Mittels Einzelzell-Sequenzierungen an Gehirnen von ausgeruhten und schlafentzogenen Tieren fanden die Forschenden, dass in bestimmten Neuronen, den dFBNs, nach Schlafentzug fast ausschließlich Gene hochreguliert wurden, die für Proteine der Atmungskette und der ATP-Synthese kodieren. Diese Genantwort war einzigartig für diese Zellgruppe.

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Energieüberschuss als Auslöser von Schlafdruck

Nach Wachphasen zeigten die Mitochondrien in diesen Neuronen Fragmentierung, vermehrte Kontakte zum endoplasmatischen Retikulum und Anzeichen beschleunigten Abbaus – alles reversibel nach Erholungsschlaf. Entscheidend war die Beobachtung, dass während des Wachseins in den dFBNs der ATP-Spiegel anstieg, weil dieser durch Wachreize gehemmt waren und weniger Energie verbrauchten. Dadurch kam es zu einer Überfüllung der Elektronentransportkette mit NADH und Coenzym Q, was vermehrt reaktive Sauerstoffspezies entstehen ließ. Genau dieser Elektronenüberschuss erwies sich als treibende Ursache des Schlafdrucks. Wurde dieser Überschuss über die Expression einer alternativen Oxidase abgeleitet oder die Atmungskette künstlich entkoppelt, sank der Schlafdruck signifikant.

Umgekehrt löste die künstliche Erzeugung eines Protonengradienten an den Mitochondrien – unabhängig vom Elektronenfluss – Schlaf aus. Die gezielte Veränderung der Mitochondrienform beeinflusste ebenfalls den Schlaf: Fusion verlängerte ihn, Fission verkürzte ihn. Parallel änderte sich die elektrische Erregbarkeit dieser Neuronen, was ihre Rolle als zentrale Schaltstelle bestätigte.

Die Daten deuten darauf hin, dass Schlaf ein unvermeidlicher Preis für aeroben Stoffwechsel ist. Die schlafregulierenden Neuronen wirken wie ein Frühwarnsystem, das die Notwendigkeit einer Betriebspause signalisiert, sobald die zellulären Kraftwerke überlastet sind und mit den Nebenprodukten der Energiegewinnung kämpfen. Diese Form mitochondrialer Ermüdung könnte damit der lange gesuchte physiologische Mechanismus sein, der den fundamentalen Drang zu schlafen erklärt.