Zur Biochemie und Pharmakologie der Vigilanz: Die Rolle der Neurotransmitter im Rahmen der Vigilanz-Kontrolle

Summary

Biochemical, pharmacological and neurophysiological research has produced an ever increasing amount of evidence that a variety of (putative) neurotransmitter (NT) mechanisms is implicated in the gross regulation of the many waking behaviours as well as in the organization of sleep. Yet, few of these experimental findings have yielded information as to the exact - specific and detailed - role played by anyone of these „wet„ transmission systems in this whole regulatory and organizational function. Based on a new „Universal Concept of Vigilance„ (37) we were led to conclude that the actions and influences of at least some of these humoral transmission instruments are considerably better understood, if they are interpreted as being the main controlling instruments of the many local vigilances - the individual levels of responsiveness in the many behavioral systems that are responsible for the making of the many behavioral components. In this new „model„ (38) the noradrenergic, cholinergic, dopaminergic, serotonergic, and, possibly, some traceaminergic ascending (and descending) pathways constitute the Output-Component of a larger, reflex-type Vigilance-Controlling Apparatus (VCA). The NA-, Ach-, and the DA-systems are assumed to upregulate (local) vigilance by enhancing reactivity in the neuronal networks that subserve the organization of said behavioral components. In particular, NA- and Achpathways can be assumed to enhance mainly (but not exclusively) vigilance in systems of higher functions, whereas DA-fibers probably handle upregulation of reactivity (i.e. eventually vigilance) in the various motor systems. The efficacy of these various aminergic transmission systems is assumed to be further enhanced by a variety of polypeptidergic agents (e.g. TRH, Vasopressin, 4-10-ACTH, enkephalin). In turn, serotonergic pathways are involved as vigilance-reducing instruments. To explain the production of the, for the various waking activities as well as for the various phases and stages of sleep, proper and characteristic vigilance-profiles one has to assume that the activity of these output-channels is per se controlled by a coordinating central apparatus - the very „center„ - of VCA. This center is assumed to contain preprogrammed switching networks, i.e. a Wake- and a Sleep-Program; the latter being further subdivided into a SWS-and a PS-Subprogram. These Program-networks, postulated to be located in the rhomb, mes-, and diencephalic parts of the reticular system, are alternately activated and deactivated by a variety of Input-Functions. Humoral Feedback-From-the-Tissue-Factors (FFTF) - in part probably identical to some of the „hypnogenic„ polypeptides (e.g. Factor-S, DSIP) and originating in the effector-networks - carry information to the „Center„ about the momentary state and the „recent history„ (intensity and type of activity, lack of sleep) of these networks. These humoral inputs, in cooperation with the input from a circadian clock, are liable to activate the S-Program and, thus, to induce and „hold„ sleep. Their S-activating power is further enhanced by a drop in sensory input, in particular a drop of intense, non-monotonous, and non-habituated signal traffic. In turn, a (sleep-dependent) drop in

FFTF- and clock-activity, together with a rise in arousing sensory input, is liable to induce a shift of „excitation„ to the W-Program, thus to engender, through activation (and deactivation) of the proper output channels, that particular vigilance profile which we can assume to be indispensible for the performance of the various behaviors characteristic of waking.

Zusammenfassung

Es wird zunächst, als Grundlage für die später zu erörternden Aspekte, ein neues universelles Konzept der Vigilanz vorgestellt, welches es nun erlaubt diesen bislang eher restriktiv definierten Parameter für das ganze Universum aller Verhaltensaktivitäten zu verwenden.

Als lokale Vigilanz bezeichnen wir den Grad der Bereitschaft in jedem einzelnen der zahlreichen Verhaltenssysteme (denen die Durchführung jedes einzelnen der vielen Verhaltensakte obliegt, unabhängig von ihrer extroversiven oder internen Natur) auf einen äußeren und/oder inneren Reiz mit einem adäquaten, präzisen Verhaltensakt zu reagieren. Die lokale Vigilanz in einem gegebenen Verhaltenssystem ist Ausdruck der (lokalen) Reaktivität in den neuronalen Netzwerken, die für die Organisation der besagten Verhaltensakte verantwortlich sind.

Die Kontrolle der Vigilanz erfolgt selektiv via (neurohumoraler) Kontrolle der Reaktivität jedes einzelnen Netzwerkes. Diese exekutiven Kontrollinstrumente nehmen ihren Ausgang von, und sind in ihrer Aktivität gesteuert durch ein Vigilanzkontrollierendes „Zentrum”. Dieses enthält z.T. „vorprogrammierte” Netzwerke, die in Abhängigkeit von einer Anzahl von Eingangs-Faktoren, wechselweise aktiviert werden können, um die spezifischen Vigilanz-Profile zu etablieren, wie sie für den Wachzustand und die beiden Schlafphasen (SWS und REM) als charakteristisch gefunden wurden. Es bestehen gute experimentelle Anhaltspunkte, die uns annehmen lassen, daß noradrenerge, cholinerge und dopaminerge Bahnen, ausgehend vom „Zentrum”, als typisch Reaktivitäts- und damit Vigilanzerhöhende Instrumente eingesetzt sind, wobei die beiden ersten eher Systeme höherer und das letztere eher Systeme motorischer Funktionen beeinflußt. Serotonerge Bahnen scheinen hauptsächlich als Vigilanzsenkende Instrumente eingesetzt zu sein, wesentlich für die Einleitung und das „Halten„ von Schlaf. Eine Reihe (aktivierender) Polypeptide scheinen als „Verstärker” der Vigilanzerhöhenden aminergen Übermittlung zu agieren. Mehrere sogenannte hypnogene Peptide (z.B. Faktor-S, DSIP, Vasotocin) sind als steuernde Eingangsfaktoren eingesetzt; sie verursachen, nach längerem Wachsein und in Kooperation mit einer inneren zirkadianen Uhr, eine Verschiebung der Aktivität vom Wach- auf das Schlaf-Programm, was eine Änderung des Vigilanzprofils vom Wach- und Schlaftyp zur Folge hat.

Key-Words

Network-reactivity - Neurohumoral contral of vigilance - Catecholamines and vigilance - Serotonin and vigilance - Acetylcholine and vigilance - Vigilance