Wenn Tiere das mittlere Lebensalter erreichen, können ihre Alltagsgewohnheiten Hinweise darauf geben, wie lange sie voraussichtlich leben werden. Zu diesem Ergebnis kommt eine neue Studie, die von der Knight Initiative for Brain Resilience am Wu Tsai Neurosciences Institute der Stanford University unterstützt wurde. Die Forscher beobachteten Dutzende kurzlebiger Fische kontinuierlich über ihre gesamte Lebensspanne hinweg, um besser zu verstehen, wie das Verhalten mit dem Altern zusammenhängt.
Studie mit Fischen
Obwohl die Fische ähnliche genetische Merkmale aufwiesen und unter denselben kontrollierten Bedingungen lebten, alterten sie auf sehr unterschiedliche Weise. Bereits im frühen Erwachsenenalter zeigten sich diese Unterschiede darin, wie sie schwammen und ruhten. Diese Muster waren so ausgeprägt, dass sich daraus vorhersagen ließ, ob ein Fisch letztlich eine kürzere oder längere Lebensdauer haben würde.
Obwohl sich die Studie auf Fische konzentrierte, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Erfassung subtiler Alltagsverhalten wie Bewegung und Schlaf – die heute häufig von tragbaren Geräten aufgezeichnet werden – Einblicke in den Alterungsprozess beim Menschen liefern könnte.
Die in Science veröffentlichte Studie wurde von den Postdoktoranden Claire Bedbrook und Ravi Nath vom Wu Tsai Neuro geleitet. Sie entstand aus einer von der Knight Initiative unterstützten Zusammenarbeit zwischen den Stanford-Labors der Genetikerin Anne Brunet und des Bioingenieurs Karl Deisseroth, den leitenden Autoren der Studie.
Alterung in Echtzeit verfolgen
Die meisten Alterungsstudien vergleichen junge Tiere mit älteren. Dieser Ansatz ist zwar nützlich, kann jedoch außer Acht lassen, wie sich die Alterung im Laufe der Zeit bei einzelnen Individuen vollzieht und wie sich Unterschiede zwischen Individuen entwickeln. Bedbrook und Nath wollten die Alterung kontinuierlich über die gesamte Lebensspanne hinweg verfolgen. Selbst Tiere, die unter nahezu identischen Bedingungen aufgezogen werden, können unterschiedlich altern und sehr unterschiedliche Lebensdauern haben. Das Team wollte herausfinden, ob natürliches Verhalten Aufschluss darüber geben könnte, wann diese Unterschiede beginnen.
Dazu verwendeten sie den afrikanischen Türkis-Killifisch, eine Art mit einer Lebensdauer von nur vier bis acht Monaten. Trotz seiner kurzen Lebensdauer teilt er wichtige biologische Merkmale mit dem Menschen, darunter ein komplexes Gehirn, was ihn zu einem wertvollen Modell für die Alterungsforschung macht. Das Brunet-Labor hat eine führende Rolle dabei gespielt, den Killifisch als Modellorganismus zu etablieren. Diese Studie war die erste, die einzelne Wirbeltiere kontinuierlich, Tag und Nacht, während ihres gesamten Erwachsenenlebens verfolgte.
Die Forscher entwickelten ein automatisiertes System, bei dem jeder Fisch in einem eigenen Becken unter ständiger Kameraüberwachung lebte. Ähnlich wie in einer realen Version von „The Truman Show“ zeichnete die Anlage jeden Moment im Leben jedes Tieres auf. Insgesamt verfolgte das Team 81 Fische und sammelte Milliarden von Videobildern. Anhand dieses riesigen Datensatzes analysierten sie Körperhaltung, Geschwindigkeit, Ruhephasen und Bewegung. Sie identifizierten 100 verschiedene „Verhaltenssilben“ – kurze, sich wiederholende Aktionen, die die Grundelemente der Bewegungs- und Ruhemuster der Fische bilden. Mit dieser detaillierten Aufzeichnung begannen die Forscher, neue Fragen zu stellen: Wann beginnen Individuen, unterschiedlich zu altern? Welche frühen Merkmale bestimmen diese Verläufe? Und kann das Verhalten allein die Lebensdauer vorhersagen?
Frühe Verhaltenssignale für Langlebigkeit
Eine der auffälligsten Entdeckungen war, wie früh sich die Alterungswege zu unterscheiden beginnen. Nachdem das Team jeden Fisch sein gesamtes Leben lang verfolgt hatte, gruppierte es sie nach Lebensdauer und untersuchte dann rückblickend, wann Verhaltensunterschiede erstmals auftraten. Sie stellten fest, dass sich Fische, die später ein längeres oder kürzeres Leben führen würden, bereits in der frühen Lebensmitte (im Alter von 70 bis 100 Tagen) unterschiedlich verhielten.
Schlafmuster stachen als entscheidender Faktor hervor. Fische, die letztendlich eine kürzere Lebensdauer hatten, neigten dazu, nicht nur nachts, sondern zunehmend auch tagsüber zu schlafen. Im Gegensatz dazu schliefen Fische, die länger lebten, meist nachts. Auch das Aktivitätsniveau spielte eine Rolle. Fische mit längerer Lebensdauer schwammen kräftiger und erreichten höhere Geschwindigkeiten, wenn sie sich im Becken bewegten. Sie waren zudem tagsüber aktiver. Diese Art spontaner Bewegung wurde auch bei anderen Arten mit Langlebigkeit in Verbindung gebracht.
Wichtig ist, dass diese Verhaltensunterschiede nicht nur beschreibend, sondern auch prädiktiv waren. Mithilfe von Modellen des maschinellen Lernens zeigten die Forscher, dass bereits wenige Tage an Verhaltensdaten von Fischen mittleren Alters ausreichten, um die Lebensdauer abzuschätzen.
Das Altern verläuft in klar abgegrenzten Phasen
Die Studie zeigte zudem, dass das Altern nicht langsam und gleichmäßig voranschreitet. Stattdessen durchliefen die meisten Fische zwei bis sechs rasche Verhaltensänderungen, die jeweils nur wenige Tage andauerten. Auf diese Übergänge folgten längere Phasen der Stabilität, die Wochen andauerten. Die Fische durchliefen diese Phasen in der Regel nacheinander, anstatt zwischen ihnen hin und her zu wechseln.
„Wir hatten erwartet, dass das Altern ein langsamer, schrittweiser Prozess ist“, sagte Bedbrook. „Stattdessen bleiben die Tiere über lange Zeiträume stabil und gehen dann sehr schnell in eine neue Phase über. Zu sehen, wie sich diese stufenweise Struktur allein aus dem kontinuierlichen Verhalten heraus abzeichnet, war eine der spannendsten Entdeckungen.“ Dieses schrittweise Muster deckt sich mit Erkenntnissen aus Studien am Menschen, die darauf hindeuten, dass molekulare Veränderungen im Alter in Wellen auftreten, insbesondere in der Lebensmitte und im höheren Alter. Die Ergebnisse bei den Killifischen liefern eine verhaltensbezogene Perspektive auf dieses Phänomen.
Die Forscher vermuten, dass das Altern lange Phasen relativer Stabilität beinhalten könnte, die von kurzen, raschen Veränderungen unterbrochen werden. Sie vergleichen dies mit einem Jenga-Turm, bei dem viele Blöcke ohne große Auswirkungen entfernt werden können, bis eine entscheidende Veränderung eine plötzliche Verschiebung auslöst. Um die Biologie hinter diesen Mustern zu erforschen, untersuchte das Team die Genaktivität in acht Organen in einem Stadium, in dem das Verhalten die Lebensdauer zuverlässig vorhersagen konnte. Anstatt sich auf einzelne Gene zu konzentrieren, betrachteten sie koordinierte Veränderungen über Gruppen von Genen hinweg, die an gemeinsamen Prozessen beteiligt sind.
Die auffälligsten Unterschiede zeigten sich in der Leber. Gene, die mit der Proteinproduktion und der Zellinstandhaltung zusammenhängen, waren bei Fischen mit kürzerer Lebensdauer aktiver. Dies deutet darauf hin, dass mit fortschreitendem Alter neben Verhaltensunterschieden auch interne biologische Veränderungen auftreten.
Verhalten bietet einen Einblick in den Alterungsprozess
„Das Verhalten erweist sich als unglaublich sensibler Indikator für das Altern“, sagte Nath. „Man kann zwei Tiere gleichen chronologischen Alters betrachten und allein an ihrem Verhalten erkennen, dass sie sehr unterschiedlich altern.“ Diese Sensitivität zeigt sich in vielen Aspekten des täglichen Lebens, insbesondere beim Schlaf. Beim Menschen nehmen Schlafqualität und Schlaf-Wach-Rhythmus oft mit zunehmendem Alter ab, und diese Veränderungen stehen im Zusammenhang mit kognitivem Verfall und neurodegenerativen Erkrankungen. Nath plant zu untersuchen, ob eine Verbesserung des Schlafs ein gesünderes Altern unterstützen könnte und ob frühzeitige Interventionen den Alterungsprozess beeinflussen könnten. Die Forscher wollen zudem untersuchen, ob sich Alterungsprozesse durch gezielte Strategien beeinflussen lassen, darunter Ernährungsumstellungen und genetische Eingriffe, die das Tempo des Alterns beeinflussen könnten.
Für Bedbrook werfen die Ergebnisse weiterreichende Fragen auf: Was treibt den Übergang zwischen den verschiedenen Alterungsstadien an, und lassen sich diese Veränderungen verzögern oder umkehren? Sie ist zudem daran interessiert, zu natürlicheren Umgebungen überzugehen, in denen Tiere sozial interagieren und realistischere Bedingungen erleben können. „Wir verfügen nun über die Mittel, um den Alterungsprozess bei einem Wirbeltier kontinuierlich zu erfassen“, sagte sie. „Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Wearables und der Langzeitbeobachtung beim Menschen bin ich gespannt, ob dieselben Prinzipien – frühe Prädiktoren, stufenweises Altern, divergierende Verläufe – auch beim Menschen zutreffen.“
Ein weiterer wichtiger Forschungsbereich betrifft das Gehirn. Deisseroths Labor entwickelt Werkzeuge zur kontinuierlichen Überwachung der neuronalen Aktivität über lange Zeiträume, was Aufschluss darüber geben könnte, wie Veränderungen im Gehirn mit dem Altern im restlichen Körper zusammenhängen oder dessen Tempo möglicherweise beeinflussen. Letztendlich zielt diese Forschung darauf ab, zu erklären, warum das Altern so unterschiedlich verläuft, und neue Wege zu finden, um ein gesünderes, längeres Leben zu ermöglichen.