Forscher entschlüsseln Doppelfunktion von Schlaf im Gehirn

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

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, die am 30. Januar 2019 im Fachmagazin SLEEPerschienen sind, könnten
das grundlegende Verständnis von Schlaf sowie die Behandlung von vielen
Erkrankungen, bei denen Schlaf gestört ist, verbessern.

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.

„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.

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.

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