Was passiert im Gehirn, wenn wir tief im Schlummer sind? Was sind die verschiedenen Stadien des Schlafs und welche Rolle spielen sie beim Lernen und bei der Gedächtnisbildung? Wie sieht es bei Angst und Schmerz aus? Spielen auch Neuronen und Neurotransmitter eine Rolle? Diesen Fragen gehen wir in diesem Special Feature nach, wobei wir uns auf die neuesten verfügbaren Erkenntnisse stützen.

Wissenschaftler sind sich im Allgemeinen einig, dass es vier Schlafstadien gibt, die wir jede Nacht mehrmals durchlaufen. Die ersten drei bilden den sogenannten Non-Rapid-Eye-Movement (REM)-Schlaf und die vierte ist der REM-Schlaf – in dem Träume auftreten.

In der ersten Nicht-REM-Phase gehen Körper und Gehirn vom Wachzustand in den Schlaf über. Das Gehirn ändert seine elektrischen Schwingungen von dem aktiven, wachen Muster der Gehirnwellen in einen langsameren Rhythmus.

Der Muskeltonus im gesamten Körper entspannt sich. Dies ist die Phase, in der unser Körper zucken kann, wenn wir in den Schlummer übergehen.

In der zweiten Nicht-REM-Phase sinkt die Körpertemperatur, der Herzschlag und die Atmung werden langsamer, und die Gehirnwellen verlangsamen sich weiter. Kurze Schübe elektrischer Aktivität im Gehirn können dieses Schlafstadium noch charakterisieren.

Die dritte Stufe des Non-REM-Schlafs ist die Tiefschlafphase, die unser Körper braucht, um erfrischt und erholt aufzuwachen. In diesem Stadium sinken Herzfrequenz, Atmung und Gehirnaktivität auf den niedrigsten Stand.

Die REM-Phase, der traumhafte Leichtschlaf, ist die vierte und letzte Phase. Nach Angaben des National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) tritt die REM-Phase etwa 90 Minuten nach dem Einschlafen ein.

Der REM-Schlaf dauert beim ersten Mal etwa 10 Minuten und steigert sich mit jedem REM-Zyklus. Die schnelle Augenbewegung wird so genannt, weil sich die Augen hinter geschlossenen Lidern buchstäblich schnell bewegen.

Während der REM-Phase wird die Atmung schneller und unregelmäßiger, die Herzfrequenz und der Blutdruck steigen auf nahezu wache Werte. Eine interessante Tatsache über den REM-Schlaf ist, dass Menschen ihn mit zunehmendem Alter immer seltener erleben.

Zirkadiane Rhythmen und schlafkontrollierende Neuronen

Einer der beiden Hauptfaktoren, die den Schlaf steuern, ist das Ensemble der „körperlichen, geistigen und Verhaltensänderungen, die einem täglichen Zyklus folgen“ – genannt zirkadiane Rhythmen. Der Begriff „zirkadian“ kommt vom lateinischen circa, was „um“ bedeutet und dies, was „Tag“ bedeutet.

Zirkadiane Rhythmen reagieren auf den Licht-Dunkel-Zyklus und sind zumindest teilweise genetisch vorbestimmt und werden von so genannten biologischen Uhren diktiert – Proteinen, die in Zellen in jedem Gewebe und Organ des menschlichen Körpers interagieren.

Der suprachiasmatische Kern, eine Struktur im Gehirn, die aus einer Gruppe von etwa 20.000 Neuronen , also Nervenzellen, besteht, koordiniert alle biologischen Uhren.

Zum anderen verfolgt die Schlaf-Wach-Homöostase auch das Schlafbedürfnis des Menschen und bestimmt, wann er müde wird. Der sogenannte homöostatische Schlaftrieb nimmt mit der Zeit zu, die ein Mensch im Wachzustand verbringt. Seine sichtbaren Auswirkungen auf die Gehirnaktivität und die Konnektivität zwischen den Neuronen sind gut dokumentiert.

Schlaf, Gedächtnis und Lernen

Ein weiterer Bereich, der Gegenstand vieler Forschungen war, ist die Beziehung zwischen Schlaf und Lernen bzw. Gedächtnisbildung. Wissenschaftler wissen mit Sicherheit, dass Schlaf für das Lernen entscheidend ist – aber welche Phase des Schlafes ist wichtiger?

Findet Lernen in der leichten REM-Schlafphase oder in der tiefen, nicht-REM-Phase des Schlafs statt? Wie koordinieren sich Neuronen in verschiedenen Hirnbereichen über die verschiedenen Schlafstadien hinweg, um das Lernen und die Gedächtniskonsolidierung zu erleichtern?

Zwei Studien, über die berichtet, helfen, Licht auf diese Fragen zu werfen.

Schlaf hilft dem Gehirn zu lernen und flexibel zu bleiben

In der ersten Studie manipulierten die Experimentatoren das tiefe, nicht-REM-Schlafstadium der Studienteilnehmer, nachdem sie sie gebeten hatten, einen neuen Satz von Bewegungen zu lernen. Die Wissenschaftler überwachten die Gehirnaktivität der Teilnehmer – insbesondere ihren motorischen Kortex – während der gesamten Studie.

Das Team – geleitet von Wissenschaftlern aus der Schweiz – fand heraus, dass ein unruhiger Tiefschlaf zu einer sichtbar reduzierten Lerneffizienz führte. Die Forscher erklärten, dass ihre Ergebnisse mit den Synapsen des Gehirns und ihrer Rolle beim Lernen zusammenhängen.

Synapsen sind mikroskopische Verbindungen zwischen Neuronen, die zusammen mit Gehirnchemikalien oder Neurotransmittern die Weiterleitung von elektrischen Impulsen von einem Neuron zum anderen ermöglichen. Tagsüber schalten sich die Synapsen als Reaktion auf die Reize ein, die das Gehirn aus der Umwelt erhält.

Aber während des Schlafs geht die Aktivität dieser Synapsen auf den Normalzustand zurück. Ohne diese Erholungsphase bleiben sie zu lange auf ihrer Spitzenaktivität erregt.

Dies beeinträchtigt die Neuroplastizität des Gehirns – also seine Fähigkeit, sich neu zu verdrahten und neue Verbindungen zwischen Neuronen zu schaffen. Neuroplastizität ermöglicht es dem Gehirn, neue Fähigkeiten zu erlernen“, sich zu verändern und an die Reize der Umgebung anzupassen und schließlich neue Dinge zu lernen.

Nicole Wenderoth, Professorin am Departement für Gesundheitswissenschaften und Technologie an der ETH Zürich und Co-Autorin, erklärt, was in ihrer neuen Studie passiert ist.

„In der stark erregten Region des Gehirns war die Lernleistung gesättigt und konnte nicht mehr verändert werden, was das Erlernen von motorischen Fähigkeiten hemmte.“

Nach Wissen der Autoren war dies die erste Studie, die einen kausalen Zusammenhang zwischen der Tiefschlafphase und der Lerneffizienz zeigte. „Wir haben eine Methode entwickelt, mit der wir die Schlaftiefe in einem bestimmten Teil des Gehirns reduzieren und damit den kausalen Zusammenhang zwischen Tiefschlaf und Lerneffizienz nachweisen können“, sagt Studien-Mitautor Prof. Reto Huber.

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Schlaf hilft uns auch beim Verlernen

Die zweite Studie, über die MNT berichtete, untersuchte verschiedene Schlafstadien. Dabei zeigte sich, dass Schlaf das Gehirn nicht nur in die Lage versetzt, neue Dinge zu lernen, sondern auch zu verlernen.

Die ursprüngliche Studie von 2017 beinhaltete eine auditive Lernaufgabe. Die Forscher spielten Tonsequenzen ab, während die Teilnehmer schliefen und wach waren.

Sie überwachten die elektrische Aktivität des Gehirns der Probanden mit einem Elektroenzephalogramm (EEG).

Die EEGs erfassten auch Schlafspindeln, die auftraten, wenn das schlafende Gehirn neue Töne lernte. Schlafspindeln sind Spitzen in der oszillatorischen Hirnaktivität, die in früheren Untersuchungen mit Lernen und Gedächtniskonsolidierung in Verbindung gebracht wurden.

Nach jeder Schlafsitzung baten die Experimentatoren die Teilnehmer, sich die Klangsequenzen erneut anzuhören und sie wiederzuerkennen. Sie bewerteten ihre Lernleistung durch Tests.

Anhand der EEG-Messwerte untersuchten die Wissenschaftler drei Schlafphasen: REM-Schlaf, leichter Non-REM-Schlaf und tiefer Non-REM-Schlaf.

Wenn die Teilnehmer den Klängen während des REM-Schlafs oder während des leichten Non-REM-Schlafs ausgesetzt waren, konnten sie diese im Wachzustand besser wiedererkennen. Wurden sie jedoch während des tiefen Non-REM-Schlafs mit den neuen Klängen konfrontiert, fiel es ihnen schwerer, die Klangfolge im Wachzustand zu erkennen.

Während „EEG-Marker des Lernens im leichten [Non-REM]-Schlaf leicht zu beobachten waren, waren sie im tiefen [Non-REM]-Schlaf deutlich nicht vorhanden“, berichten die Wissenschaftler.

Darüber hinaus war es für die Teilnehmer nicht nur schwierig, die Geräusche wiederzuerkennen, die die Forscher ihnen im tiefen Non-REM-Schlaf vorgespielt hatten, sondern sie fanden es auch schwieriger, diese Geräusche (wieder) zu lernen, verglichen mit völlig neuen Geräuschen.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der tiefe Non-REM-Schlaf nicht so sehr dazu dient, Neues zu lernen, sondern vielmehr dazu, Informationen zu unterdrücken.

„[Die] größte Überraschung lieferte die Fähigkeit des Gehirns zum Verlernen. Es scheint also, dass wir während des Schlafs entweder neue Erinnerungen bilden und lernen können oder das Gegenteil tun: Erinnerungen unterdrücken und verlernen.“

– Thomas Andrillon, Erstautor der Studie

Sie ergänzen auch die Beweise dafür, dass der Tiefschlaf hilft, die Neuroplastizität zu erhalten. Insbesondere kann leichter Non-REM-Schlaf (Stadium 2) dazu beitragen, Synapsen zu erregen, während tiefer Non-REM-Schlaf ihnen helfen kann, sich zu entspannen oder „herunterzufahren“.

„Ein solcher Kontrast zwischen leichtem [Non-REM] und tiefem [Non-REM] Schlaf ist konsistent mit einer qualitativen Unterscheidung zwischen diesen beiden Schlafstadien in Bezug auf die neuronale Plastizität“, schreiben die Autoren. „Nach dieser Sichtweise begünstigt der leichte [Non-REM]-Schlaf die synaptische Potenzierung, während der tiefe [Non-REM]-Schlaf den synaptischen Abbau begünstigt.“

„Wir schlagen keine funktionelle Rolle für den unterdrückenden Effekt von Informationen vor, die während des Schlafes präsentiert werden“, fügen sie hinzu. „Vielmehr scheint es ein unvermeidliches Nebenprodukt des synaptischen Downscaling zu sein, das für homöostatische Zwecke benötigt wird.“

Mit anderen Worten: Der Tiefschlaf kann uns helfen, zu verlernen oder zu vergessen, weil das Vergessen ein natürliches Nebenprodukt der Erhaltung der Neuroplastizität ist; das Vergessen ist ein Nebenprodukt unserer Fähigkeit zu lernen.

Vereinheitlichende Schlaftheorien

Andrillon und Kollegen erklärten auch, dass ihre Ergebnisse bedeutsam sind, weil sie dazu beitragen, zwei bisher widersprüchliche Denkschulen zu vereinen. Die eine sieht die primäre Funktion des Schlafs im Lernen und Konsolidieren neuer Informationen. Die andere sieht ihn als Verwerfung nutzloser Informationen, um das Gehirn nicht zu überfordern.

Da Wissenschaftler immer mehr neurowissenschaftliche Beweise über die Funktionsweise des Schlafes sammeln, wird es offensichtlich, dass solche Unterteilungen und Dichotomien insgesamt vielleicht nicht die sinnvollste Art sind, den Schlaf oder die Rolle des Schlafes beim Lernen zu betrachten.

Eine erst letzten Monat veröffentlichte Studie zeigt zum Beispiel, dass REM- und Non-REM-Schlaf zusammenarbeiten, um das Lernen zu fördern.

Der Non-REM-Schlaf steigert nämlich die Leistung neu erworbener Fähigkeiten, indem er Flexibilität und Neuroplastizität wiederherstellt, während der REM-Schlaf diese Verbesserungen stabilisiert und verhindert, dass neues Lernen sie auslöscht.

Die neue Forschung ging von der gleichen Hypothese aus, die die oben genannten Studien zu unterstreichen scheinen – dass der Schlaf die Synapsen und die neuronalen Verbindungen stärken muss, die während des Tages entstanden sind (um neues Wissen zu festigen und zu verhindern, dass es durch neue Informationen überschrieben wird). Er muss aber auch die Synapsen „herunterfahren“, also entspannen oder schwächen, um ihre Flexibilität und die Neuroplastizität des Gehirns zu erhalten.

Die Studie unter der Leitung von Masako Tamaki vom Department of Cognitive, Linguistic, and Psychological Sciences an der Brown University in Providence, RI, beinhaltete eine visuelle Lernaufgabe. Die Forscher wiesen einer Gruppe von Teilnehmern zwei verschiedene Aufgaben zu, eine vor dem Schlaf und eine nach dem Schlaf. Die andere Gruppe erhielt keine Lernaufgaben.

Die Wissenschaftler verwendeten MRT-Scanner und Elektroden, die sie an Kopf und Augenlidern der Teilnehmer anbrachten. Sie verwendeten auch Magnetresonanzspektroskopie, um die beiden Gehirnchemikalien zu messen, die an der neuronalen Plastizität (oder Flexibilität der Synapsen) und Stabilisierung beteiligt sind.

Tamaki und Team fanden heraus, dass die Neuroplastizität während des Non-REM-Schlafs zunahm. Dies stand in Verbindung mit einer besseren Lern- und Aufgabenleistung nach dem Schlaf.

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Während des REM-Schlafs nahm die neuronale Plastizität der Teilnehmer ab, was mit der Stabilisierung des Gelernten korrelierte. Die Forscher stellen die Hypothese auf, dass der REM-Schlaf dazu beiträgt, dass das vor dem Schlaf Gelernte nicht durch späteres Lernen überschrieben wird.

Im Gegensatz zum Non-REM-Schlaf sahen die Forscher den starken Abfall der Plastizität während des REM-Schlafs nur bei den Probanden, die eine Aufgabe zu lernen hatten.

In den Worten der Forscher: „Die [Neuroplastizität] nahm während des NREM [Nicht-REM]-Schlafs zu, unabhängig davon, ob vor dem Schlaf Lernen stattfand, aber sie war mit Leistungssteigerungen nach dem Schlaf relativ zur Leistung vor dem Schlaf verbunden. Im Gegensatz dazu nahm die [Neuroplastizität] während des REM-Schlafs ab, aber nur nach dem Training vor dem Schlaf, und die Abnahme war mit einer Stabilisierung des Lernens vor dem Schlaf verbunden.“

„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der NREM-Schlaf die Plastizität fördert, was zu Leistungssteigerungen unabhängig vom Lernen führt, während der REM-Schlaf die Plastizität verringert, um das Lernen auf eine lernspezifische Weise zu stabilisieren.“

– Masako Tamaki et al.

Die Neuronen, die uns Träume vergessen lassen

Es sind nicht nur die Synapsen, die den Lernprozess während des Schlafs unterstützen oder behindern, sondern auch die Neuronen selbst. Einige Forscher haben spezifische Neuronen mit Schlüsselrollen bei der Gedächtnisbildung identifiziert, die uns helfen, Träume „aktiv zu vergessen“.

Eine in der Fachzeitschrift Science erschienene Studie hat einige dieser Neuronen im Hippocampus lokalisiert, einem Hirnareal, das für die Bildung von Erinnerungen und das Lernen entscheidend ist.

Akihiro Yamanaka, Ph.D., von der Nagoya Universität, Japan, und seine Kollegen experimentierten mit einigen dieser Neuronen, die ein Melanin-konzentrierendes Hormon (MCH) produzieren, das hilft, sowohl den Schlaf als auch den Appetit zu regulieren.

Yamanaka und sein Team führten Experimente an Mäusen durch, die zeigten, dass das Feuern dieser „bestimmten Gruppe von [MCH-produzierenden] Neuronen während des REM-Schlafs kontrolliert, ob sich das Gehirn nach einer guten Nacht an neue Informationen erinnert.“

Die genetische Deletion dieser Neuronen bei Mäusen deutet darauf hin, dass diese Zellen „dem Gehirn helfen, neue, möglicherweise unwichtige Informationen aktiv zu vergessen.“ Darüber hinaus weisen die Ergebnisse auf die Rolle hin, die diese Neuronen beim Vergessen von Träumen spielen.

Co-Lead-Autor Thomas Kilduff, Ph.D., der Direktor des Center for Neuroscience am Forschungsinstitut SRI International in Menlo Park, CA, erklärt.

„Da man annimmt, dass Träume hauptsächlich während des REM-Schlafs auftreten, der Schlafphase, in der die MCH-Zellen eingeschaltet sind, könnte die Aktivierung dieser Zellen verhindern, dass der Inhalt eines Traums im Hippocampus gespeichert wird – folglich wird der Traum schnell vergessen.“

Schlaf lindert Schmerzen und Ängste im Gehirn

Die Neurowissenschaft des Schlafs hilft zu erklären, wie der Schlaf uns beim Lernen und Vergessen hilft. Sie wirft auch ein Licht auf die schmerzlindernde und angstlösende Wirkung des Schlafs.

Eine Studie, die letztes Jahr veröffentlicht wurde, fand zum Beispiel heraus, dass ein Gehirnbereich, der mit Schmerzempfindlichkeit in Verbindung gebracht wird (der so genannte somatosensorische Kortex), bei Teilnehmern mit Schlafentzug hyperaktiv ist. Die Ergebnisse legen nahe, dass zu wenig Schlaf die schmerzverarbeitenden neuronalen Schaltkreise des Gehirns stört.

Außerdem wurde in derselben Studie festgestellt, dass die Aktivität im Nucleus accumbens-Bereich des Gehirns nach einer schlaflosen Nacht abgenommen hatte. Der Nucleus accumbens setzt den Neurotransmitter Dopamin frei, der Lustgefühle steigert und Schmerzempfindungen vermindert.

„Schlafverlust verstärkt nicht nur die schmerzempfindenden Regionen im Gehirn, sondern blockiert auch die natürlichen Schmerzzentren“, erklärt der leitende Studienautor Matthew Walker, Professor für Neurowissenschaften und Psychologie an der University of California in Berkeley.

Das Team fand außerdem heraus, dass die Insula des Gehirns, die Schmerzsignale auswertet und die Schmerzreaktion vorbereitet, bei Menschen mit Schlafentzug ebenfalls unteraktiv war.

Schlaflosigkeit stört dieses „kritische neuronale System, das die Schmerzsignale bewertet und kategorisiert und es den natürlichen Schmerzmitteln des Körpers ermöglicht, zu Hilfe zu kommen“, bemerkt Adam Krause, der Hauptautor der Studie.

Tiefschlaf lindert die Angst in einer Schlüsselregion des Gehirns

Was die angstlösende Wirkung des Schlafs betrifft, so haben funktionelle MRT-Scans und Polysomnogramme gezeigt, dass der mediale präfrontale Kortex im Gehirn eine Schlüsselrolle spielt. Diese Region wurde in einigen Studien, die von demselben Prof. Walker geleitet wurden, nach einer schlaflosen Nacht deaktiviert.

Frühere Forschungen deuten darauf hin, dass der mediale präfrontale Kortex dazu beiträgt, Ängste zu beruhigen und das Stressniveau zu senken. In Prof. Walkers Forschung waren andere Regionen, die mit der Verarbeitung von Emotionen in Verbindung stehen, bei Patienten mit Schlafentzug hyperaktiv.

„Ohne Schlaf“, erklärt Prof. Walker, „ist es fast so, als ob das Gehirn zu stark auf dem emotionalen Gaspedal steht, ohne genug Bremse.“ Eine schlaflose Nacht ließ die Angstwerte in ihrer Studie um bis zu 30 % ansteigen, berichten die Wissenschaftler.

Darüber hinaus fand die Studie heraus, dass die Angstwerte nach einer vollen Nacht Schlaf sanken und dass dieser Rückgang bei Teilnehmern, die mehr Zeit in der tiefen Non-REM-Phase des Schlafes verbrachten, sogar noch stärker war.

„Der tiefe Schlaf hatte den präfrontalen Mechanismus des Gehirns, der unsere Emotionen reguliert, wiederhergestellt, was die emotionale und physiologische Reaktivität senkte und die Eskalation der Angst verhinderte.“

– Eti Ben Simon, Co-Autor der Studie