Studien: Was geschieht im Schlaf mit dem Gehirn?

Synaptischen Veränderungen während des Schlafs entschlüsselt
Wieso brauchen wir Schlaf und was geschieht während der Ruhephasen in unserem Gehirn? Fragen, die bis heute nicht eindeutig beantwortet werden können. Forscher des Universitätsklinikums Freiburg haben nun herausgefunden, wie das Gehirn während des Schlafs Platz für neue Informationen schafft.

Weshalb Menschen und Tiere schlafen, ist laut Mitteilung des Freiburger Universitätsklinikums „noch immer nicht eindeutig geklärt.“ Das Forscherteam um Professor Dr. Christoph Nissen, Ärztlicher Leiter des Schlaflabors an der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Universitätsklinikums Freiburg, konnte in seiner aktuellen Studie jedoch nachweisen, dass „im Schlaf die allgemeine Aktivität der als Synapsen bezeichneten Nervenzell-Verbindungen reduziert wird.“ Das Gehirn räume praktisch im Schlaf auf und schaffe damit neuen Platz zur Speicherung von Informationen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in dem Fachmagazin „Nature Communications“.

Aktivität der Synapsen untersucht
Im Rahmen ihrer Studie untersuchten die Forscher zunächst die allgemeine Aktivität der Synapsen im Gehirn, die auch als Gesamtverbindungsstärke bezeichnet wird. Hierfür wurde mit Hilfe einer Magnetspule über dem Kopf der Probanden ein bestimmter Bereich im Gehirn gereizt, der für die Steuerung eines Daumenmuskels zuständig ist. Durch diese sogenannte Transkranielle Magnetstimulation (TMS) konnte die Verbindungsstärke überprüft werden. Hierbei stellten die Forscher fest, dass nach Schlafentzug bereits ein deutlich schwächerer Reiz eine Kontraktion des Muskels auslöst. Dies sei ein Zeichen für eine höhere synaptische Verbindungsstärke.

Synaptische Gesamtstärke steigt tagsüber und sinkt im Schlaf
Anhand von Elektroenzephalografie-Messungen (EEG) werteten die Forscher außerdem die unterschiedlichen Frequenzen der Hirnströme aus. Schlafentzug habe hier zu einem deutlichen Anstieg der sogenannten Theta-Wellen geführt, berichtet das Freiburger Uniklinikum. Aus vorangegangenen Tier- und Humanstudien sei bekannt, dass dies ein weiteres Anzeichen erhöhter synaptischer Gesamtstärke ist. Laut Professor Nissen senkt „Schlaf die tagsüber gestiegene Gesamtstärke der Synapsen im Gehirn“, während „nach Schlafentzug die Aktivität dagegen auf einem hohen Niveau“ bleibe.

Synaptische Plastizität wichtige Grundlage des Lernens
Im Zuge des Schlafs werden die meisten synaptischen Verbindungen geschwächt, manche sogar ganz abgebaut, berichten die Wissenschaftler. Nur wichtige Synapsen würden bestehen bleiben oder sogar gestärkt. Auf diese Weise schaffe das Gehirn wieder Platz, um neue Informationen zu speichern. Diese Anpassungsfähigkeit wird als synaptische Plastizität bezeichnet und ist eine wichtige Grundlage für das Lernen sowie für eine flexible Informationsverarbeitung. Nach Einschätzung der Forsch, spart der Abbau zudem „Platz und Energie sparen, da beides im Gehirn zu einem Großteil von den Verbindungsstellen benötigt wird.“

Schlafmangel führt zu einem Sättigungszustand
Bei der Aufnahme von Informationen im Tagesverlauf werden Synapsen im Gehirn gestärkt oder neu angelegt. In der aktuellen Studie sei nun erstmals der Nachweis gelungen, „dass Schlaf die Synapsen wieder herunterregelt und damit Platz für neue Informationen schafft“, so Studienleiter Prof. Dr. Nissen. „Das Gehirn räumt also im Schlaf auf“, betont der Experte. Werde dieser Prozess durch Schlafmangel unterbunden, gerate das Gehirn in einen Sättigungszustand. „Synapsen können dann nicht mehr ausreichend verstärkt oder neu aufgebaut werden. Entsprechend schwer fallen auch Lernen und flexible Informationsverarbeitung“, so Nissen weiter.

Schutzmechanismus gegen Überladung
In ihren Untersuchungen konnten die Forscher auch feststellen, dass der menschliche Organismus über einen Schutz vor Überladung verfügt. Erstmals seien beim Menschen Hinweise für ein Prinzip entdeckt worden, „das eine dauerhafte Reizverarbeitung gewährleistet, die sogenannte homöostatische Plastizität“, so die Mitteilung des Freiburger Universitätsklinikums. Wenn die Synapsen durch lange Wachphasen bereits maximal aktiv sind, führen neue Reize oder Informationen nicht zu einer Stärkung, sondern zu einer Schwächung der Nervenzell-Verbindungen, berichten die Forscher. Neu ankommende Reize würden dann wieder normal verarbeitet. „Es ist anzunehmen, dass praktisch alle Funktionen des Gehirns dadurch beeinflusst werden, wie etwa Emotionsregulation, Konzentration oder Lernen“, so Prof. Nissen.

Wieso verkraften manchen Menschen Schlafmangel besser?
Laut Angaben des Universitätsklinikums Freiburg fanden die Forscher „weiterhin Hinweise darauf, dass der Wachstumsfaktor BDNF (brain derived neurotrophic factor) bei der Regulation der synaptischen Aktivität eine wichtige Rolle spielt.“ Zwar sei bekannt, dass BDNF nach normalem Schlaf die Neuverknüpfung von Nervenzellen und damit das Lernen fördert, doch eine anhaltend hohe BDNF-Konzentration im Blut unter Schlafentzug habe eher zu einer Sättigung von Synapsen geführt. „Das könnte erklären, warum manche Menschen Schlafmangel besser verkraften als andere“, so der Studienleiter Prof. Nissen.

Hoffnung auf neue Therapieansätze
Die Forscher hoffen, dass ihre Erkenntnisse auch zur Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten beitragen können, beispielsweise nach einem Schlaganfall oder bei depressiven Störungen. Bei diesen Erkrankungen sei es wichtig, die Verschaltungen im Gehirn zu verändern. „Hierzu könnten eine gezielte Beeinflussung des Schlaf-Wach-Verhaltens, aber auch andere Verfahren wie die transkranielle Gleichstromstimulation oder Medikamente mit neuen Wirkmechanismen auf Plastizität genutzt werden“, so die Mitteilung des Universitätsklinikums Freiburg. (fp)