Wir erklären News aus der Wissenschaft.
In einem kürzlich veröffentlichten Artikel (Spezialausgabe “Physiology of Sleep” der wissenschaftlichen Zeitschrift „Current Opinion in Physiology“) fassen wir den aktuellen Forschungsstand zusammen und berichten zunehmende Einsichten:
- Wie Schlaf mit der Verdrahtung unseres Gehirns zu tun hat
- Wie das schlafende Hirn sich verändert, wenn Kinder älter werden
- Dass sehr lange Wachphasen dazu führen, dass das Hirn Signale generiert, die dem Schlaf sehr ähnlich sind
- Dass diese Schlaf-ähnlichen Signale mit dem Übergang im Bewusstsein in Verbindung stehen
Was passiert im mysteriösen Zustand des Schlafs?
Das Hirn zeigt einen einmaligen Zustand, der ausschließlich im Schlaf beobachtet werden kann: die Slow Oscillation (= die langsame Oszillation). Die Slow Oscillation wird während keiner anderen Aktivität im Wachzustand generiert und kommt in Menschen sowie Tieren vor [1]. Mit Kabeln, dem “Elektroenzephalogram” – oder EEG – kann der langsame Rhythmus im Gehirn, aber auch auf der Hautoberfläche gemessen werden. Das Gehirn stellt diesen Rhythmus selber her, der in der Tat ein “langsamer“ Puls von circa einer Welle pro Sekunde ist.
Die Produktion der Slow Oscillation erlaubt uns generell zu messen wir tief wir schlafen (= wie tief unser Gehirn schläft), und damit auch wie wahrscheinlich es ist, dass wir aufwachen. Je tiefer der Schlaf, desto intensiver wird die Slow Oscillation produziert [2]. Die langsamen Wellen sind wichtig, damit sich das Gehirn für den folgenden Tag erholen, stärken und neu kalibrieren kann [3, 4].
Schlaf bei Kindern ist anders.
Bei Erwachsenen erscheinen die langsamen Wellen zuerst im Stirnbereich, und verbreiten sich danach zu den weiter hinten liegenden Hirnregionen [5]. Im Bericht stellen wir neue Ergebnisse vor: Im Schulalter starten die langsamen Wellen vor allem in den hinteren Hirnregionen. Wenn die Kinder die Adoleszenz erreichen, beginnen die langsamen Wellen nach und nach auch vom frontal Hirnbereich aus zu starten [1].
Das bedeutet einerseits, dass die Hirnverschaltung im Schlaf bei Kindern nicht die gleiche ist, wie diejenige von Erwachsenen. Andererseits zeigen die Erkenntnisse, dass Schlaf bei Kindern grundlegend anders ist als bei Erwachsenen – so dass der Zustand Schlaf einen Reifungsprozess erlebt.
Warum ist das wichtig?
Frühere Forschung hat gezeigt, dass:
- Schlaf wichtig ist um neue Dinge zu lernen [3, 4, 6]
- Wenn der Schlaf kürzer ist als normalerweise, reagieren Kinder (= dessen Hirnaktivität) anders auf diesen Schlaf-Entzug als Erwachsene [7]
- Im Verlauf der Kindheit und Entwicklung verändert sich die Verdrahtung des Gehirns, ein Prozess der in den ersten Lebenstagen beginnt und bis in die frühen Dreissiger anhält (!) [8]
Insgesamt verstehen wir zunehmend, inwiefern ausreichend Schlaf, und insbesondere die langsamen Wellen wichtig sind für die Entwicklung. Möglicherweise unterstützen jene die vielen Lernprozesse die während der Hirnentwicklung passieren.
Interessant ist zudem, dass die Muster, wie die langsamen Wellen über den Kopf gleiten sich nicht nur mit dem Alter verändern, sondern auch vom frühen zum späten Schlaf. Das zeigt, dass auch die Hirnverdrahtung sich vom frühen zum späteren Schlaf verändert – also eigentlich weniger als „Draht“ sondern eher als „Dynamik“ besteht. Wir verstehen auch, dass diese Schlafdynamik anzeigt wie aufmerksam oder bewusst wir gerade sind.
Gemäß Stand der Forschung ist also nicht ausschließlich geklärt welchen Effekt die langsamen Wellen und die Slow Oscillation auf unser Gehirn haben. Vielleicht zeigen diese einfach was im Gehirn passiert, oder aber sie unterstützen die speziell benötigten Hirnverbindungen. Möglicherweise unterstützen diese Gedächtnisprozesse, und helfen uns „dynamisch“ zu blieben, um uns an Veränderungen in unserer Umwelt anzupassen (Evolution), oder sie unterstützen die Prozesse der Hirnreifung der Kinder.
Wir bedanken uns bei Prof Igor Timofeev (Department of Psychiatry and Neuroscience, Université Laval, Québec, Canada), Prof. Monique LeBourgeois (Sleep and Development Laboratory, Department of Integrative Physiology, University of Colorado Boulder, Boulder, CO, USA), Prof. Reto Huber (Child Development Center, University Children’s Hospital Zurich, CH), und Dr. Brady Riedner (Wisconsin Institute for Sleep and Consciousness, Department of Psychiatry, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA) für die Zusammenarbeit. Wir bedanken uns für die Unterstützung dieser Forschung: University of Zurich (Clinical Research Priority Program Sleep and Health; Forschungskredit FK-18-047; Medical Faculty; to SK), the Swiss National Science Foundation (PBZHP3-138801, PBZHP3-147180; PCEFP1-181279 to SK; P0ZHP1-178697 to SFS; PP00A-114923 to RH), the National Institutes of Health (MH-086566 to MKL); Canadian Institutes of Health Research (MOP-136969, MOP-136967 to IT), the National Institutes of Health (NS104368 to IT) and National Sciences and Engineering Research Council of Canada (298475 to IT). Photo by Peter Oslanec on Unsplash
REFERENCES
[1] I. Timofeev, S. Schoch, M. LeBourgeois, R. Huber, B. Riedner, S. Kurth, Spatio-temporal properties of sleep slow waves and implications for development, Current Opinion in Physiology (in press).
[2] A.A. Borbély, P. Achermann, Homeostasis of human sleep and models of sleep regulation., in: M.H. Kryger, T. Roth, W.C. Dement (Eds.), Principles and Practice of Sleep Medicine W. B. Saunders, Philadelphia, 2000, pp. 377-390.
[3] G. Tononi, C. Cirelli, Sleep and the price of plasticity: from synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration, Neuron 81(1) (2014) 12-34.
[4] J.G. Klinzing, N. Niethard, J. Born, Mechanisms of systems memory consolidation during sleep, Nat Neurosci 22(10) (2019) 1598-1610.
[5] M. Massimini, R. Huber, F. Ferrarelli, S. Hill, G. Tononi, The sleep slow oscillation as a traveling wave, J Neurosci 24(31) (2004) 6862-70.
[6] R. Huber, M.F. Ghilardi, M. Massimini, G. Tononi, Local sleep and learning, Nature 430(6995) (2004) 78-81.
[7] S. Kurth, D.C. Dean, 3rd, P. Achermann, J. O’Muircheartaigh, R. Huber, S.C. Deoni, M.K. LeBourgeois, Increased Sleep Depth in Developing Neural Networks: New Insights from Sleep Restriction in Children, Front Hum Neurosci 10 (2016) 456.
[8] T. Paus, D.L. Collins, A.C. Evans, G. Leonard, B. Pike, A. Zijdenbos, Maturation of white matter in the human brain: a review of magnetic resonance studies, Brain Res Bull 54(3) (2001) 255-66.