Wie Schlafmangel Wachstumshormone aus dem Gleichgewicht bringen kann

US-Wissenschaftler haben die neuronalen Schaltkreise untersucht, die während des Schlafens die Ausschüttung von Wachstumshormon regulieren – und dabei einen neuen Feedback-Mechanismus entdeckt. Die präklinischen Ergebnisse könnten neue Therapiemöglichkeiten bei Schlafstörungen eröffnen.

Erholsamer Schlaf erhöht den Wachstumshormonspiegel. Das fördert den Muskel- und Knochenaufbau sowie die Fettverbrennung. Ausreichend Tiefschlaf ist deshalb für sportliche Menschen und Jugendliche während der Pubertät umso mehr von Bedeutung. Aber warum senkt Schlafmangel den Wachstumshormonspiegel?

Forschende der University of California, Berkeley (USA), sind dieser Frage nachgegangen und analysierten dafür die Gehirnschaltkreise, die die Wachstumshormonausschüttung während des Schlafens steuern. Sie fanden einen bisher unbekannten Feedback-Mechanismus im Gehirn von Mäusen, der den Wachstumshormonspiegel im Gleichgewicht hält. Die Ergebnisse der Studie wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht.

Neuronale Schaltkreise verstehen

„Dass die Wachstumshormonausschüttung eng mit dem Schlaf zusammenhängt, ist bekannt. Allerdings basieren die Erkenntnisse bisher auf Blutabnahmen und Messungen des Wachstumshormonspiegels während des Schlafs“, erklärt Erstautor Dr. Xinlu Ding, Postdoktorand am Department für Neurowissenschaften der UC Berkeley und am Helen Wills Neuroscience Institute. „Wir zeichnen hingegen direkt die neuronale Aktivität von Mäusen auf, um zu sehen, was passiert. Das liefert uns einen grundlegenden Schaltkreis, an dem wir in Zukunft arbeiten und verschiedene Behandlungsmethoden entwickeln können.“

Da das Wachstumshormon (GH) den Glukose- und Fettstoffwechsel reguliert, kann Schlafmangel das Risiko für Fettleibigkeit, Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöhen. Auch degenerative Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer stehen mit Schlafstörungen in Zusammenhang. „Das Verständnis des neuronalen Schaltkreises der Wachstumshormonausschüttung könnte letztendlich zu neuen Hormontherapien führen, die die Schlafqualität verbessern oder das normale Wachstumshormongleichgewicht wiederherstellen“, so Dr. Daniel Silverman, Postdoktorand an der UC Berkeley und Co-Autor der Studie.

Zusammenspiel von Neuronen und Hormonen

Die Forschenden im Labor von Studienleiter Prof. Yang Dan untersuchten den neuroendokrinen Kreislauf, indem sie Elektroden in das Gehirn von Mäusen einführten und nach Lichtstimulation die Aktivitätsänderungen der Neuronen im Hypothalamus maßen. Mäuse schlafen sowohl nachts als auch tagsüber für kurze Zeiträume – jeweils mehrere Minuten –, was zahlreiche Möglichkeiten bietet, Veränderungen des Wachstumshormons während des Schlaf-Wach-Rhythmus zu analysieren.

Die Untersuchungen ergaben, dass bestimmte Neuronen im Hypothalamus die Wachstumshormonausschüttung steuern: Neuronen, die das Wachstumshormon-Releasing-Hormon (GhRH) exprimieren und Neuronen, die den Gegenspieler Somatostatin (SST) exprimieren. Die STT-Neuronen des Nucleus arcuatus (ARC) unterdrücken die Ausschüttung von GH dabei über die direkte Inhibition der GhRH-Neuronen, während periventrikuläre STT-Neuronen (PeV) die GH-Ausschüttung über die Eminentia mediana im Hypophysenstiel hemmen.  

Homöostatischer Yin-Yang-Effekt

Im Vergleich zum Wachzustand ist der Wachstumshormonspiegel sowohl in der REM- als auch in der Non-REM-Phase erhöht. Mithilfe modernster Technik, dem sogenannten Circuit-Tracing, fand das Team jedoch heraus, dass GhRH und STT während der beiden Schlafphasen unterschiedlich wirken, um die GH-Ausschüttung zu erhöhen. Die REM-Phase ist von steilen Anstiegen beider Hormone gekennzeichnet, während in der Non-REM-Phase nur moderate Anstiege von GhRH und Abfälle von STT beobachtet werden konnten.

Freigesetztes GH selbst reguliert anschließend die Aktivität von Neuronen im Locus caeruleus (LC), einem Bereich des Hirnstamms, der für Erregung, Aufmerksamkeit, Kognition und Neuheitssuche verantwortlich ist. Eine Fehlregulation von LC-Neuronen wird mit zahlreichen psychiatrischen und neurologischen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass ausgeschüttetes GH während des Schlafens im LC akkumuliert und die Erregbarkeit der Neuronen steigert, was folglich die Wachsamkeit erhöht. Dieser neu entdeckte Feedback-Mechanismus fördert demnach eine Art homöostatischen Yin-Yang-Effekt.

Mögliche kognitive Auswirkungen

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schlaf und Wachstumshormon ein eng ausbalanciertes System bilden: Zu wenig Schlaf reduziert die Wachstumshormonausschüttung, und zu viel Wachstumshormon kann das Gehirn wiederum in den Wachzustand drängen“, fasst Silverman zusammen. „Schlaf treibt die Wachstumshormonausschüttung an, und Wachstumshormon reguliert umgekehrt unsere Wachheit. Dieses Gleichgewicht ist essenziell für Wachstum, Regeneration und einen gesunden Stoffwechsel.“

Da der LC die allgemeine Erregung des Gehirns im Wachzustand steuert, hat ein ausgewogenes Verhältnis von Schlaf und GH höchstwahrscheinlich einen breiteren Einfluss auf Aufmerksamkeit und Denkvermögen. „Wachstumshormone helfen nicht nur beim Muskel- und Knochenaufbau und beim Abbau von Fettgewebe, sondern können auch kognitive Vorteile haben und das allgemeine Erregungsniveau beim Aufwachen steigern“, so Ding anschließend.

Aber: Mäuse schlafen anders

Aber lassen sich diese Erkenntnisse auch auf den Menschen übertragen? Die Antwort ist unklar, denn die Studie weist einige Limitationen auf. Die bedeutendste Einschränkung ist das unterschiedliche Schlafmuster zwischen Maus und Mensch. Im Gegensatz zu Menschen zeigen Mäuse nicht nur den zuvor beschriebenen fragmentierten Schlafrhythmus, sondern sie sind auch nachtaktiv. Ob sich diese Unterschiede maßgeblich auf die Wachstumshormonausschüttung und die identifizierten Regulationsmechanismen auswirkt, müssen weitere Untersuchungen zeigen.

Außerdem führen die Autoren an, dass sich die Hormonausschüttung mit dem Alter verändert und in der Studie ausschließlich jüngere Mäuse verwendet wurden. Potenzielle Auswirkungen des Geschlechts wurden in der Studie ebenfalls nicht genauer untersucht. Jedoch betonen die Forschenden, dass auch andere Moleküle und Hormone wie beispielsweise Glukose die GH-Achse beeinflussen und deren Zusammenspiel während des Schlafens Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten sein sollte.

(mkl/BIERMANN)