Sitzung 13: Biologische Rhythmen & Schlaf Flashcards
22.1.1 Endogene Oszillatoren:
Definition und Merkmale endogener Oszillatoren
- Definition: körpereigene Rhythmusgeber, die nur eine begrenzte Flexibilität durch Umweltreize aufweisen.
- Merkmale:
a) Externe Zeitgeber: der endogene Rhythmus wird von externen Zeitgebern synchronisiert („mitgenommen“)
b) Phasenverschiebung: dabei stimmten die endogenen Oszillatoren selten exakt mit den Oszillationsperioden des externen Zeitgebers überein (=Phasenverschiebung)
c) Ausschaltung externer Zeitgeber: hieran erkennt man oft den endogenen Charakter vieler, aber nicht aller biologischer Rhythmen
d) Freilauf: nach Ausschaltung externer Zeitgeber laufen endogene Oszillatoren verändert weiter (=Freilauf)
22.1.1 Endogene Oszillatoren: Definition zirkadianer Rhythmus
- Bedeutung = circa; Tag
- Der zirkadiane Rhythmus ist zum großen Teil keine passive Konsequenz des Hell-Dunkel-Rhythmus, sondern Ausdruck der Aktivität organismusinterner Oszillatoren mit definierten Oszillationsperioden
22.1.1 Endogene Oszillatoren: Definition infradiane und ultradiane Rhythmen
- Infradiane Rhythmen: längere Periodendauer als zirkadian
- Untradiane Rhythmen: kürzere Perioden als zirkadian
22.1.1 Endogene Oszillatoren: Freilaufende endogene Oszillatoren
- Bei Isolation: von Zeitgebern der Umgebung weisen die meisten Säugetiere und Menschen weiterhin in vielen Körperfunktionen eine zirkadiane Periodik auf
- Periodik des freilaufenden Rhythmus: ist meist etwas länger/kürzer als 24h (bei Menschen oft länger) könnte auf die Flexibilität der endogenen Uhr hinweisen
- Mitnahmebereich: Bereich, in dem sich die endogenen Oszillatoren noch an die externen anpassen. Außerhalb kommt es zur Desynchronisation zwischen den Rhythmen:
a) Körpertemperatur: 23-27h
b) Motorische Aktivität: 20-32h
22.1.1 Endogene Oszillatoren: Desynchronisation endogener Rhythmen
- Absolute Isolation: es treten spontane Desynchronisationen zwei Rhythmen auf (z.B.: Temperatur & Aktivitätsrhythmus)
- Subjektive Bemerkbarkeit: war bei den VP nicht vorhanden. Sie hatten nicht gemerkt, dass sie einen 33h Aktivitätsrhythmus hatten und auch nicht, dass sie der Temperaturrhythmus davon entkoppelt hatte
- Schlussfolgerung: es existieren mehrere endogene Oszillatoren nebeneinander, die mehr oder weniger eng miteinander gekoppelt sind in Abhängigkeit ihrer gemeinsamen physiologischen Funktion
22.1.1 Endogene Oszillatoren: Rhythmus und Antrieb
- Zirkadiane Uhren und Rhythmusgeber sind eine wichtige Ursache für Antrieb und Emotionen
- Wirksamkeit positiver & negativer Verstärkung: ist auch vom Zeitpunkt und der Phase der zirkadianen Periodik abhängig (z.B.: Gabe von Wasser in einem durstigen Organismus wirkt Nachts stärker als am Tag als positive Verstärkung)
22.1.2 Arbeitsweise endogener Oszillationen:
Messfühler und Schrittmacher
Wichtigste Elemente eines zirkadianen Systems:
Messfühler für Licht-Dunkel: bei Säugetieren die Retina
Essen-Fasten-Zyklus: Messfühler im Hypothalamus
Endogene Oszillatoren: haben einen Messfühler in der Peripherie (z.B.: Retina) und im ZNS. Sie teilen ihre Rhythmus sekundären Oszillatoren oder passiven Elementen mit
Primäre Oszillatoren: Schrittmacher, die die Zeit in Abwesenheit externer Hinweise messen und für die zirkadiane Ozillatoren im ZNS liegen
22.1.2 Arbeitsweise endogener Oszillationen: Sekundäre Oszillatoren und passive Elemente und Mediatoren
- Sekundäre Oszillatoren: synchronisieren dann die jeweiligen Organsysteme. Sie liegen außerhalb des ZNS und sind für die messbare Rhythmizität einer physiologischen Variable verantwortlich
- Passive Elemente: Erfolgsorgane, die selbst keine zirkadiane Periodizität aufweisen
- Mediatoren: Vermittlungssystem, die zeitliche Informationen zwischen den ver. Körperregionen übertragen können und z.T. erhebliche Phasenverschiebung bewirken können
22.1.2 Arbeitsweise endogener Oszillationen: Perinatale Entwicklung der Synchronisation endogener Rhythmen und Synchronisation durch Licht und soziale Interaktion
- Entwicklung: Ca. 15 W nach der Geburt
- Die Mitnahme (entrainment) endogner Rhythmen durch Umgebungsreize erfolgt zwar v.a. durch Licht, kann aber auch durch soziale Reize (z.B.: Gruppen) beeinflusst werde
22.2.1 Die suprachiasmatischen Kerne (SCN) des Hypothalamus: Lokalisation, Neurotransmitter, Aufgabe & Läsionen/Transplantation
Lokalisation: im ventralen Hypothalamus
2. Neutotransmitter: GABAnerg (70%), der Rest Vasopressin, Oxytozin (& andere Neuropeptide)
3. Aufgabe: ist der zentrale zirkadiane Schrittmacher
a) Licht-Dunkel-Zyklus: vor allem ein Großteil aller mit dem Licht-Dunkel_Rhythmus synchronisierten Funktionen werden vom SCN rhythmisiert
b) Temperatur wird durch andere Schrittmacher gesteuert
4. Läsionen/Transplantation:
a) Läsionen: gehen mit Rhythmusverlust einher
b) Transplantation: der SCN-Zellen in Empfängertiere wird auch der zirkadiane Rhythmus des Spendertieres übertragen
22.2.1 Die suprachiasmatischen Kerne (SCN) des Hypothalamus: Verbindungen des SCN
- Retinale Ganglienzellen: der SCN wird von spezialisierten retinalen Ganglienzellen, die Melanopsin als lichtsensitives Pigment aufweisen, mit Licht-Dunkel-Informationen verzorgt
- Efferenzen: in viele hypothalamische Kerne, Hypothyse, Zwirbeldrüse, Spetum, Rückenmark, Hirnstamm die zirkadinae Rhythmus zwingt er vielen Hirnstrukturen auf
22.2.1 Die suprachiasmatischen Kerne (SCN) des Hypothalamus: Mitnahme des SCN
- Der SNC veranasst andere Kernstrukturen seine endogenen Rhythmus über die gepulste Freisetzung von Hormonen und über rhythmische Entladungsraten anzunehmen
- Licht hat v.a. während der subjektiven Nacht einen modifizierten Einfluss auf die zirkadiane Periodik:
a) Licht in den frühen Phasen: der dunklen subjektiven Nacht bewirken Phasenverzögerungen der zirkadianen Rhythmik
b) Licht während der frühen Phasen: bewirken Phasenbeschleunigung (z.B.: stetzt der Temperaturanstieg schneller ein)
22.2.2 Molekulare Uhr:
Homöostatischer, zirkadianer und untradianer Schlafantrieb
- Homöostatische Komponente: bleibt bestehen, auch wenn der SCN und die zirkadiane Rhythmik zerstört ist Müdigkeit wird auch von Schlaffaktoren bestimmt, die während der Wachperiode akkumuliert werden und den Schlafantrieb durch extrazelluläre Liganden (besonders Adenosin spielt hier eine Rolle) anregen, welche vom Schlaf wieder eliminiert werden
- Zirkadianer Schlaf-Wach-Trieb: von ihm unabhängig und ihn überlagernd gibt es homöostatische und untradiane Aktivitäts-Ruhe-Zyklen
- Unltradianer Rhythmus: werden unabhängig von ver. Genetischen Uhren außerhalb des SCN und unabhängig von den dort tätigen molekularen Uhren gestuert (z.B.: 90-Minuten basic-rest-activity-cycle)
22.2.2 Molekulare Uhr: Gen-Protein-Rhythmus
- Die zirkadiane Periodik: wird von molekularen Rückmeldevorgängen zwischen Proteinen und deren Genen in den Rhythmus-gebenden Hirnstrukturen bestimmt
- Auf- und Abbauzeiten: von Genen und Proteinen bestimmen den endogenen Rhythmus
- Ablauf in den endogenen Oszillatoren in den Zellen von SCN:
a) Clock & Cycle: synthese von 2 Proteinen (Clock und Cycle)
b) Dimer: Clock und Cycle verbinden sich zu einem Dimer (Proteinpaar), welcher in den Zellkern eindringt
c) Im Zellkern: Bindet der Dimer an die DNA des per-Gens (per = „Periodik“) und an des cry-Gens (cry = Crytochrom)
d) Resultierenden Proteine: daraus resultieren Proteine PER und CRY
e) Tau: die Proteine PER und CRY diffundieren aus dem Zellkern und verbinden sich mit dem Tau-Protein und bilden einen PER/CRY/Tau-Komplex
f) PER/CRY/Tau-Komplex: hemmt die Aktivität des Clock/Cycle-Dimers und verlangsamt die Transkription der per- und cry-Gene im Laufe des Tages, wodurch wiederum auch die Produktion der PER- und CRY-Proteine verlangsamt wird, was wiederum die Transkription von per und cry stimuliert
g) Synchronisation auf Tag-Nacht-Periodik: über gulatmaterge Transmission der Fasern des retino-hypothalamischen Traktes (RHT), welche über Licht angeregt wird und welche wiederum die PER-Produktion anregt dieser Einflussfaktor wird als extrazelluläre Anteil bezeichnet
–> Der Ablauf benötig ca. 24h
s. Abb 22.6
22.2.2 Molekulare Uhr: Frühe Reaktionsgene und Morgen- und Abendtypen
- Die synchrone Entlandung der SCN-Zellen werden durch Diffusion von NO und frühen Reaktionsgene gestuert
- Morgen und Abendtypen = Personen, die früher oder sptäer am Morgen ihr Temperaturmaximum erreichen, tragen unterschiedliche Typen von Clock-Genen ob man Morgen- oder Abendtyp ist, ist genetisch bedingt
Zirkadianle Rhythmen - Arten
- Physiologische Rhythmen:
a) Körpertemperatur
b) Nahrungsaufnahme
c) Endokriner Rhythmus - Psychologische Rhythmen:
a) Schmerzempfindlichkeit
b) Reaktionszeit und Vigilanz
c) Unmittelbares Gedächtnis
22.3 Zirkadiane Rhythmus:
22.3.1 Physiologische Rhythmen:
Körpertemperatur
- Verlauf der Körpertemperatur und der Außentemperatur bestimmt das Schlaf-Wach-Verhalten:
a) Nach 18 Uhr errecht die Temperatur ein Maximum
b) In Inaktivitätsphasen sinkt die Körpertemeratur kontinuierlich
c) Einschlafen sollte nur in der abfallenden Phase der Körpertemperatur erfolgen
22.3 Zirkadiane Rhythmus:
22.3.1 Physiologische Rhythmen:
Endokrine Rhythmen
Sind für genordnete Stoffwechsel- und Immunregulation notwenidg, ihre Störung führt zu lebensbedrohlichen Folgen (z.B.: die Kortiolkurve verläuft mit der Temperaturkurve)
22.3 Zirkadiane Rhythmus:
22.3.1 Physiologische Rhythmen:
Nahrungsaufnahme und Orexin (Hypokretin)
- Der Rhythmus der Nahrungsaufnahme ist an den Schlaf-Wach-Rhythmus gekoppelt
- Wird aber stark von Lernfaktoren (Gewohnheiten) mitbestimmt
- Orexin: lateraler Hypothalamus (Hungerzentrum) aktiviert über Orexin Transmission Teile von Kortex, Basalganglien und limbischen System. Die Nahrungsaufnahme selbst führt durch Abfall der Orexinaktivität zur Müdigkeit
22.3 Zirkadiane Rhythmus:
22.3.2 Psychologische Rhythmen:
Schmerzempfindlicheit und Analgetikawirkung
Das Maximum der Schmerzempfindlichkeit liegt zwischen 0 und 4 Uhr früh. In dieser Zeit wirken sowohl Analgetika und Placebos schlechter