Forscher entschlüsseln Doppelfunktion von Schlaf im Gehirn

Forscher des Universitätsklinikums Freiburg zeigen, dass Schlaf relevante Verbindungen im menschlichen Gehirn stärkt und weniger relevante abschwächt. Die Studie bringt bislang widersprüchliche Ansätze der Schlafforschung in Einklang.

Durch gleichzeitige Stimulation eines Nervs am Arm und des für Daumenbewegungen zuständigen Hirnbereichs kommt es zu einem Lernprozess im Gehirn. Dieser Prozess wird durch kurzen Schlaf gestärkt | Maier et al / SLEEP

Menschen und Tiere verbringen rund ein Drittel ihres Lebens im Schlaf – einem Zustand von weitgehender Bewusstlosigkeit und Inaktivität. Doch über die Funktionen von Schlaf gab es bislang widersprüchliche Forschungsansätze. Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Universitätsklinikums Freiburg erstmals beim Menschen nachgewiesen, dass Schlaf eine Doppelfunktion hat: Zum einen werden im Schlaf relevante neue Verbindungen zwischen Nervenzellen gefestigt. Zum anderen werden weniger relevante Verbindungen und die Gesamtaktivität des Gehirns gemindert. Die Ergebnisse der Studie könnten das grundlegende Verständnis von Schlaf sowie die Behandlung von vielen Erkrankungen, bei denen Schlaf gestört ist, verbessern.

Zwei zuvor weitgehend unabhängige Forschungsansätze verbunden

Stärkt Schlaf Nervenzellverbindungen oder schwächt er die Gesamtstärke von Nervenzellverbindungen des Gehirns ab, die während der Wachphase ansteigt? Über diese Frage diskutieren Schlafforscher seit vielen Jahren. „Unsere Arbeit verbindet erstmals zwei zuvor weitgehend unabhängige Forschungsansätze zu möglichen Funktionen von Schlaf: Sie zeigt, dass Verstärkung und Abschwächung der Hirnaktivität im Schlaf gleichzeitig möglich sind“, sagt Prof. Dr. Christoph Nissen, Forschungsgruppenleiter an der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Universitätsklinikums Freiburg. Durch die Verstärkung relevanter Nervenzellverknüpfungen wird neu Erlerntes gefestigt. Gleichzeitig wird die über die Wachphase ansteigende Gesamtstärke von Nervenzellverbindungen des Gehirns gemindert. So wird die Gesamtaktivität konstant gehalten und nach dem Schlaf können wieder neue Inhalte aufgenommen werden. „Dies könnte erklären, warum es sich evolutionär gesehen lohnt, weitgehende Bewusstlosigkeit und Inaktivität für Schlaf in Kauf zu nehmen“, sagt Prof. Nissen.

Gesamt-Hirnaktivität, nach einem kurzen Schlaf (links) und ohne. Die Hirnaktivität ist nach der Schlafphase deutlich herabreguliert – und das Gehirn dadurch wieder offen für neue Reize. | Maier et al / SLEEP

„Die Stärkung der Nervenzellverknüpfungen passte gut mit der schlaftypischen Gehirnaktivität in Form von langsamen Gehirnwellen und Schlafspindeln überein“, sagt Ko-Autor Prof. Dr. Dieter Riemann, Leiter der Abteilung für Klinische Psychologie und Psychophysiologie sowie des Schlaflabors an der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Universitätsklinikums Freiburg.

Nervenzellverknüpfungen nicht-invasiv im menschlichen Gehirn messen

Um bei insgesamt 30 gesunden Probanden die Verknüpfungsstärke von Nervenzellen im menschlichen Gehirn nicht-invasiv zu messen, verwendeten die Freiburger Forscher einen bereits gut etablierten Versuchsaufbau, den „Paired Associative Stimulation“-Test in Kombination mit Untersuchungen der Hirnströme im Wachzustand und Schlafuntersuchungen im Schlaflabor.

Zunächst reizten sie mit Hilfe einer Magnetspule über dem Kopf der Probanden, der sogenannten transkraniellen Magnetstimulation (TMS), einen Bereich im Gehirn, der einen Daumenmuskel steuert, und maßen dessen Kontraktionsstärke. Im zweiten Schritt reizten die Forscher zusätzlich einen Nerv am Arm, der Nervenimpulse ins Gehirn sendet. Die wiederholte Kombination dieser Reizung führt nachfolgend zu einer stärkeren Kontraktion des Daumenmuskels, was auf eine gesteigerte Verknüpfungsstärke zwischen Nervenzellen in dem stimulierten Hirnareal schließen lässt. Die Verknüpfungsstärke zwischen Nervenzellen ist entscheidend an der Informationsverarbeitung im Gehirn beteiligt. Ihre Anpassung in Form von Stärkung oder Schwächung (synaptische Plastizität) gilt als molekulare Entsprechung für Lernen und Gedächtnisbildung.

Deutlich verstärkte Effekt auf neuronaler Ebene

Bei zwei Versuchsterminen durften die Probanden nach der Ko-Stimulation einmal einen Mittagsschlaf von bis zu 45 Minuten machen, einmal blieben sie wach. Nach der Pause wurde bei allen Probanden die Hirnstimulation wiederholt. Wenn Probanden geschlafen hatten, war die Kontraktion des Daumens deutlich stärker als wenn sie wach geblieben waren. Mit Hilfe eines Elektroenzephalogramms (EEG) maßen die Forscher zusätzlich die Gesamtaktivität des Gehirns. Diese war nach der Wachphase erhöht und nach der Kurzschlafphase stabilisiert. „In unserer Studie konnten wir auch zwei Stunden nach dem Schlaf noch deutlich verstärkte Effekt auf neuronaler Ebene messen“, sagt Prof. Riemann. (idw, red)

Literatur:

Jonathan G Maier Marion Kuhn Florian Mainberger, et al.: Sleep orchestrates indices of local plasticity and global network stability in the human cortex. Sleep, 22 December 2018, DOI: doi.org/10.1093/sleep/zsy263.