Fische verfügen offenbar über eine deutlich komplexere Schlafarchitektur als bislang angenommen. Forschende des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik in Tübingen konnten erstmals verschiedene Schlafzustände bei Zebrafischen systematisch über den gesamten zirkadianen Zyklus hinweg beschreiben.
Vier unterscheidbare Schlafzustände
Bekannt war bereits, dass viele Knochenfische, darunter der Zebrabärbling (Danio rerio), regelmäßig inaktive Phasen durchlaufen. Die aktuelle Studie zeigt nun, dass sich diese Ruhephasen klar unterscheiden lassen. Insgesamt identifizierten die Wissenschaftler*innen vier Schlafarten: drei mit charakteristischen Augenbewegungen sowie eine weitere ohne sichtbare Augenaktivität.
Neues Tracking-Verfahren ermöglicht detaillierte Einblicke
Möglich wurde die Analyse durch ein neu entwickeltes Tracking-Mikroskop, das frei schwimmende Zebrafischlarven kontinuierlich beobachtet und gleichzeitig Augen-, Körper- und Gehirnaktivität erfasst.
„Ich war verblüfft, als ich zum ersten Mal sah, wie sich die Augen der Fische auf so charakteristische Weise bewegten“, sagt Vikash Choudhary, Erstautor der Studie.
Ein besonderer Vorteil des Ansatzes liegt in der Langzeitaufzeichnung: „Besonders an unserem Ansatz, ist, dass wir als erste gleichzeitig Augen- und Körperbewegungen über einen vollen 24-Stunden-Zeitraum bei frei schwimmenden Fischen aufgezeichnet haben.“
Da die Gehirne der Larven transparent sind, konnte zudem die neuronale Aktivität in Echtzeit verfolgt werden.
Schlaf folgt tageszeitlichen Mustern
Die Analyse ergab, dass die verschiedenen Ruhephasen jeweils spezifischen Tagesrhythmen folgen. Schlaf ohne Augenbewegungen tritt überwiegend nachts auf. Drei weitere Zustände mit Augenbewegungen verteilen sich unterschiedlich über den Tag:
- Ein Zustand vor allem nachts
- Ein weiterer in den frühen Morgenstunden
- Der häufigste Zustand (QEM 1) nahezu ausschließlich tagsüber
Auffällig ist, dass Fische in diesem tagsüber auftretenden Zustand besonders schwer zu wecken sind, obwohl sie dadurch potenziell stärker gefährdet sind.
Hinweise auf funktionelle Unterschiede
Während des tagsüber dominierenden Schlafzustands ist die Gehirnaktivität großflächig reduziert. Zusammen mit weiteren Verhaltens- und Aktivitätsmustern sprechen die Daten dafür, dass es sich tatsächlich um einen echten Schlafzustand handelt, der funktionell einem kurzen Nickerchen ähnelt.
Darüber hinaus folgen auch die neuronalen Muster klaren Gesetzmäßigkeiten, sodass sich daraus Rückschlüsse auf Schlafdauer und bevorstehendes Aufwachen ziehen lassen.
Evolutionär konservierte Schlafarchitektur
Die untersuchten Schlafzustände konnten nicht nur beim Zebrafisch, sondern auch bei zwei verwandten Danio-Arten nachgewiesen werden. Dies deutet darauf hin, dass diese Form der Schlaforganisation evolutionär früh entstanden ist.
Zusätzliche Experimente zeigen zudem, dass die Schlafarchitektur durch das Zusammenspiel von innerer Uhr und Licht beeinflusst wird.
Offene Fragen zur Funktion der Schlafphasen
Welche Rolle die einzelnen Schlafphasen im Detail spielen, ist bislang noch ungeklärt.
„Uns interessiert nun besonders, welche Rollen die verschiedenen Schlafphasen spielen”, sagt Jennifer M. Li. „Schlaf ist für viele Prozesse wichtig, von der Reaktivierung von Erinnerungen bis zur Entsorgung von Abfallprodukten, aber wir verstehen noch nicht vollständig das Warum und den zeitlichen Ablauf. Zebrafische mit ihren transparenten Gehirnen bieten uns ausgezeichnete Möglichkeiten, dies zu erforschen.”
Die weitere Forschung soll sich insbesondere auf die neuronalen Mechanismen und Funktionen der einzelnen Schlafzustände konzentrieren.
