Licht taktet die innere Uhr

Jeder Mensch tickt anders. Dennoch ist er an Tag und Nacht gebunden. Die „Master Clock“ dirigiert die inneren Uhren und synchronisiert sie mit ihrer Umwelt. Taktgeber ist das Licht.

Eltern kennen das Phänomen: Nach dem abendlichen Zähneputzen im Badezimmer sind die eigentlich müden Kinder wieder hellwach. Die Ursache für die plötzliche Munterkeit kann in den oft hohen Blauanteilen im Licht der Badezimmer-Beleuchtung liegen – und in einer kleinen Gruppe von lichtempfindlichen Sinneszellen im Auge, die der inneren Uhr deutliche Signale geben.

Der dritte Lichtrezeptor im Auge

Lange war unklar, wie Menschen diese Lichtreize aufnehmen. Bis dahin waren nur zwei Sorten von Rezeptoren bekannt: Zapfen für das Farbsehen und Stäbchen für das Dämmerungssehen. 2002 identifizierten Wissenschaftler dann einen dritten Fotorezeptor in der Netzhaut (= Retina) des Auges. Diese speziellen Ganglienzellen sind lichtempfindlich, dienen aber nicht dem Sehen. Sie registrieren ausschließlich die Helligkeit in der Umgebung und regulieren bei Lichteinfall biologische Prozesse im Körper – wie den Pupillenreflex oder eben die innere Uhren.

Nur etwa ein bis drei Prozent der Ganglienzellen sind nicht-visuelle Fotorezeptoren. Forscher entdeckten in diesem Zellentypus das lichtempfindliche Protein Melanopsin – ein Farbpigment, das z. B. auch dafür verantwortlich ist, dass Frösche ihre Hautfarbe der Umgebung anpassen können.

Blaues Licht wirkt

In Versuchen veränderten sich lichtunempfindliche Zellen von Mäusen zu lichtsensitiven, nachdem sie mit menschlichem Melanopsin geimpft wurden. Am empfindlichsten reagierten sie auf das blaue Licht des sichtbaren Spektrums.

Beim Menschen haben Wissenschaftler den neuen Fotorezeptor daraufhin zunächst indirekt nachgewiesen: Sie bestrahlten Testpersonen nachts für eineinhalb Stunden mit monochromatischem Licht verschiedener Wellenlängen und beobachteten die Konzentration des als Schlafhormon bekannten Melatonins in deren Blut. Ein Vergleich der Werte bei der Exposition mit unterschiedlichen Lichtfarben zeigte, dass blaues Licht mit einer Wellenlänge von etwa 490 Nanometer die Produktion von Melatonin in der Nacht unterdrückt.

2002 entdeckten Wissenschaftler spezielle Ganglienzellen auf der Netzhaut, die nicht dem Sehen dienen. Sie sind im nasalen und unteren Bereich der Netzhaut besonders empfindlich. Die Zapfen und Stäbchen sind für das Sehen verantwortlich.

Melanopsin und die „Master Clock“ im Gehirn

Stäbchen und Zapfen übertragen den optischen Reiz via Sehnerv ins Sehzentrum des Gehirns (grüner Pfad). Die Ganglienzellen des dritten Lichtrezeptors sind dagegen über den retinohypthalamischen Trakt mit dem oberen Zervikalganglion im Rückenmark und dem SCN verbunden (blauer Pfad). Über Zirbeldrüse und Hormonhaushalt synchronisiert der SCN den Körper mit der Außenwelt.

Die melanopsinhaltigen Fotorezeptoren liegen in den tiefen Schichten der Netzhaut und haben einen direkten Draht ins Gehirn: Über den retino-hypothalamischen Trakt sind sie verbunden mit

  • der sogenannten Master Clock – dem suprachiasmatischen Nucleus (SCN)des Hypothalamus, der hinter der Nasenwurzel sitzt, und einem Dirigenten gleich präzise die vielen inneren Uhren des Körpers koordiniert – sowie mit
  • der hormonproduzierenden Epiphyse (Zirbeldrüse) und
  • dem Hypothalamus, dem wohl wichtigsten Steuerzentrum des vegetativen Nervensystems.

Der SCN besteht aus zwei reiskorngroßen Gehirnkernen, die direkt über der Kreuzung der beiden Sehnerven sitzen. Sie bestehen jeweils aus einigen tausend Nervenzellen, deren Rhythmen durch das Tageslicht täglich aufs Neue getaktet werden. Von hier aus nehmen auch die Botenstoffe ihren Lauf, die den Stoffwechsel an die Tageszeiten anpassen: So werden Enzyme aktiviert oder gehemmt, Hormone produziert oder blockiert.

Die Melanopsin-Rezeptoren sind zwar gleichmäßig über die Netzhaut verteilt, reagieren besonders sensibel aber im unteren und nasalen Bereich der Retina. Sie versorgen den SCN mit Informationen über Lichtreize und sind z. B. verantwortlich dafür, dass die Bildung des sogenannten „Schlafhormons” Melatonin gebremst wird. Dabei spielt das Melanopsin eine wesentliche Rolle: Es reagiert besonders empfindlich auf blaues Licht – und verhindert damit zuverlässig, dass am Tag Melatonin ausgeschüttet wird.

Hormone: Botenstoffe der inneren Uhr

Cortisol und Melanopin wirken antizyklisch: Morgens produziert der Körper Cortisol. Gegen 9 Uhr ist es im Blut maximal konzentriert, fällt über den Tag dann kontinuierlich ab. Die Melatoninproduktion setzt erst am Abend wieder ein. Um 3 Uhr nachts ist der Melatoninspiegel am höchsten.

Verdauung, Stimmung oder Schlaf: Der Mensch ist von komplizierten biochemischen Prozessen bestimmt. Botenstoffe der inneren Uhr und damit treibende Kraft hinter dem Schlaf-Wach-Rhythmus des Menschen sind Hormone. Vor allem Melatonin und Cortisol spielen hier eine wichtige Rolle, denn sie wirken im Körper entgegengesetzt. Auch der „Stimmungsaufheller“ Serotonin ist für diesen Prozess wichtig.

  • Melatonin – Abends produziert die Epiphyse Melatonin. Es macht müde und entschleunigt die Körperfunktionen zugunsten der verdienten Nachtruhe. Viele Stoffwechselvorgänge werden zurückgefahren. Die Körpertemperatur sinkt, der Organismus läuft auf Sparflamme. In dieser Phase schüttet der Körper Wachstumshormone aus, die nachts die Zellen reparieren. Gegen Morgen sinkt der Melatonin-Spiegel im Blut wieder. Das erste Sonnenlicht unterstützt den genetisch festgelegten Rhythmus, indem es die Produktion dieses Hormons zusätzlich hemmt.
  • Cortisol – ein „Stresshormon“ – wird ab drei Uhr morgens in der Nebennierenrinde produziert. Es regt den Stoffwechsel an und programmiert den Körper auf Tagesbetrieb. Gleichzeitig sorgt die Hypophyse (Hirnanhangdrüse) dafür, dass der Körper verstärkt Serotonin ausschüttet.
  • Serotonin – wirkt stimmungsaufhellend und motivierend. Während der Cortisolspiegel im Blut über den Tag abfällt und sich dabei antizyklisch zum Melatoninspiegel verhält, verhilft das Serotonin dem Menschen zu mehreren Leistungshochs. Bei einbrechender Dunkelheit schaltet die innere Uhr wieder auf Nachtbetrieb.

Eine melanopische Beleuchtung unterstützt die Gesundheit

Der Hormonhaushalt funktioniert indes nur dann reibungslos, wenn er durch äußere Reize unterstützt wird. Dafür braucht er das richtige Licht. So sorgt Licht mit hohen Blauanteilen am Morgen dafür, dass die Produktion von Melatonin wirkungsvoll unterdrückt wird und Cortisol seine Wirkung entfalten kann. Der Menschen ist munter und motiviert.

Umgekehrt gilt aber auch: Erhält der Körper tagsüber zu wenig Licht oder hat die künstliche Beleuchtung am späten Abend zu hohe Blauanteile, wird auch der Melatoninspiegel niedrig ausfallen. Die Folgen: Der Mensch schläft schlecht, fühlt sich unausgeruht, ist tagsüber müde und antriebslos. Mit Beginn der dunkleren Wintermonate kann sich dieser Prozess verstärken. Einige Menschen entwickeln in dieser Zeit eine saisonal abhängige Depression (SAD). Ihre innere Uhr gerät aus dem Takt, weil das hormonelle Gleichgewicht im Gehirn gestört ist.

In Innenräumen kann eine melanopische Beleuchtung mit nicht-visuellen Effekten die Wirkung von natürlichem Tageslicht unterstützen. Sie trägt gerade in der modernen Rund-um-die-Uhr-Gesellschaft nachhaltig dazu bei, den circadianen Rhythmus des Menschen zu stabilisieren.

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