Fische haben komplexe Schlafarchitektur

Erstmals haben Forschende verschiedene Ruhephasen bei Fischen über den gesamten zirkadianen Zyklus hinweg beobachtet. Mithilfe eines Tracking-Mikroskops konnten sie dabei vier Schlafarten identifizieren – drei mit und eine ohne Augenbewegungen.

Menschen und andere Säugetiere durchlaufen verschiedene, klar unterscheidbare Schlafphasen. Eine davon ist leicht an den schnellen Augenbewegungen hinter geschlossenen Lidern zu erkennen, die ihr ihren Namen geben: REM-Schlaf (Rapid Eye Movement). In diesem Zustand erleben wir unsere lebhaftesten und intensivsten Träume.

Ob auch andere Tiere als Säugetiere ähnliche Schlafphasen haben, insbesondere einen durch Augenbewegungen gekennzeichneten Schlaf, wird in der Forschung seit Langem diskutiert. Forschende am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen haben nun erstmals eine komplexe Schlafarchitektur bei Fischen nachgewiesen.

Bereits bekannt war, dass die meisten Knochenfische, darunter auch der Modellorganismus Zebrabärbling (Danio rerio), mehrminütige inaktive Phasen durchlaufen. In diesen reagieren sie weniger auf Reize. Die neue Studie, die nun in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen ist, zeigt, dass sich diese Ruhephasen voneinander unterscheiden. So identifizierten die Wissenschaftler drei Schlafarten mit jeweils charakteristischen Augenbewegungen sowie eine vierte Art ohne jegliche Augenbewegungen.

Schlaftracking bei frei schwimmenden Fischen

Frühere Studien hatten gelegentliche Augenbewegungen bei Fischen während kurzer Ruhephasen bemerkt. Bislang jedoch fehlte eine systematische Untersuchung dieser während des natürlichen, unbeeinflussten Schlafs.

„Ich war verblüfft, als ich zum ersten Mal sah, wie sich die Augen der Fische auf so charakteristische Weise bewegten“, sagt Vikash Choudhary. Zusammen mit Charles Heller ist Choudhary Erstautor der Studie. Der Erfolg ist einem neuen experimentellen Aufbau zu verdanken, erklärt er.

„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.“

Dies wurde durch ein spezielles Tracking-Mikroskop ermöglicht, das die Larven von Zebrafischen verfolgt, während sie sich ungehindert bewegen. Da die Gehirne von Zebrafischlarven transparent sind, kann das Mikroskop zusätzlich die gesamte Gehirnaktivität in Echtzeit erfassen.

Mittels dieser Methodenkombination stellt das Team fest, dass jeder Ruhezustand einem eigenen Tagesrhythmus folgt. Schlaf ohne sichtbare Augenaktivität tritt überwiegend in der Nacht auf. Von den drei Ruhezuständen mit Augenbewegung (quiescence with eye movement, abgekürzt QEM) kommt einer hauptsächlich nachts vor, während ein anderer in den frühen Morgenstunden gehäuft zu beobachten ist. Bemerkenswerterweise tritt QEM-1, der häufigste der QEM-Zustände, fast ausschließlich tagsüber auf. Dies ist umso überraschender, als Fische in QEM-1 nur schwer zu wecken sind. Dies macht sie zu einer leichten Beute für Fressfeinde.

Artenübergreifende Schlafarchitektur

Während dieses Tagschlafs ist die Gehirnaktivität großflächig reduziert, wie das Team weiter beobachtete. Zusammen mit anderen typischen Schlafmerkmalen in Verhalten und neuronaler Aktivität bestätigt dies, dass QEM-1 tatsächlich ein Schlafzustand ist. Am ehesten ist er vergleichbar mit einem Nickerchen.

Zudem folgt Gehirnaktivität festgelegten Mustern, anhand derer man vorhersagen kann, wie lange ein Fisch bereits geschlafen hatte und wann er aufwachen wird. Zusätzliche Experimente unter verschiedenen Lichtbedingungen zeigten, dass die Schlafarchitektur durch das Zusammenspiel der inneren biologischen Uhr und der Lichteinwirkung gesteuert wird. Bemerkenswerterweise konnten alle vier Schlafzustände und ihre Architektur auch bei zwei verwandten Danio-Arten beobachtet werden. Dies deutet darauf hin, dass diese Schlafarchitektur evolutionär schon recht früh entstanden sein könnte.

Die Ergebnisse werfen zahlreiche weitere Fragen auf. Beispielsweise ist unklar, ob die Augenbewegungen eine Funktion erfüllen oder lediglich ein Nebenprodukt neuronaler Aktivität sind. „Uns interessiert nun besonders, welche Rollen die verschiedenen Schlafphasen spielen”, sagt Jennifer M. Li, die gemeinsam mit Drew Robson das Labor leitet, in dem die Studie durchgeführt wurde.

„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 Wissenschaftler untersuchen nun die neuronale Aktivität während des Nachtschlafs genauer, um die Mechanismen und Funktionen der unterschiedlichen Schlafphasen besser zu verstehen.