Melatonin scheint den Schlaf zu fördern, indem es die Sehempfindlichkeit verringert, wie eine Zebrafischstudie zeigt

Melatonin ist ein natürlich produziertes Molekül, von dem seit langem vermutet wird, dass es eine Rolle für einen gesunden Schlaf spielt. Es ist jedoch unklar, wie dies geschieht. Jetzt haben Caltech-Forscher mithilfe von Zebrafischmodellen im Labor einen Mechanismus entdeckt, durch den Melatonin den Schlaf fördert. Die Forschung wurde im Labor des Biologieprofessors David Prober durchgeführt und ist in einem Artikel beschrieben veröffentlicht In Aktuelle Biologie.

Schlaf ist ein lebenswichtiger und evolutionär alter Verhaltenszustand, dennoch gibt es noch viele offene wissenschaftliche Fragen darüber, wie der Schlaf vom Körper reguliert wird, und es gibt nur wenige wirksame Therapien für Schlafstörungen.

Um die Mechanismen zu verstehen, durch die der Schlaf reguliert wird, verwendet das Prober-Labor ein ungewöhnliches Labortier: den Zebrafisch. Die Verwendung von Zebrafischen als Schlafmodell bietet mehrere Vorteile, unter anderem, dass ihr Gehirn einfacher als unseres, aber dennoch ähnlich ist. Sie folgen auch einem tageszeitlichen Schlafmuster – das heißt, sie schlafen nachts und sind tagsüber wach, ähnlich wie Menschen, im Gegensatz zu nachtaktiven Labortieren wie Mäusen.

Der circadiane Uhr ist ein molekularer Mechanismus, der im 24-Stunden-Rhythmus oszilliert und viele verschiedene Aspekte der Physiologie und des Verhaltens durch Genexpression, Hormonsynthese und mehrere andere Ausgänge reguliert – darunter auch die Melatoninproduktion.

Im Jahr 2015 entdeckte Probers Team, dass Zebrafische, denen die Fähigkeit fehlt, Melatonin zu produzieren normale zirkadiane Rhythmen Es fehlt ihnen jedoch die zirkadiane Regulierung des Schlafs, was zeigt, dass Melatonin zirkadiane Rhythmusinformationen an Mechanismen weiterleitet, die den Schlaf regulieren. Mit anderen Worten: Durch die Eliminierung von Melatonin wird der Einfluss der zirkadianen Uhr auf den Schlaf aufgehoben, es hat jedoch keinen Einfluss auf die zirkadiane Uhr selbst, so dass ein Mangel an Melatonin keine Auswirkungen auf andere Aspekte der Physiologie und des Verhaltens hat, die von der zirkadianen Uhr reguliert werden.

Melatonin spielt eindeutig eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Schlafes, aber die Frage blieb: Wie funktioniert es?

Unter der Leitung des ehemaligen Doktoranden Andrew Hill (Ph.D. ’24) entdeckte das Team, dass Melatonin den Schlaf fördert, indem es an bestimmte Rezeptoren namens MT1 bindet, die sich auf der Oberfläche einiger Gehirnzellen befinden. Durch sorgfältige genetische Experimente zeigte Hill, dass mutierte Zebrafische, denen MT1-Rezeptoren fehlten, auch über keine zirkadiane Regulierung des Schlafes verfügten, ähnlich wie Fische, denen Melatonin fehlt. Anschließend wollte Hill herausfinden, welche Nervenzellen über MT1-Rezeptoren verfügen, und ihre Funktionen im Gehirn verstehen.

Hill fand heraus, dass MT1-Rezeptoren vor allem in einer Gehirnregion, dem Optic tectum, zu finden sind, die eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung sensorischer Informationen, insbesondere visueller Reize, spielt. Das Team stellte dann die Hypothese auf, dass Melatonin den Schlaf fördert, indem es die Aktivität dieser Neuronen reduziert, was zu einer verringerten Verhaltensreaktion auf visuelle Reize führt.

Um diese Idee zu testen, analysierte Hill Gruppen von Zebrafischen tagsüber, wenn sie wach waren. Als das Licht im Labor kurzzeitig gedimmt wurde – was den Schatten eines über ihm vorbeiziehenden Raubtiers simulierte – reagierte der Fisch mit schnellen Bewegungen. Allerdings reagierten die Fische nach der Behandlung mit Melatonin viel weniger auf die plötzliche Lichtabschwächung, selbst wenn sie wach waren.

Hill testete Fische auch als Reaktion auf flackerndes Licht in der Nacht, das Fische normalerweise ignorieren. Er fand heraus, dass mutierte Zebrafische, die kein Melatonin produzieren, auf das flackernde Licht in der Nacht mit der gleichen schnellen Bewegung reagierten, als ob es Tag wäre und sie wach wären. Das legen diese Experimente nahe Melatonin Es schläft die Tiere nicht einfach ein, sondern unterdrückt direkt Verhaltensreaktionen auf visuelle Reize.

"Eines der Kennzeichen des Schlafs ist eine verminderte Reaktion auf Umweltreize." sagt Prober. "Unsere Erkenntnisse decken sich mit den Erfahrungen vieler Menschen, die Melatonin als Schlafmittel einnehmen. Im Gegensatz zu vielen häufig verschriebenen Schlafmitteln löst Melatonin keinen unwiderstehlichen Schlafdrang aus. Vielmehr macht Melatonin empfänglicher für das Einschlafen, und unsere Arbeit legt nahe, dass dies zumindest teilweise dadurch geschieht, dass die Empfindlichkeit gegenüber weckenden Reizen aus der Umgebung verringert wird."

Als nächstes möchte das Team herausfinden, ob Melatonin Zebrafische daran hindert, auf andere Arten von Sinnesreizen wie Geräuschen und Berührungen zu reagieren.