Lange Zeit hat die Schlafforschung die Großhirnrinde als passiven Mitläufer betrachtet, der auf Signale aus dem tiefen Gehirn reagiert. „Normalerweise wird Schlaf mit der Steuerung durch subkortikale Regionen assoziiert“, sagte Geoffrey Terral, Neurowissenschaftler am Albert Einstein College of Medicine in New York. Die Großhirnrinde ist der Ort, an dem die langsamen Rhythmen des Tiefschlafs zu beobachten sind, aber Forscher gingen davon aus, dass die Signale, die sie auslösen, von anderswo stammten. In einer kürzlich in Nature veröffentlichten Studie berichten Terral und Renata Batista-Brito, die das Labor leitet, über eine Population von kortikalen Zellen, die diese Annahme in Frage stellt. Diese kortikalen Zellen machen nur etwa ein Prozent der inhibitorischen Neuronen der Hirnrinde aus, und das Einschalten bei einer Maus versetzt das Tier in den Schlaf.

„Unsere Arbeit zeigt, dass die Hirnrinde diesen Rhythmus nicht nur sehen, sondern auch selbst initiieren kann, und das reicht aus, um den Schlaf zu fördern“, sagte Terral.

Die Zellen werden als Sst-Chodl-Neuronen bezeichnet, benannt nach zwei Genen, die in ihnen aktiv sind. Langstrecken-Inhibitorische Neuronen, die durch die Aktivität dieser Gene gekennzeichnet sind, sind aufgrund von Studien an Affen seit einiger Zeit bekannt, aber Forscher konnten nicht herausfinden, wie sie mit diesen Genen manipuliert werden können. Das Anzielen auf eines dieser Gene erfasst eine riesige, heterogene Familie verschiedener Neuronen. „Ein einzelnes Gene ist nicht in der Lage, diese Zellen gezielt anzusteuern“, sagte Batista-Brito.

Inhibitorische Neuronen machen etwa ein Fünftel aller kortikalen Neuronen aus, sodass Sst-Chodl-Zellen grob geschätzt ein Neuron von tausend in der Hirnrinde ausmachen. „Wenn man nicht wirklich spezifisch ist, werden die Kontaminationen viel dominanter sein als die spezifischen Zellen“, sagte Batista-Brito. Die Entwicklung einer Strategie, die eine Zelle nur dann markiert, wenn beide Gene aktiv sind, kostete ihr Team Jahre.

„Die Verfolgung dieser Zellen war wirklich ein risikoreiches Projekt, da die Wahrscheinlichkeit, mit 0,1 Prozent der Neuronen in der Hirnrinde etwas zu sehen, wirklich gering ist“, sagte Batista-Brito. „Ich habe eine Reihe von Förderanträgen für diese Projekte geschrieben, die immer abgelehnt wurden, weil es zu risikoreich war.“

Ihr erster Blick auf die Anatomie der Sst-Chodl-Neuronen bewies, dass das Risiko sich gelohnt hatte. „Zuerst sah ich zwei oder drei Zellkörper im gesamten Gehirn“, sagte Batista-Brito gegenüber Ars. „Trotzdem gab es eine massive, massive Verzweigung im gesamten visuellen Kortex, wie ich sie noch nie bei einem anderen Neuron gesehen hatte.“

Diese „massive Verzweigung“ ist eine baumartige Struktur, die Neuronen mit anderen Teilen des Gehirns verbindet und sie zu einem Teil eines breiteren Kommunikationsnetzwerks macht. Dies war auch sehr ungewöhnlich, da inhibitorische Neuronen fast immer lokal sind. Sie erhalten Inputs von verschiedenen, manchmal entfernten Regionen im Gehirn und üben die Kontrolle über ihre unmittelbare Umgebung — ihren eigenen kleinen Bereich — aus.

„Sst-Chodl-Neuronen sind irgendwie das Gegenteil“, sagte Batista-Brito. „Sie erhalten Inputs, die recht präzise sind, und strahlen diese Information dann überall hin aus.“

Eine einzige Sst-Chodl-Zelle verzweigt sich auf den gesamten visuellen Kortex und sendet dann Axone an die Gehirnbereiche, die für Berührung, Hören, räumliches Gedächtnis, Navigation und willkürliche Bewegungen verantwortlich sind.

Um zu sehen, wann die Zellen feuern, bildete das Team sie ab und verfolgte gleichzeitig die Pupillengröße der Mäuse, den Muskeltonus, die Gesichtsbewegungen, das Laufen und die elektrische Aktivität der Hirnrinde. Fünfundneunzig von 111 abgebildeten Zellen leuchteten während des Slow-Wave-Schlafs und der ruhigen, bewegungslosen Wachheit auf und verstummten während des Laufens und des REM-Schlafs.

Während des Slow-Wave-Schlafs wechselt die Hirnrinde zwischen UP-Zuständen mit starkem Feuern und DOWN-Zuständen mit nahezu völliger Stille; die Sst-Chodl-Neuronen durchbrachen dieses Muster. „Ihre Aktivität ist am Ende des UP-Zustands sogar noch höher“, sagte Terral. „Sobald alle anderen Neuronen beginnen, ihre Aktivität zu verringern, beginnen diese Neuronen, sie noch weiter zu erhöhen.“

Sie überspringen auch den Rebound, den andere Zellen beim Verlassen eines DOWN-Zustands zeigen. „Diese Zellen verhalten sich völlig anders als alle anderen Zellen, die wir um diesen Übergang herum messen können“, sagte Terral.

Um wirklich zu verstehen, was sie tun, brachte das Team die Sst-Chodl-Neuronen durch Optogenetik auf Befehl zum Feuern, was das Einbringen des Gens für einen lichtaktivierten Ionenkanal beinhaltet, der die Nervenzellen zum Feuern stimulieren kann.

Die optogenetische Stimulation der Sst-Chodl-Zellen im visuellen Kortex trieb die Deltaleistung — die langsamsten, amplitudenreichsten Gehirnwellen, die während des tiefen, erholsamen Schlafs gemessen werden — über jede Schicht hinweg an. Sie straffte auch das Spike-Timing und machte DOWN-Zustände häufiger und länger. Aber die Gesamtfeuerrate veränderte sich kaum.

„Diese Zellen verändern nicht so sehr die Feuerrate“, sagte Terral. „Sie verändern nur die Koordination — ob die Neuronen zusammen feuern oder nicht.“

Normalerweise treibt das Antreiben einer Population mit einer bestimmten Frequenz das Netzwerk auf dieser Frequenz an. Hier spielte das keine Rolle. „Wenn wir einen flachen Stimulus machten, oder Delta, oder 20 Hertz, oder 60 Hertz, induzierte man immer noch dieselbe Art von Oszillation“, sagte Batista-Brito. „Es gibt etwas an den intrinsischen Eigenschaften dieser Zellen, dass sie, sobald sie auslösen, auf diese eine Frequenz übergehen.“

Sie betonte, dass wir derzeit nicht wissen, wie sie das tun.

Die Reichweite dieser Neuronen erwies sich ebenfalls als ungewöhnlich groß. „Ihre Zellkörper befanden sich im visuellen Kortex, aber sie konnten die Aktivität der meisten Neuronen regulieren, die wir aufzeichneten“, sagte Terral.

Direkte inhibitorische Ströme traten in einem Drittel der Zellen in zwei Millimeter Entfernung auf, und die Stimulation des visuellen Kortex hatte messbare Wirkungen bis hin zu frontalen motorischen Bereichen.

Im letzten Schritt konzentrierte sich das Team auf Verhaltensexperimente. Sie überprüften, ob die Stimulation der Sst-Chodl-Neuronen die Mäuse zum Schlafen bringen würde. Das tat sie.

Die Aktivierung der Zellen im gesamten Kortex frei herumlaufender Mäuse erhöhte den Slow-Wave- und REM-Schlaf, verkürzte die Einschlafzeit und brachte die Tiere tagsüber in ihre Nester.

Dann versuchte das Team es während der Dunkelphase, wenn nachtaktive Mäuse hauptsächlich wach sind. „Wir konnten sie zu der Zeit mehr schlafen lassen, in der sie wach sind, als sie normalerweise tagsüber schlafen“, sagte Batista-Brito.

„Ich hätte nie gedacht, dass dieses Experiment funktionieren würde. Wir manipulieren ein Prozent der inhibitorischen Neuronen mit lokalen Injektionen, sodass wir nur einen Bruchteil dieser Zellen treffen. Und wir konnten einen Effekt sehen, der wirklich erstaunlich war.“

Dieser Effekt, so argumentiert Batista-Brito, weist darauf hin, dass diese Neuronen die Sensoren des Schlafbedürfnisses des Kortex sein könnten, was erstmals von Thomas Kilduff, dem Direktor des Center for Neuroscience von SRI International und Co-Autor der Studie, vorgeschlagen wurde.

Schlaf, erklärt Batista-Brito, gibt es in zwei Varianten: die zirkadiane Art, die dem Licht folgt, und den homöostatischen Schlaf, die angesammelte Müdigkeit, die uns schließlich schlafen lässt, ob wir wollen oder nicht. Kilduff, so Batista-Brito, habe gezeigt, dass dies nach Schlafentzug die aktivsten Zellen im Kortex sind.

Eine Frage, auf die Batista-Brito und ihre Kollegen jedoch immer noch keine Antwort haben, ist, was diese Zellen aktiviert. Was legt den Schalter um?

„Ein Vorbehalt unserer Arbeit ist, dass sie im visuellen Kortex durchgeführt wurde“, sagte Batista-Brito. Die Erkenntnisse über die koordinierende Rolle der Sst-Chodl-Neuronen, so behauptet das Team, sollten auf verschiedene Gehirnregionen verallgemeinbar sein, aber die tatsächliche Verdrahtung möglicherweise nicht.

Batista-Britos Labor wiederholt nun den anatomischen Teil ihrer Arbeit im präfrontalen Kortex. Ihre Vorhersage ist, dass wir dort Inputs aus anderen Bereichen wie dem Hypothalamus und dem Thalamus sehen werden, und das wird das Netzwerk speziell für den Schlaf auslösen.

Die Zellen sind von Molchen bis zum Menschen konserviert, weshalb das Arbeitspapier argumentiert, dass sie ein Einstiegspunkt in die Schlafstörungen sein könnten, die sich durch so viele psychiatrische Erkrankungen ziehen.

Das Team konzentriert sich nun auf drei verbleibende Fragen: Was diese Zellen aktiviert, ob sie das Schlafbedürfnis tatsächlich wahrnehmen und warum sie die Deltaleistung antreiben.

Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10876-y