Fruchtfliegenstudie enthüllt einen Thermometer-Gehirnschaltkreis, der an heißen Tagen die Mittagsruhe fördert

An den heißesten Sommertagen kann es passieren, dass Sie mitten am Tag einnicken. In manchen Teilen der Welt ist es eine kulturelle Norm, in den wärmsten Stunden des Tages „Siestas“ zu machen und Geschäfte zu schließen. Wie sich herausstellt, könnte die Biologie dahinterstecken, nicht nur die Kultur.

Die Temperatur beeinflusst die Spannweite des menschlichen Verhaltens, von Essen und Aktivität bis hin zu Schlaf-Wach-Zyklen. Wir können im Sommer schlechter schlafen und kommen an kälteren Morgen nur langsam aus dem Bett. Aber die Verbindung zwischen sensorischen Neuronen und Neuronen, die diesen Zyklus steuern, ist noch nicht vollständig verstanden.

Neurobiologen der Northwestern University haben einige Hinweise darauf gefunden, was passiert. In einer neuen Studie, die heute (17. August) in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Aktuelle Biologie, fanden Forscher heraus, dass Fruchtfliegen vorprogrammiert sind, um mitten am Tag ein Nickerchen zu machen. Als Fortsetzung ihres Artikels, der ein Gehirnthermometer identifizierte, das nur bei kaltem Wetter aktiv ist, untersucht der neue Artikel einen ähnlichen „Thermometer“-Schaltkreis für heiße Temperaturen.

„Temperaturänderungen haben einen starken Einfluss auf das Verhalten von Menschen und Tieren und bieten Tieren einen Hinweis darauf, dass es an der Zeit ist, sich an die wechselnden Jahreszeiten anzupassen“, sagte Marco Gallio, außerordentlicher Professor für Neurobiologie am Weinberg College of Arts and Sciences. „Die Auswirkung der Temperatur auf den Schlaf kann ziemlich extrem sein, wobei einige Tiere sich entscheiden, eine ganze Saison lang zu schlafen – denken Sie an einen Bären, der Winterschlaf hält –, aber die spezifischen Schaltkreise im Gehirn, die die Interaktion zwischen Temperatur und Schlafzentren vermitteln, bleiben weitgehend unerforscht.“

Gallio leitete die Studie und sagte, Fruchtfliegen seien ein besonders gutes Modell, um große Fragen wie „Warum schlafen wir?“ zu untersuchen. und „Was macht Schlaf für das Gehirn?“ weil sie nicht versuchen, den Instinkt zu stören, wie es Menschen tun, wenn wir zum Beispiel die ganze Nacht durchziehen. Sie ermöglichen es den Forschern auch, den Einfluss externer Signale wie Licht und Temperatur auf zelluläre Signalwege zu untersuchen.

Zellen, die länger eingeschaltet bleiben

Das Papier ist das erste, das Rezeptoren für „absolute Wärme“ in einem Fliegenkopf identifiziert, die auf Temperaturen über etwa 77 Grad Fahrenheit reagieren – die Lieblingstemperatur der Fliege. Wie sich herausstellt, hat die gewöhnliche Laborfruchtfliege (Drosophila) fast den gesamten Planeten besiedelt, indem sie eine enge Verbindung mit Menschen eingegangen ist. Wenig überraschend entspricht seine Lieblingstemperatur auch der vieler Menschen.

Genau wie sie aufgrund der Ergebnisse ihrer vorherigen Arbeit über kalte Temperaturen erwartet hatten, fanden die Forscher heraus, dass Gehirnneuronen, die Informationen über Hitze erhalten, Teil des umfassenderen Systems sind, das den Schlaf reguliert. Wenn der Wärmekreislauf, der parallel zum Kältekreislauf verläuft, aktiv ist, bleiben die Zielzellen, die den Mittagsschlaf fördern, länger aktiv. Dies führt zu einer Verlängerung des Mittagsschlafs, der Fliegen von der heißesten Zeit des Tages fernhält.

Die Studie wurde durch eine 10-jährige Initiative ermöglicht, die die erste vollständige Karte der neuronalen Verbindungen in einem Tier (einer Fliege), dem so genannten Connectom, erstellte. Mit dem Konnektom haben Forscher Zugang zu einem Computersystem, das ihnen alle möglichen Gehirnverbindungen für jede der etwa 100.000 Gehirnzellen der Fliege anzeigt. Doch selbst mit dieser äußerst detaillierten Roadmap müssen die Forscher noch herausfinden, wie Informationen im Gehirn von Punkt A nach B gelangen. Dieses Papier hilft, diese Lücke zu schließen.

Die unterschiedlichen Schaltkreise für heiße und kalte Temperaturen machen für Gallio Sinn, weil „heiße und kalte Temperaturen ganz unterschiedliche Auswirkungen auf die Physiologie und das Verhalten haben können“, sagte er. Diese Trennung kann auch evolutionäre Prozesse widerspiegeln, die auf Wärme- und Kältezyklen der Erde beruhen. Auf der Grundlage dieser Arbeit kann nun zum Beispiel die Möglichkeit untersucht werden, dass Gehirnzentren für den Schlaf direkt beim Menschen von einem bestimmten sensorischen Schaltkreis angesteuert werden.

Nächste Schritte

Als nächstes hofft Gallios Team, die gemeinsamen Ziele des kalten und heißen Kreislaufs herauszufinden, um herauszufinden, wie jeder den Schlaf beeinflussen kann.

„Wir haben ein Neuron identifiziert, das ein Integrationsort für die Auswirkungen heißer und kalter Temperaturen auf Schlaf und Aktivität in Drosophila sein könnte“, sagte Michael Alpert, der Erstautor der Veröffentlichung und Postdoktorand im Gallio-Labor. „Das wäre der Beginn interessanter Folgestudien.“

Gallio fügte hinzu, dass das Team daran interessiert ist, die langfristigen Auswirkungen der Temperatur auf Verhalten und Physiologie zu untersuchen, um die Auswirkungen der globalen Erwärmung zu verstehen und zu untersuchen, wie anpassungsfähig Arten sich ändern können.

„Die Leute entscheiden sich vielleicht dafür, an einem heißen Tag ein Mittagsschläfchen zu machen, und in einigen Teilen der Welt ist dies eine kulturelle Norm, aber was wählen Sie und was ist in Ihnen programmiert?“ Gallio sagte. „Natürlich ist es bei Fliegen keine Kultur, also könnte es tatsächlich einen sehr starken zugrunde liegenden biologischen Mechanismus geben, der beim Menschen übersehen wird.“