Weißt du noch, wie du als Kind mit deinem Onkel gewettet hast, dass du nicht gleichzeitig laufen und Kaugummi kauen kannst? Es mag dir wie eine lächerliche Wette vorgekommen sein, aber als du die Wette gewonnen hast, hast du bewiesen, dass du ein bemerkenswert anspruchsvolles Tier bist.
Das Gehen oder Kauen zeigt, dass das Gehirn aktiv ist, um einen Rhythmus zu erzeugen. Tiere können Rhythmen auf einer Vielzahl von Zeitskalen erzeugen, von Sekunden (Herzschlag, Atmung) über Tage (Schlaf) bis zu Monaten (Menstruationszyklus) und noch länger (Winterschlaf). Alle diese Rhythmen werden durch eingebaute Mechanismen erzeugt und auf der Grundlage von externen Ereignissen oder Befehlen angepasst.
Deine Fähigkeit, Rhythmen gleichzeitig zu erzeugen, zeigt, dass dein Gehirn in der Lage ist, mehrere Muster gleichzeitig zu erzeugen, oft unabhängig voneinander. Beim Gehen gibt es eine Reihe eng aufeinander abgestimmter Abläufe, bei denen dein linkes Bein angewiesen wird, sich anzuheben, nach vorne zu gehen und dann wieder abzusenken, während sich dein Körper gleichzeitig vorwärts bewegt. Das rechte Bein folgt dicht dahinter. Alles muss reibungslos und in der richtigen Reihenfolge ablaufen. Diese Befehle werden hauptsächlich von einem Netzwerk von Neuronen in deinem Rückenmark erzeugt, die alle zusammen als sogenannter zentraler Mustergenerator arbeiten – zentral deshalb, weil die Befehle von hier ausgehen und an die Muskeln weitergeleitet werden. Dieser Mustergenerator kann auch allein arbeiten, denn kopflose Schaben und Hühner können zwar laufen, aber sie brauchen ihr Gehirn, um alles zu koordinieren und Hindernisse zu überwinden. Das Kauen wird von einem anderen Netzwerk von Neuronen gesteuert, die über den Hirnstamm verteilt sind und wiederholte Kieferbewegungen erzeugen. Die Netzwerke für das Laufen und das Kauen können unabhängig voneinander oder zusammen arbeiten.
Bevor wir uns allzu sehr von uns selbst beeindrucken lassen, sollten wir noch eines bedenken: Sich wiederholende Muster sind ein universelles Merkmal des Tierlebens. Wissenschaftler haben zum Beispiel das rhythmische Schwimmen von Neunaugen untersucht, seltsam aussehenden Fischen ohne Kiefer, die wie eine lange, dünne Socke mit einem Ring von Zähnen an einem Ende aussehen. Sie untersuchen auch das rhythmische Kauen von Hummern, die ein einfaches Nervensystem haben. Hummer sind auch deshalb interessant, weil zwei Kaumuster von einem Netzwerk aus nur 30 Neuronen gesteuert werden, die sich selbst und ihre Verbindungen im Laufe des Lebens anpassen.
Einige Rhythmen sind automatisch, wie z.B. dein Herzschlag und deine Atmung, aber diese Rhythmen können kontrolliert werden. Zum Beispiel kann der Rhythmus deines Herzschlags, der in deinem Herzen erzeugt wird, durch Befehle deines zentralen Nervensystems beschleunigt oder verlangsamt werden. Dein neuronales Netzwerk für die Atmung, das sich in deinem Hirnstamm befindet, kann auf eigene Faust handeln; normalerweise denkst du nicht über deine Atmung nach. Es kann aber auch unter strenger Kontrolle stehen, z.B. wenn du den Atem anhältst.
Ein besonders nützlicher Rhythmus, der bei fast allen Tieren vorkommt, ist der tägliche Schlaf-Wach-Rhythmus, der zirkadiane Rhythmus. Der zirkadiane Rhythmus hilft den Tieren, sich an die Verfügbarkeit von Licht, Wärme und Nahrung anzupassen. Der zirkadiane Rhythmus kann von selbst in einem Zyklus von etwa 24 Stunden ablaufen und kann durch richtig getimte Lichtexposition zurückgesetzt werden. Er ist mit dem täglichen Zyklus von Licht und Dunkelheit synchronisiert, den deine Augen wahrnehmen. Der zirkadiane Rhythmus reguliert eine Vielzahl von Aktivitäten, z. B. wann du schlafen musst, deine Körpertemperatur und wann du hungrig bist.
Aber auch der zirkadiane Rhythmus kann einen heutzutage aus der Bahn werfen. Fast jeder, der schon einmal eine längere Strecke mit dem Flugzeug zurückgelegt hat, kennt das Problem des Jetlags. Der Jetlag ist ein Produkt der modernen Transportmittel: Reisen zu Pferd, mit dem Hundeschlitten und sogar mit dem Auto sind so langsam, dass sich der zirkadiane Rhythmus an die Ortszeit anpassen kann. Der erste Bericht über einen Jetlag stammt aus dem Jahr 1931, als die beiden Flugpioniere Wiley Post und Harold Gatty in weniger als neun Tagen um die Welt flogen. Sie litten unter den Symptomen, die wir heute kennen: Einschlafschwierigkeiten, Schläfrigkeit, Unachtsamkeit und Verdauungsprobleme.
Jetlag entsteht, wenn dein zirkadianer Rhythmus nicht mit dem äußeren Tag-Nacht-Zyklus übereinstimmt. Das bedeutet, dass dein Gehirn schlafen will, wenn es wach sein sollte und umgekehrt. Das Gehirn hat eine Hauptuhr, die normalerweise die Rhythmen für Körpertemperatur, Hunger und Schlaf vorgibt. Bei einem Jetlag können diese Rhythmen aus dem Takt geraten, was zu Symptomen wie Hunger mitten in der Nacht führen kann.
Die Art und Weise, wie Licht den zirkadianen Rhythmus beeinflusst, kann mit einem Kind auf einer Schaukel verglichen werden. Das Kind und die Schaukel haben einen natürlichen Schaukelzyklus, aber wenn man die Schaukel schiebt, ändert sie ihre Geschwindigkeit. Wenn die Schaukel vorwärts geht, schiebst du sie an, damit sie früher anfängt; wenn sie rückwärts geht, schiebst du sie an, damit sie später anfängt. Auf diese Weise kannst du die Startzeit deines Tagesrhythmus verändern, indem du dich dem Licht aussetzt. Um deinen Tagesrhythmus zu beeinflussen, musst du dich jedoch zur richtigen Tageszeit dem Licht aussetzen.
Licht beeinflusst den zirkadianen Rhythmus, indem es die Aktivitätszyklen in einer winzigen Region im unteren Teil des Gehirns, dem suprachiasmatischen Nucleus, steuert, der als Hauptuhr fungiert. Der suprachiasmatische Nucleus empfängt Signale vom Auge und erzeugt seinen eigenen Rhythmus. In einer Kulturschale kultivierte Zellen des suprachiasmatischen Nucleus erzeugen in einem Zyklus von etwa 24 Stunden Muster steigender und fallender Aktivität. Diese Zellen sind für einen normalen Tagesrhythmus notwendig; Tiere mit einem geschädigten suprachiasmatischen Nucleus wachen und schlafen zu unregelmäßigen Zeiten.
Licht löst auch die Produktion des Hormons Melatonin aus, das von der Epiphyse (Zirbeldrüse) produziert wird, einem erbsengroßen Organ, das unten im Gehirn liegt und an den Hypothalamus grenzt. Der Melatoninspiegel steigt abends an, erreicht zu Beginn des Schlafs seinen Höhepunkt und sinkt in den frühen Morgenstunden vor dem Aufwachen wieder ab.
Die meisten Menschen haben einen Tagesrhythmus, der nicht genau 24 Stunden beträgt, aber das ist uns normalerweise nicht bewusst, weil die Sonne uns hilft, die Zeit einzuhalten. Wenn Menschen in einem Raum ohne Licht sind, driften sie unweigerlich von der Uhr ab und wachen, essen und schlafen schließlich zu Zeiten, die nicht mit dem Rest der Welt synchronisiert sind.
Blinde Menschen, die keine Möglichkeit haben, Lichtinformationen vom Auge zum Gehirn zu leiten, erleben diese Art von zirkadianer Drift ganz natürlich. Blinde Menschen haben daher oft einen gestörten Schlafrhythmus. Dies zeigt, dass körperliche Aktivität und soziale Anreize nicht ausreichen, um den menschlichen Rhythmus im Gleichgewicht zu halten. Dasselbe gilt für blinde Fische, die in Höhlen leben. Diese Tiere scheinen nie zu schlafen. Die Abhängigkeit des Tagesrhythmus vom Licht ist also universell.