Acht Stunden schlafen wir Menschen durchschnittlich pro Nacht. Das summiert sich zu weit mehr als 175.000 Stunden auf.[5] Aufgerechnet auf ein ganzes Leben ergeben das 24 Jahre und 4 Monate. Mit unseren Kindern spielen wir durchschnittlich gerade einmal 9 Monate in unserer gesamten Lebenspanne.[7] Doch warum verbringen wir Menschen so viel Zeit damit zu schlafen? Und warum schlafen wir überhaupt? Im Vergleich: Elefanten schlafen gerade mal drei Stunden pro Tag, Pferde sind wahre Kurzschlafmeister mit circa 2 Stunden pro Tag[5] und Delfine schalten abwechselnd eine Gehirnhälfte ab, da sie sonst ertrinken würden.[1] Katzen und Goldhamster verbringen mit 14 Stunden sogar noch mehr Zeit als wir damit zu schlafen.[5] Schlafen ist im Tierreich also ebenso universell wie bei uns Menschen. Und genauso wie wir träumen Tiere auch.
Gerade vor Prüfungen stehen Prüflinge regelmäßig vor der Qual der Wahl: Durchlernen oder gut schlafen?
Nicht Schlafen ist – wie die meisten von uns im Laufe ihres Lebens das eine oder andere Mal bei sich selbst feststellen durften – mit Nebenwirkungen verbunden. Diese können, je länger der Schlafentzug dauert, umso massiver werden: Neben körperlichen Auswirkungen wie einer reduzierten Immunfunktion, spiegelt sich der Schlafmangel vor allem in negativer Stimmung, verstärkter Müdigkeit und Beeinträchtigungen bei exekutiven Funktionen wider (kognitive Fähigkeiten wie z.B. das Problemlösen). In extremen Fällen von Schlafmangel kann es sogar zu Halluzinationen kommen.[5]
Homöostase bezeichnet einen Gleichgewichtszustand in unserem Körper bezogen auf alle physiologischen Maße.
Wenn Nicht-schlafen mit so vielen Nebenwirkungen verbunden ist, stellt sich die Frage, welche Funktionen Schlaf generell erfüllt. Schlaf stellt regenerativen Theorien zufolge die Homöostase wieder her. Darüber hinaus verarbeiten wir die Erlebnisse des Tages. Unter anderem das Träumen, welches im sogenannten REM- Schlaf (rapid eye movement) stattfindet, wird in Studien mit dieser Funktion assoziiert.[5] Weiter dient der Schlaf nach Erkenntnissen von Nagetierstudien der Gedächtniskonsolidierung. Wenn wir etwas lernen, stellt unser Gehirn neue Verknüpfungen her: Zu Beginn kann man diese Datenverknüpfungen mit selten verwendeten Gebirgspfaden vergleichen, doch je weiter der Lernprozess voranschreitet, desto mehr verwandelt sich dieser in eine Art Datenautobahn. Dieser Prozess wird während des Schlafens gefördert und besonders die Hirnregion Hippocampus scheint hier von Bedeutung zu sein. Besonders das Auftreten sogenannter sharp wave ripples (kurz: SWR) im Hippocampus während die gelernten Aktivitätsmuster wiederholt werden, rückten bei Forschern immer stärker in den Fokus.
Giradau et al. (2009) trainierten Ratten über 2 Wochen hinweg, in einem Labyrinth die Gänge zu finden, in denen sich Futter befand. Sie stellten dabei fest, dass bei Ratten, bei denen im Schlaf die hippocampalen SWR unterdrückt wurden, die Leistung im Training deutlich langsamer stieg als bei Ratten, bei denen hippocampale SWR nicht unterdrückt wurden. Sie konnten sich also schlechter erinnern, in welchen Gängen sich das Futter befand. Könnten diese SWR auch beim Menschen eine Rolle bei der Erinnerungskonsolidierung spielen?
Schlafphasen & Frequenzbänder: Schlaf im Spontan-EEG:
Ein Schlafzyklus besteht aus mehreren Schlafphasen, die insgesamt ca. 1,5h andauern und sich danach wiederholen. Wenn eine Person sich zum Schlafen hinlegt und die Augen schließt, beginnen die Alpha-Wellen (Spontan-EEG im entspannter Wachzustand) und lösen die Wellen des aktiven Wachzustandes ab (beta-Wellen sind mit Aufmerksamkeitshinwendungen assoziiert, gamma-Wellen mit starker Konzentration). Sowie eine Personen dann einschläft, kommt es zum plötzlichen Übergang zum Schlafstadium 1. Im Schlafzyklus durch die Schlafstadien nimmt die EEG-Amplitude (der Ausschlag der Wellen) allmählich zu, während die Frequenz (d.h. die Häufigkeit der Wellen) abnimmt. Das Schlafstadium 1, ausgenommen das erste nach dem Einschlafen, wird als REM-Schlaf bezeichnet, da er mit schnellen Augenbewegungen verbunden ist. In Schlafstadium 1 und 2 zeigt das EEG Theta-Wellen, also einen dösenden Wachzustand. Ab Schlafstadium 3 treten gelegentlich Delta-Wellen auf. Diese Delta-Wellen dominieren dann die Schlafphase 4 und sind mit dem Tiefschlaf assoziiert. In diesem vierten Schlafstadium bleiben wir dann eine Weile, ehe wir die Stadien in umgekehrter Reihenfolge erneut durchlaufen. Die Schlafstadien 2, 3, und 4 werden als Non-REM-Schlaf zusammengefasst.[5]
Die Forschungsgruppe von Zhang und Kolleg:innen untersucht den Zusammenhang von SWR mit der Gedächtniskonsolidierung bei Menschen.
Methode
Die Teilnehmenden dieses Experimentes waren 12 Epilepsie-Patient:innen. Diese Epilepsie-Patient:innen wurden gewählt, da bei ihnen aus diagnostischen Zwecken invasive Elektroden im Gehirn implantiert waren.
Bisher kann man SWR nur bei Epilepsie-Patient:innen feststellen, bei denen iEEG-Elektroden implantiert wurden.
iEEG:
Als intrakranielles Elektroenzephalogramm bezeichnet man eine invasive Methode der EEG- Ableitung, bei welcher den Patient:innen entweder auf die Gehirnoberfläche Elektroden implantiert werden oder Tiefenelektroden implantiert werden, wenn man Daten aus tiefergelegenen Hirnregionen wie den Sulci (Gräben) braucht. Diese Elektroden werden operativ angebracht und liefern dann genaue Daten über die Aktivität in den Zielregionen. Diese invasive Methode wird erst angewendet, nach dem alle anderen nicht-invasiven Messmethoden keine ausreichenden Daten ergeben. Im Falle von Epilepsiepatient:innen kommt das iEEG zum Einsatz, wenn die pharmakologische Behandlung versagt hat und die betreffende Gehirnregion für einen operativen Eingriff genau bestimmt werden muss. Dafür werden die Elektroden meist im Temporallappen angebracht.[2][6]
Das Experiment wurde an zwei aufeinanderfolgenden Tagen durchgeführt. An beiden Tagen bekamen die Teilnehmenden zunächst 80 Bilder gezeigt, auf denen entweder eine Landschaft oder ein Gebäude abgebildet waren und wurden gebeten zwischen diesen beiden Kategorien zu unterscheiden (remote encoding; ältere Einprägung). Am ersten Tag folgte daraufhin etwa eine Stunde Schlaf (nap day) und am zweiten Tag durften sich die Teilnehmenden in dieser Stunde frei entscheiden, wie sie die Zeit verbringen wollen (no-nap day). Sie bekamen daraufhin weitere 80 Bilder gezeigt und sollten wieder entscheiden, ob es sich um ein Gebäude oder um eine Landschaft handelt (recent encoding; neuere Einprägung), um zu kontrollieren, ob mögliche Wiederholungen von reispezifischen Aktivierungsmustern der neueren Einprägung während des Schlafes nicht nur zufällig auftreten. Zum Schluss bekamen die Teilnehmenden ein Set von 240 Bildern mit Landschaften und Gebäuden zu sehen, wovon 80 neue Bilder waren und 160 bereits gezeigte. Sie sollten nun angeben, ob sie das jeweils präsentierte Items bereits gesehen hatten oder nicht (retrieval; Abruf). Während der älteren Erinnerung, der neueren Erinnerung, Abruf und dem Schlaf bzw. der freien Beschäftigung wurden die iEEG-Daten aufgezeichnet.
Reizbezogene Aktivitätsmuster wurden durch die Methode RSA ermittelt, die wir im folgenden Infokasten erst einmal allgemein erklären werden.
Representational Similarity Analysis
Representational Similarity Analysis (RSA) ist eine multivariate Methode, die 2008 von Kriegeskorte et al. vorgestellt wurde. Diese Methode ermöglicht es insbesondere, Daten zu Hirnaktivität verschiedener Modalitäten miteinander zu vergleichen. So ist es zum Beispiel möglich, die Ergebnisse verschiedener neuronaler Messungen (z.B. EEG, fMRT) miteinander, aber auch mit Ergebnissen von Computermodellen oder verhaltensbezogenen Daten (z.B. Reaktionsgeschwindigkeit) zu vergleichen. Diese Ansätze haben alle verschiedene Formate und sind eigentlich nicht direkt miteinander vergleichbar. Da sie aber auch verschiedene Vor-und Nachteile haben, ist die Kombination ihrer Ergebnisse von großem Vorteil für die Neurowissenschaft. Zum Beispiel könnten zum einen Versuchspersonen verschiedene Bilder gezeigt und ihre Hirnaktivität im visuellen Kortex mit einem EEG aufgezeichnet werden. Zum anderen könnten einem Computermodell die gleichen Items präsentiert und auch die Antwortmuster des Modells aufgezeichnet werden. Um diese Ergebnisse vergleichen zu können, müssen zunächst Representational Dissimilarity Matrices, oder kurz RDMs, für beide Datensätze erstellt werden. Hierbei wird bezüglich unserer EEG-Daten für die gegebene Hirnregion jede durch einen Stimulus ausgelöste Hirnaktivität mit jeder durch andere Stimuli ausgelöste Hirnaktivitäten gegenübergestellt, d.h. in jeder Zelle wird ein Paar von experimentellen Bedingungen miteinander verglichen. Wenn den Versuchspersonen also wie im Beispiel Bilder gezeigt werden, wird das Aktivitätsmuster, das durch jedes Bild im visuellen Kortex ausgelöst wurde, mit den Aktivitätsmustern nach allen anderen Bildern korreliert, sodass eine Korrelationsmatrix entsteht. Dabei wird pro Zelle nicht die Korrelation zwischen den Aktivitätsmustern, sondern 1- Korrelation angegeben. Es wird also angegeben, wie stark sich die Aktivitätsmuster nach den Stimuli unterscheiden, deshalb heißt die Matrix Representational DISsimilarity Matrix und deshalb ist die Diagonale Null. Das gleiche wird auch mit den Daten des Computermodells gemacht.
Diese Representational Dissimilarity Matrix wird für alle Datensätze erstellt, in unserem Beispiel hätten wir zwei RDMs (EEG und Computermodell). Die Matrizen können daraufhin miteinander verglichen werden. Hierzu kann getestet werden, ob die beiden RDMs signifikant miteinander korrelieren. Da es sich um eine Korrelationsmatrix und damit um eine symmetrische Matrix handelt, reicht es nur eine Seite oberhalb oder unterhalb der Diagonalen zu betrachten.[4]
Ergebnisse
In dieser Studie wurde die RSA etwas anders eingesetzt als im vorherigen Beispiel und es wurden zunächst die Aktivitätsmuster der beiden Einprägezeitpunkte-Zeitpunkte mit den Aktivitätsmustern des Abrufzeitpunktes verglichen. Hierzu wurden Einprägung und Abruf des gleichen Items miteinander korreliert und Einprägung eines Items und Abruf eines anderen Items miteinander korreliert. Diese Korrelationen wurden dann wiederum miteinander verglichen, um so ein Aktivierungsmuster zu identifizieren, das typisch für ein bestimmtes Bild ist. Man hat also untersucht, wann es höhere Korrelationen zwischen Einprägung und Abruf beim gleichen Item vs. bei unterschiedlichen Items gab. Dabei fand man im gamma-Frequenzband zwei Cluster mit reizbezogenen Aktivierungsmustern, ein frühes (100-500ms nach Stimulusdarbietung) und ein spätes (500-1200ms nach Stimulusdarbietung). Das Gammaband ist mit hoher Aufmerksamkeit und geistiger Arbeit assoziiert.
Es wurde nun unter anderem untersucht, ob die reizbezogenen Aktivierungsmuster der Stimuli aus der älteren Einprägung während des Schlafs bzw. während der Pause auftraten und wie das alles im Zusammenhang mit SWR und späterem Erinnern der Bilder steht.
Es zeigten sich zwischen nREM Schlaf und Wachzustand keine Unterschiede darin, wie viel die reizbezogenen Aktivitätsmuster im Gehirn wiederholt wurden. Auch die SWR traten im Wachzustand genauso häufig auf wie im nREM Schlaf. Es gab aber Unterschiede darin, wie diese beiden Ereignisse zusammenhingen. Im nREM Schlaf trat Wiederholen der reizbezogenen Aktivierungsmuster während der SWR verstärkt auf, im wachen Zustand hingegen nicht. Im nREM Schaf trat außerdem ein Unterschied auf, welche durch SWR ausgelösten Wiederholungen mit Erinnerung und welche mit Vergessen im Zusammenhang standen. Bei in der Abruf-Phase erinnerten Items, wurden die während der SWRs ausgelösten Aktivitätsmuster aus einem späten Zeitcluster wiederholt, während bei später vergessenen Items die während der SWRs ausgelösten Aktivitätsmuster aus einem früheren Zeitcluster wiederholt wurden. Im Wachszustand gab es diese Unterschiede nicht. Der durch SWRs ausgelöste Wiederholungseffekt ist also auf den nREM Schlaf beschränkt.
Diskussion
Die vorliegenden Ergebnisse geben also einen genaueren Einblick, wie genau Gedächtniskonsolidierung während dem Schlaf abläuft. Es zeigt sich hierbei, dass nicht nur die Wiederholung der reizbezogenen Gehirnaktivität eine Rolle spielt, sondern auch das Zusammenauftreten mit sogenannten sharp wave-ripples. Ferner ist wichtig, welcher Teil der Verarbeitung, also eher die Gehirnaktivität während der ersten Millisekunden der Wahrnehmung, oder später, während der tiefergehenden Verarbeitung des Reizes, im Schlaf wiederholt wird.
Im Gegensatz zu der ursprünglichen Idee, dass erinnerte Items wiederholt werden, vergessene jedoch nicht, zeigen die Ergebnisse, dass in der Phase nach dem Lernen, Einspeicherungs-Spuren von erinnerten, aber auch vergessenen Items, spontan auf neuronaler Ebene wiederholt wurden. Dabei gab es keine Unterschiede in den Wiederholungsraten. Dennoch unterschieden sich die Muster der Wiederholungen bei behaltenen und vergessenen Items, wenn die Wiederholung speziell für die ausgelösten hippocampalen SWR untersucht wurde: Bei den erinnerten Items bezog sich die auf diese Wellen bezogene Wiederholung hauptsächlich auf Gehirnmuster von späten Speicher-Perioden während des Schlafs. Bei den vergessenen Items wurde die neuronale Aktivität von frühen Speicher-Perioden während des Schlafs wiederholt.
Wir sehen also einmal mehr – Schlafen ist keine vergeudete Zeit, sondern während des Schlafes laufen komplexe Prozesse ab, die für unsere körperlichen und kognitiven Funktionen wichtig sind und die während dem wachen Zustand nicht ablaufen. Es lohnt sich also zu jeder Zeit, auch und vor allem in der Klausurenphase, auf einen gesunden Schlafrhythmus zu achten. Vor der Klausur eine Nacht durchlernen – keine gute Idee.
Allerdings gibt es auch bei dieser Studie Einschränkungen. Wie bereits erwähnt, konnten die SWR bisher nur bei Menschen mit im Gehirn implantierten Elektroden, von denen ein EEG abgeleitet werden konnte, festgestellt werden. Diese Methode auf einen ganz engen Kreis von Personen begrenzt – die Studie konnte nämlich nur bei Epilepsiepatienten, die aus Diagnosezwecken bereits im Gehirn implantierte Elektroden besaßen, durchgeführt werden. Das reduziert die Verallgemeinbarkeit der Ergebnisse. Ohnehin muss berücksichtigt werden, dass ausgehend von den 12 Versuchspersonen dieser Studie keine Allgemeingültigkeit abgeleitet werden kann. Darüber hinaus wäre eine Studie angeraten, die untersucht, welchen Einfluss der REM-Schlaf auf die Gedächtniskonsolidierung hat.
Die Diskussionsfrage an Euch lautet daher: Wäre es ethisch gerechtfertigt, auch anderen Freiweilligen, die nicht aufgrund einer Krankheit selbst von dieser Methode profitieren, zu Forschungszwecken solche Elektroden zu implantieren? Und würdet ihr Euch als Versuchskanninchen anbieten? Unter welchen Umständen?
Quellenangaben
- Deutsche Welle (www.dw.com). (2019). Nickerchen im Tierreich. DW.COM. https://www.dw.com/de/nickerchen-im-tierreich/g-37784982
- Gesundheitsinformation. (2019). Epilepsie | Gesundheitsinformation.de. gesundheitsinformation.de. https://www.gesundheitsinformation.de/epilepsie.html
- Giradau, G., Benchenane, K., Wiener, S., Buzsáki, G.& Zugaro, M. (2009). Selective suppression of hippocampal ripples impairs spatial memory. Nature Neuroscience, 12, 1222–1223.
- Kriegeskorte, N., Mur, M., & Bandettini, P. A. (2008). Representational similarity analysis-connecting the branches of systems neuroscience. Frontiers in systems neuroscience, 2, 4.
- Pinel, J. P., & Pauli, P. (2007). Biopsychologie (Vol. 12). München: Pearson Studium. S. 412-443
- Rosenow, F., Bast, T., Czech, T., Hans, V., Helmstaedter, C., Huppertz, H.-J., Seeck, M., Trinka, E. & Wagner, K. (2014). Qualitätsleitlinien für prächirurgische Epilepsiediagnostik und operative Epilepsietherapie. Der Nervenarzt, 85(6), 753–756. https://doi.org/10.1007/s00115-014-4070-2
- STERN.de. (2017, 24. September). 24 Jahre schlafen: Dafür geht unsere Lebenszeit drauf. https://www.stern.de/panorama/gesellschaft/24-jahre-schlafen-dafuer-geht-unsere-lebenszeit-drauf-3136732.html
- Zhang, H., Fell, J., & Axmacher, N. (2018). Electrophysiological mechanisms of human memory consolidation. Nature communications, 9(1), 1-11.
Bildquellen:
https://www.pexels.com/de-de/foto/orange-katze-die-auf-weissem-bett-schlaft-1560424/
https://www.pexels.com/de-de/foto/schreibtisch-schule-gesichtslos-student-4769486/
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