2.2 Der Nucleus suprachiasmaticus

Der Nucleus suprachiasmaticus (englisch: „Suprachiasmatic Nucleus“, SCN) ist der zentrale Schrittmacher der zirkadianen Periodik und wird daher auch als „Master Clock“ bezeichnet

Der SCN ist ein Kerngebiet im Hypothalamus und liegt direkt über dem Chiasma opticum (Sehnervenkreuzung) und unterhalb des III. Hirnventrikels

• Informationen über Lichtverhältnisse der Umgebung bekommt der SCN vor allem durch den Retino-hypothalamischen Trakt (RHT)

  • eine Nervenbahn, die diese Informationen aus spezialisierten Ganglienzellen – sogenannten Fotorezeptoren – in der Retina erhält

  • Diese Fotorezeptoren enthalten das Fotopigment Melanopsin und werden durch diffuses Licht aktiviert

  • Diese Information über Lichtverhältnisse wird dann durch glutamaterge Verbindungen (enthalten den Neurotransmitter Glutamat) zunächst zum RHT und dann zum SCN weitergeleitet

• Neben dem RHT erhält der SCN zudem noch weitere visuelle Informationen aus dem Nucleus geniculatum laterale des Thalamus und auch aus dem Chiasma opticum

Diese Licht-Dunkel-Informationen und damit seinen zirkadianen Rhythmus gibt der SCN durch seine vielen ausgehenden Verbindungen (Efferenzen) an andere Hirnstrukturen weiter…

Verbindungen bestehen vor allem zu…

• den hypothalamischen Kernen

• der Hypophyse

• der Zirbeldrüse

• dem Septum

• dem Hirnstamm

• zum Rückenmark

• Hervorzuheben sind vor allem die Efferenzen zu den aktivierenden und REM-Schlaf erzeugenden Arealen des Hirnstamms sowie des Vorderhirns

• Über all diese Verbindungen kann der SCN den Schlaf-Wach-Rhythmus beeinflussen und erfüllt daher sowohl anatomisch als auch neurophysiologisch alle Voraussetzungen einer „Master Clock“ – also eines zentralen Schrittmachers

• Der SCN selbst besteht aus über 15.000 Zellen

  • von denen ein Großteil – etwa 70 % – GABAerg ist

  • der Rest enthält vor allem Neuropeptide, wie z. B. Vasopressin und Oxytozin

• Durch Läsionen des SNC kommt es zu einer vollständigen Arhythmizität vieler, aber nicht aller Körper- und Verhaltensfunktionen

• Bei Läsionsstudien an Labornagern konnte beispielsweise gezeigt werden, dass zwar die Gesamtschlafdauer nicht beeinträchtigt ist, aber Wach- und Schlafphasen der Tiere ohne jeden Rhythmus stattfinden

• Eine beidseitige Läsion des SCN bei Primaten führte zu einem völligen Verlust der Aktivitätsrhythmen

  • Das schloss beispielsweise den Trinkrhythmus der Tiere ein, der gestört war, ohne dass sich die Gesamtmenge der Flüssigkeitsaufnahme reduzierte

Tumore über dem Chiasma opticum führen bei Patienten beispielsweise zu irregulärem Einschlafen und die Patienten lassen sich auch nur schwer wecken

• Interessanterweise zeigen blinde Menschen oftmals einen freilaufenden 25-Stunden-Rhythmus

• Freilaufend nennt man einen Rhythmus beim Fehlen von Zeitgebern

• Blinde Personen zeigen zudem auch gestörten oder unregelmäßigen Schlaf, weil bei ihnen die „Master Clock“ ausfällt

• Die Rhythmizität der Neurone im SCN wird von sogenannten molekularen Uhren unter Beteiligung weniger Gene gesteuert

• Dabei kommt es zur rhythmischen Transkription dieser „Uhr-Gene“

• Die Auf- und Abbauzeiten von Genen und Proteinen bestimmen dabei den endogenen Rhythmus

(Wichtigste Prozesse vereinfacht)

• Die Transkriptionsfaktoren BMAL1 und CLOCK sind die positiven Komponenten einer Rückkoppelungsschleife

• Durch die Bindung von CLOCK/BMAL1 an die DNA wird jeden Morgen die Transkription von Period-Genen (Per) und Cryptochrom-Genen (Cry) angeregt

• Dabei werden im Kern der SCN-Neuronen zunächst die mRNAs hergestellt, die dann im Zellplasma in die CRY- und PER-Proteine übersetzt werden

• Diese beiden Proteine formen einen Komplex und wandern im Laufe des Nachmittags und Abends dann wieder zurück in den Zellkern, wo sie die Funktion des BMAL1/CLOCK-Komplexes inhibieren und damit ihre eigene Transkription unterbinden

• Dadurch reduziert sich langsam die Proteinmenge von CRY und PER über die Nacht hinweg, sodass die Hemmung von CLOCK/BMAL1 beendet wird und am Morgen eine neue Runde dieses Transkriptionszyklus beginnen kann

• Dieser Wechsel von Hemmung und Aktivierung bestimmt so den 24-Stunden-Rhythmus der zirkadianen Periodik

Bei der Transkription werden die zur Proteinherstellung benötigten Informationen von der DNA in eine mRNA umgeschrieben