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 sich trägt und die sich durch Willenskraft nicht verstellen lässt. Wähle eine Uhrzeit und sieh, was passiert.
OnlineSzenario
Dein Tag
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. Entdeckt wurden sie bei Ratten und Mäusen, es gibt sie aber auch in der menschlichen Netzhaut. 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 Hannibal et al. 2017
Das Licht kommt herein, die Uhr stellt sich richtig
Am Steuer
Licht am Abend verschiebt die Uhr nach hinten. In einer Studie schliefen Menschen, die vor dem Schlafen stundenlang auf einem Tablet lasen, später ein und waren am nächsten Morgen weniger wach. Eine Studie aus Basel zeigte, dass ein LED-Bildschirm mit mehr blauem Licht das Melatonin am Abend stärker senkt als ein herkömmlicher Bildschirm. 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 hilft sie, dich wach zu halten. 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: In Tierstudien reichert es sich im Wachzustand im Gehirn an und nimmt im Schlaf wieder ab. 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
Eine kurze Nacht hinterlässt schon beim Aufwachen mehr Druck, und der Spielraum ist bereits am Morgen enger. Auf der Autobahn sind die jungen Fahrer der Studie nach einer Nacht mit nur zwei Stunden Schlaf viel häufiger über die Fahrbahnmarkierungen geraten, schon zu Beginn der Fahrt. Philip et al. 2005
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 fast 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. Das Prinzip dieses Zyklus wurde an der Fruchtfliege entdeckt; bei Säugetieren sind einige Teile anders, doch der Zyklus funktioniert sehr ähnlich. Takahashi 2017
In Genf zeigte die Gruppe von Ueli Schibler, dass die Uhr nach einem Anstoss auch in Rattenzellen 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 entsteht aus dem Schlafdruck und aus einem Zyklus von Genen, der in der Uhr des Gehirns läuft, auch während du fährst. Takahashi 2017 Borbély et al. 2016
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 zeigen niedrige Temperatur und hohes Melatonin die tiefe Nacht an. Im Fahrsimulator ist das Fahren gegen zwei und gegen sechs Uhr so schlecht wie zu kaum einer anderen Tageszeit. Dijk & Czeisler 1995 Lenné et al. 1997
06Der Körper
Die Uhren des Körpers
Auch Leber, Nieren, Herz, 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 Wehrens et al. 2017
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 verschoben sich nicht. Wehrens et al. 2017
Auch die Darmflora verändert sich im Lauf des Tages, im Takt der Mahlzeiten, und Jetlag bringt sie durcheinander. Das zeigte sich vor allem bei Mäusen. Wenn Arbeit und Schule der inneren Uhr zuwiderlaufen, wie beim sozialen Jetlag, 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 vor allem von der Uhr, nicht vom Mittagessen. Im Fahrsimulator hat aber nach einer kurzen Nacht ein üppiges Mittagessen das Fahren verschlechtert. 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
Nach einer Nachtschicht ist das Risiko real. In einem Versuch auf einer abgesperrten Teststrecke fuhren Menschen nach der Nachtschicht deutlich schlechter als nach einer Nacht mit Schlaf, und viele Fahrten wurden aus Sicherheitsgründen abgebrochen. Lee et al. 2016
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 (Daten des ASTRA, Mittel 2022-2025).
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 starken Kaffee (200 mg Koffein) oder dreissig Minuten Schlaf fast so fahren wie am Tag. Warte nach dem Schlaf mindestens eine Viertelstunde, bevor du weiterfährst: Nach dem Aufwachen, vor allem nachts, ist man eine Weile weniger leistungsfähig. Philip et al. 2006 Reyner & Horne 1998 Trotti 2017
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 vor allem 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 vor allem vor der Morgendämmerung und, in geringerem Mass, am frühen Nachmittag. Und die Uhr lässt sich nicht täuschen.
Die Wörter
- Zirkadian
- Vom lateinischen circa diem, «ungefähr ein Tag»: ein innerer Rhythmus von etwa 24 Stunden, der auch ohne Licht und Uhrzeiten weiterläuft.
- Nucleus suprachiasmaticus
- Die Hauptuhr, an der Basis des Gehirns.
- Melanopsin
- Das Pigment einiger Zellen der Netzhaut: Es misst das Licht für die Uhr.
- Adenosin
- Eines der Moleküle, die den Schlafdruck anzeigen. Bei Tieren reichert es sich bei langem Wachsein in bestimmten Bereichen des Gehirns an.
- Schlafdruck
- Das Schlafbedürfnis, das mit den wachen Stunden wächst. Im Modell heisst es Prozess S.
- Melatonin
- Das Hormon der biologischen Nacht. Die Zirbeldrüse bildet es in der Nacht, gesteuert von der Uhr; Licht bremst es.
- 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 Essenszeiten die Schläfrigkeit am Steuer beeinflussen. Im Labor hat bei zehn jungen Männern eine Verschiebung der Mahlzeiten um fünf Stunden den Rhythmus der empfundenen Schläfrigkeit nicht verschoben (Wehrens et al., 2017).
- 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. Die Zeitkonstanten des Schlafdrucks sind die von Daan, Beersma und Borbély veröffentlichten. Form und Amplitude der Schwelle, die Grenzen zwischen viel Spielraum, wenig Spielraum und über der Schwelle sowie die Wirkung von Kaffee und Nickerchen haben wir selbst gewählt, um den Mechanismus sichtbar zu machen: Sie stammen nicht aus einem validierten Modell. Das Nickerchen zeigt zum Beispiel nicht die Benommenheit der ersten Minuten nach dem Aufwachen. Die Kurven 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?». Du kannst Aufstehzeit, Schlafdauer und Chronotyp ändern: Die Kurven werden mit denselben Konstanten neu berechnet. Je nach Chronotyp verschiebt sich die Uhr um etwa eine Stunde nach vorn oder nach hinten, wie das Temperaturminimum des Körpers bei Morgen- und Abendmenschen (Baehr et al., 2000). Je nach Chronotyp verschieben sich auch die drei Kurven der Station «Die Chemie» auf die gleiche Weise.
01 · Das Licht
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- 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
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Drive Awake · Awareness Behind the Wheel