Studie

Tiefschlaf sichert Lernfähigkeit des Gehirns

Zürcher Wissenschaftler haben nach eigenen Angaben einen Beleg für den kausalen Zusammenhang zwischen Tiefschlaf und Lernfähigkeit gefunden („Nature Communications“).

Tiefschlaf ist essenziell, um die Lernfähigkeit des Gehirns langfristig zu erhalten.
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Die meisten Menschen wissen aus eigener Erfahrung, dass schon eine einzelne schlaflose Nacht dazu führen kann, dass mentale Aufgaben tags darauf nur mit Mühe bewältigt werden können. Wissenschaftler gehen davon aus, dass der Tiefschlaf essenziell ist, um die Lernfähigkeit des Gehirns langfristig zu erhalten. Während wir wach sind, erhalten wir ständig Eindrücke aus unserer Umwelt, wodurch zahlreiche Synapsen erregt und zeitweise verstärkt werden. Erst im Schlaf wird die Erregbarkeit von Synapsen wieder normalisiert.

Ohne Erholungsphase bleiben viele Synapsen maximal erregt, so dass keine Veränderung im System mehr möglich ist: Die Lernfähigkeit ist blockiert. Der Zusammenhang zwischen Tiefschlaf und Lernfähigkeit ist zwar schon lange bekannt und belegt. Nun haben die Forscher der Universität Zürich und der ETH Zürich allerdings eine kausale Verbindung im menschlichen Gehirn zeigen können. Den Wissenschaftlern um die Professoren Reto Huber (UZH) und Nicole Wenderoth (ETH) ist es gelungen, den Tiefschlaf von Versuchspersonen gezielt zu manipulieren.

In dem zweiteiligen Experiment mit sechs Frauen und sieben Männern mussten die Probanden drei unterschiedliche motorische Aufgaben bewältigen. Konkret ging es darum, tagsüber verschiedene Abfolgen von Fingerbewegungen zu erlernen. In der Nacht wurden die Hirnaktivitäten der Versuchsteilnehmer während des Schlafs mittels EEG überwacht. Während die Probanden am ersten Tag nach der Lernphase ungestört schlafen konnten, wurde ihr Schlaf am zweiten Versuchstag gezielt beeinflusst – mittels akustischer Stimulation während der Tiefschlafphase. Die Forscher lokalisierten hierzu genau jene Hirnregion, die für das Erlernen der erwähnten Fingerbewegungen, also die Steuerung der motorischen Fähigkeiten, zuständig ist (Motorcortex). Die Probanden waren sich indes der Manipulation nicht bewusst, für sie war die Schlafqualität beider Experimentalphasen am Folgetag vergleichbar.

In einem zweiten Schritt untersuchten die Forscher, wie sich die Beeinflussung des Tiefschlafs auf die motorischen Lernaufgaben am Folgetag auswirkt. Dazu beobachteten sie, wie sich die Lern- und Leistungskurven der Versuchsteilnehmer im Verlauf des Experiments veränderten. Erwartungsgemäss konnten die Teilnehmer die motorische Aufgabe vor allem am Morgen gut erlernen. Je später die Stunde, desto höher war die Fehlerquote. Nach dem Schlaf verbesserte sich die Lernfähigkeit wieder deutlich. Nicht so aber nach der Nacht mit der manipulierten Schlafphase. Hier zeigten sich deutliche Leistungseinbussen und deutliche Schwierigkeiten beim Erlernen der Fingerbewegungen. Die Lernfähigkeit war ähnlich schwach wie am Abend des ersten Versuchstags. Durch die Manipulation des Motorcortex wurde die Erregbarkeit der entsprechenden Synapsen im Schlaf nicht herabgesetzt. „In der noch immer stark erregten Hirnregion war die Lernfähigkeit gesättigt und liess keine Veränderungen mehr zu, so dass das Erlernen motorischer Fähigkeiten gehemmt war“, erläutert Nicole Wenderoth.

In einem Kontrollexperiment manipulierten die Wissenschaftler bei identischer Aufgabenstellung eine andere Hirnregion während des Tiefschlafs. Hier zeigten sich jedoch keinerlei Effekte auf die Leistungsfähigkeit der Versuchsteilnehmer. Ziel der Wissenschaftler ist es nun, dass ihre Erkenntnisse auch in klinische Studien einfliessen. „Es gibt viele Krankheiten, die sich auch im Schlaf manifestieren, zum Beispiel Epilepsie. Wir erhoffen uns dank der neuen Methode, gezielt jene Hirnregionen beeinflussen zu können, die direkt mit der Krankheit in Verbindung stehen“, erklärt der Schlafforscher Reto Huber.

Dass auch Menschen während des Schlafes vorher Gelerntes verarbeiten, wird zwar seit Langem vermutet, ist aber schwer nachweisbar. Tübinger Wissenschaftlern haben kürzlich ein Verfahren vorgestellt, mit denen ihnen nach eigenen Angaben der Nachweis geglückt ist.

Aus Tierexperimenten ist bekannt, dass neue Gedächtnisinhalte im Schlaf reaktiviert werden, unser Gehirn also die Lernerfahrung noch einmal abspielt, während wir schlafen.. Bislang war solch eine Reaktivierung von Lerninhalten beim Menschen schwer nachweisbar, da sich die Aktivität einzelner Neurone nicht beobachten lässt und die meisten Gedächtnisinhalte ganze Netzwerke von Hirnregionen aktivieren. Die Wissenschaftler der Universität Tübingen konnten nun mit neuen statistischen Mustererkennungsmethoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens zeigen, dass auch der Mensch im Schlaf vorher Gelerntes verarbeitet. Die Ergebnisse erschienen am Mittwoch im Fachmagazin Nature Communications.

Mit Hilfe eines Elektroenzephalogramms (EEG) untersuchten die Forscher die Hirnaktivität im Schlaf. Sie zeichneten nachts die elektrische Hirnaktivität von Versuchsteilnehmern auf, die vorher unter verschiedenen Versuchsbedingungen unterschiedliche Arten von Bildern auswendig gelernt hatten. Mit diesen Daten wurde dann eine sogenannte Support-Vektor-Maschine – ein Computeralgorithmus zur Mustererkennung – darauf trainiert, die unterschiedlichen Lernbedingungen auseinanderzuhalten. Der Algorithmus war danach in der Lage, allein aus dem Schlaf-EEG anderer Probanden zu bestimmen, welche Art von Bildern diese vor dem Schlaf gesehen haben. Das Lernen der Bilder musste also die Aktivität des Gehirns im Schlaf verändert haben.

Zeichen für die schlafabhängige Verarbeitung von Lerninhalten fanden die Forscher sowohl im Tiefschlaf als auch im REM-Schlaf. „Je stärker das vorherige Lernmaterial im Schlaf verarbeitet wurde, desto besser behielten die Versuchsteilnehmer die Inhalte“, erklärt Dr. Monika Schönauer, die die Studie zusammen mit ihrer Kollegin Sarah Alizadeh maßgeblich durchgeführt und ausgewertet hat. „Unsere Ergebnisse liefern damit die ersten Hinweise dafür, dass die schlafabhängige Verarbeitung von Lernerfahrungen tatsächlich zu einer Stabilisierung des Gedächtnisses führt."

Interessanterweise ließ sich dieser Zusammenhang zwischen der Wiederverarbeitung und der Gedächtnisleistung nur im Tiefschlaf nachweisen, nicht jedoch im REM-Schlaf. „Tiefschlaf und REM Schlaf scheinen beide an der Gedächtnisverarbeitung im Schlaf beteiligt zu sein. Sie haben aber unterschiedliche Funktionen", schließt Schönauer aus den Ergebnissen. Es sei nun besonders wichtig, genauer zu verstehen, welche Funktion der REM-Schlaf habe.

Ein großer Teil der Forschungsarbeit bestand darin, einen Algorithmus zu entwickeln, der Schwankungen in der elektrischen Hirnaktivität im Schlaf erkennt, die durch vorheriges Lernen ausgelöst wurden. „Wir mussten also eine Möglichkeit finden, die winzigen, relevanten Muster im Meer der Hirnaktivität des Nachtschlafs zu identifizieren", sagt Professor Steffen Gais, der die Studie federführend leitete. Dies gelang letztlich mit den Methoden des maschinellen Lernens zur multivariaten Mustererkennung, wie sie auch von den großen Suchmaschinen im Internet eingesetzt werden. Gais ist zuversichtlich, was künftige Studien angeht: „Musterkennung ist eine äußerst sensitive Methode, die in den Lebenswissenschaften immer breitere Anwendung findet. Ich gehe davon aus, dass gerade im Bereich der kognitiven Neurowissenschaften damit Durchbrüche möglich werden, wenn es darum geht, bisher verborgene Prozesse wie Träume oder spontane Denkvorgänge zu entschlüsseln.“

Die Studie der Tübinger Wissenschaftler ist vor wenigen Tagen ebenfalls im Fachmagazin „Nature Communications“ erschienen.


26.05.2017 10:27:05, Autor: Dr. med. Thomas Kron