit
03 · Die zwei Kräfte
- Borbély AA, Daan S, Wirz-Justice A, Deboer T. The two-process model of sleep regulation: a reappraisal. Journal of Sleep Research 2016;25(2):131-143. DOI 10.1111/jsr.12371 · Übersichtsarbeit, Zürich und Basel
- Daan S, Beersma DG, Borbély AA. Timing of human sleep: recovery process gated by a circadian pacemaker. American Journal of Physiology 1984;246(2 Pt 2):R161-R183. DOI 10.1152/ajpregu.1984.246.2.R161 · mathematisches Modell
- Dijk DJ, Czeisler CA. Contribution of the circadian pacemaker and the sleep homeostat to sleep propensity, sleep structure, electroencephalographic slow waves, and sleep spindle activity in humans. Journal of Neuroscience 1995;15(5 Pt 1):3526-3538. DOI 10.1523/JNEUROSCI.15-05-03526.1995 · Studie an Menschen, im Labor
- Porkka-Heiskanen T, Strecker RE, Thakkar M, et al. Adenosine: a mediator of the sleep-inducing effects of prolonged wakefulness. Science 1997;276(5316):1265-1268. DOI 10.1126/science.276.5316.1265 · Studie an Katzen
- Landolt HP. Sleep homeostasis: a role for adenosine in humans? Biochemical Pharmacology 2008;75(11):2070-2079. DOI 10.1016/j.bcp.2008.02.024 · Übersichtsarbeit, Zürich
04 · Die Zelle
- Takahashi JS. Transcriptional architecture of the mammalian circadian clock. Nature Reviews Genetics 2017;18(3):164-179. DOI 10.1038/nrg.2016.150 · Übersichtsarbeit
- Balsalobre A, Damiola F, Schibler U. A serum shock induces circadian gene expression in mammalian tissue culture cells. Cell 1998;93(6):929-937. DOI 10.1016/s0092-8674(00)81199-x · Rattenzellen, Genf
05 · Die Chemie
- Arendt J, Skene DJ. Melatonin as a chronobiotic. Sleep Medicine Reviews 2005;9(1):25-39. DOI 10.1016/j.smrv.2004.05.002 · Übersichtsarbeit
- Hofstra WA, de Weerd AW. How to assess circadian rhythm in humans: a review of literature. Epilepsy & Behavior 2008;13(3):438-444. DOI 10.1016/j.yebeh.2008.06.002 · Übersichtsarbeit
06 · Der Körper
- Damiola F, Le Minh N, Preitner N, Kornmann B, Fleury-Olela F, Schibler U. Restricted feeding uncouples circadian oscillators in peripheral tissues from the central pacemaker in the suprachiasmatic nucleus. Genes & Development 2000;14(23):2950-2961. DOI 10.1101/gad.183500 · Studie an Mäusen, Genf
- Wehrens SMT, Christou S, Isherwood C, et al. Meal timing regulates the human circadian system. Current Biology 2017;27(12):1768-1775. DOI 10.1016/j.cub.2017.04.059 · Studie an Menschen
- Thaiss CA, Zeevi D, Levy M, et al. Transkingdom control of microbiota diurnal oscillations promotes metabolic homeostasis. Cell 2014;159(3):514-529. DOI 10.1016/j.cell.2014.09.048 · Studie an Mäusen und Menschen
- Reyner LA, Wells SJ, Mortlock V, Horne JA. 'Post-lunch' sleepiness during prolonged, monotonous driving - effects of meal size. Physiology & Behavior 2012;105(4):1088-1091. DOI 10.1016/j.physbeh.2011.11.025 · Fahrsimulator
- Wittmann M, Dinich J, Merrow M, Roenneberg T. Social jetlag: misalignment of biological and social time. Chronobiology International 2006;23(1-2):497-509. DOI 10.1080/07420520500545979 · Fragebögen
07 · Die Strasse
- Horne JA, Reyner LA. Sleep related vehicle accidents. BMJ 1995;310(6979):565-567. DOI 10.1136/bmj.310.6979.565 · Polizeidaten
- Lenné MG, Triggs TJ, Redman JR. Time of day variations in driving performance. Accident Analysis & Prevention 1997;29(4):431-437. DOI 10.1016/s0001-4575(97)00022-5 · Fahrsimulator
- Philip P, Taillard J, Moore N, et al. The effects of coffee and napping on nighttime highway driving: a randomized trial. Annals of Internal Medicine 2006;144(11):785-791. DOI 10.7326/0003-4819-144-11-200606060-00004 · Strasse, nachts
- ASTRA, stündliche Verkehrszählungen A2, 2022-2025 · driveawake.ch
Drive Awake · Awareness Behind the Wheel