zirkadiane Rhythmen

Zirkadiane Rhythmen – auch circadiane Rhythmik – sind innerorganismische physiologische Rhythmen, die den Organismus auf täglich wiederkehrende Phänomene einstellen, etwa der Schlaf-Wach-Rhythmus. Zu diesen Prozessen im 24-Stunden-Rhythmus gehören z. B. die Produktion bestimmter Hormone wie des Serotonins, die Regulation der Körpertemperatur, der Kaliumausscheidung, des Blutdrucks und des Schlafs. Der Begriff wurde 1959 von Franz Halberg eingeführt.

Der wichtigste äußere Zeitgeber für den zirkadianen Rhythmus ist der Wechsel von Hell- und Dunkelperioden. Das neuronale Zentrum der zirkadianen Rhythmik, der also angeborene endogene Zeitgeber, sitzt im suprachiasmatischen Kern des Hypothalamus, der Efferenzen aus der Retina erhält, ihn also ohne Umschaltung mit Helligkeitsinformationen versorgen. Andere hypothalamische Kerne, Hypophyse, Zirbeldrüse, Septum, die aktivierenden und REM-Schlaf erzeugenden Regionen des Hirnstamms, Rückenmark und die cholinergen basalen Strukturen des Vorderhirn erhalten ebenfalls Efferenzen des suprachiasmatischen Kerns des Hypothalamus, der wiederum  über die Freisetzung von Hormonen und die rhythmische Entladung seiner Neurone anderen Strukturen den endogenen Rhythmus vorgibt. Zirkadiane Rhythmen müssen trotz des genetisch festgelegten Kerns allmählich entwickelt werden, was zu den frühen Entwicklungsaufgaben eines Säuglings gehört.

Allgemeiner Hinweis zu Rhythmen: Zahlreiche Rhythmen bestimmen das Leben des Menschen, etwa in Form der Jahreszeiten, dem Tagesverlauf, in den Frequenzen des Gehens oder Laufens, aber auch beim Herzschlag und bei der Atmung. Einige Rhythmen werden von außen gesteuert, andere intern von Neuronensystemen erzeugt und organisiert, ein Neuronencluster im Zwischenhirn etwa schwingt im Tag-Nacht-Rhythmus, spezialisierte neuronale Netzwerke im Hirnstamm und Rückenmark sind weitere zentrale Rhythmuserzeuger und lassen die Arme und Beine im Wechsel vor und zurück schwingen, und bringen so das Grundmuster des Gehens hervor, und zwar weitgehend unabhängig von der Steuerung durch die Großhirnrinde.

Ein wichtiges Netzwerk im hinteren Hirnstamm erzeugt den Rhythmus von Einatmen und Ausatmen, wobei einige Neuronen das Einatmen steuern, andere die Pause nach dem Einatmen, in der man etwa zu sprechen beginnt, und eine weitere Gruppe organisiert schließlich das Ausatmen. Dabei steuert das Gehirn nicht nur die Atmung, sondern die Atmung beeinflusst auch weitere Funktionen des Gehirns. Beim Einatmen wird nämlich nicht nur die neuronale Aktivität innerhalb der Riechareale des Gehirns erhöht, sondern gleichzeitig werden auch die Aktivitäten zweier Areale des limbischen Systems koordiniert: in der Amygdala, die an der Angstempfindung beteiligt ist, und im Hippocampus, der Erinnerungen organisiert. Dabei synchronisiert Einatmen diese Gehirnregionen, während beim Ausatmen diese Synchronisierung dagegen nachlässt. Bewusst langsam und tief zu atmen, beruhigt und hebt die Stimmung, etwa bei einer Form der Achtsamkeitsmeditation, bei welcher man die Aufmerksamkeit auf den Atem richtet, um negative Emotionen zu dämpfen.

Neuere Untersuchungen (Hoyle et al. 2017) zeigen, dass die innere Uhr im Nucleus suprachiasmaticus auch weitere Körperfunktionen steuert, wobei aber auch manche Zellen auch ihre eigene Uhr besitzen. Das gilt etwa für Fibroblasten, bei denen sich der Tag-Nacht-Wechsel in der Genaktivität spiegelt. Fibroblasten sind dabei für die Wundheilung bedeutsam, denn bei einer Verletzung sammeln sich die Zellen in der Wunde und bilden den Ausgangspunkt für die neu wachsende Haut. Dabei wirkt sich der Tag-Nacht-Rhythmus auf die Heilung aus, sodass sich am Tag doppelt so viele Fibroblasten in einer neuen Wunde sammeln als in der Nacht. Nachgewiesen wurde das im Experiment an Mäusen, aber auch eine Auswertung von Daten bei Brandverletzungen zeigte, dass nächtliche Verbrennungen im Durchschnitt um elf Tage länger brauchen, um vollständig zu heilen, wobei die Heilung tagsüber um etwa sechzig Prozent schneller erfolgt.

Literatur

Halberg, F. & Stephens, A. N.  (1959). Susceptibility to ouabain and physiologic circadian periodicity. Proc. Minn. Acad. Sci., 27, 139–143.
Hoyle, Nathaniel P., Seinkmane, Estere, Putker, Marrit, Feeney, Kevin A., Krogager, Toke P., Chesham, Johanna E., Bray, Liam K., Thomas, Justyn M., Dunn, Ken, Blaikley, John & O’Neill, John S. (2017). Circadian actin dynamics drive rhythmic fibroblast mobilization during wound healing. Science Translational Medicine, doi: 10.1126/scitranslmed.aal2774.



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