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Text von Valeria Jaramillo
Eine neu veröffentlichte Studie widmete sich der grossen Frage, wieso wir schlafen. Interessanterweise scheint sich der Grund dafür abrupt im Alter von 2 bis 3 Jahren zu ändern.
Der Schlaf ist ein universelles Phänomen, das in allen bisher untersuchten Tierarten vorkommt 1. Deshalb sind sich Wissenschaftler einig, dass der Schlaf eine lebenswichtige Erholungsfunktion erfüllt. Jedoch bleibt der Mechanismus, der zur Erholung führt – was sich genau im Gehirn und Körper während der nächtlichen Erholungsphase abspielt – unter Wissenschaftlern ein heiss diskutiertes Thema. Zudem scheinen die beiden Hauptkomponenten des Schlafs – der REM (rapid eye movement)- und der NREM (non-rapid eye movement)-Schlaf – unterschiedliche Funktionen zu ermöglichen. Der Anteil von REM-Schlaf ist in Kleinkindern verblüffend hoch und nimmt mit zunehmendem Alter ab 2. Die neue Untersuchung von Prof. Van M. Savage und seiner Forschungsgruppe an der University of California in Los Angeles testet, ob sich die Hauptfunktion des Schlafs während der Entwicklung ändert. Um diese Frage zu untersuchen, haben sie eine mathematische Modellierungsstudie durchgeführt (wurde in Science Advances publiziert) 3.
In einem ersten Schritt hat das Team mathematische Modelle für die zwei populärsten Hypothesen der Schlaffunktion anhand von Beobachtungen in verschiedenen Tierarten und während der Entwicklung aufgestellt. Die erste Hypothese geht davon aus, dass der Schlaf Schäden an Gehirnzellen (Neuronen) verhindert, indem sich diese ausruhen können und toxische Abfallprodukte, die sich während einer Aktivitätsperiode ansammeln, entfernt werden 4,5. Die zweite Hypothese postuliert, dass der Schlaf die Verbindungen im Gehirn umstrukturiert, was für eine leistungsstarke Hirnfunktion und das Lernen ausschlaggebend ist 6,7. In einem zweiten Schritt wurden diese Hypothesen anhand von experimentellen Daten während der Entwicklung getestet. Bestehende Studien wurden in einer Meta-Analyse kombiniert und die Gesamtschlafenszeit, der Gehirnenergieverbrauch, die Gehirngrösse, die Kontakte zwischen den Neuronen und der Anteil von REM-Schlaf im Gesamtschlaf wurden untersucht.
Die faszinierenden Resultate deuten darauf hin, dass sich die Hauptfunktion des Schlafs im Verlauf der Entwicklung ändert 3. Während einer frühen Entwicklungsphase begünstigt der Schlaf vor allem eine Gehirnumstrukturierung, wohingegen die neuronale Reparaturfunktion des Schlafs in einer späteren Entwicklungsphase überwiegt. Interessanterweise erfolgte der Übergang von einer überwiegend Gehirnumstrukturierungs- zu einer neuronalen Reparaturfunktion abrupt im Alter von ungefähr 2.4 Jahren. Schliesslich schien der REM-Schlaf, aber nicht der NREM-Schlaf, die Gehirnumstrukturierung zu begünstigen.
Zusammenfassend zeigt diese Studie auf elegante Weise, dass der Schlaf – insbesondere der REM-Schlaf – eine Zeit darstellt, in der Gehirnnetzwerke in Kleinkindern geformt werden. Wenn wir älter werden (und möglicherweise selbst Eltern werden) wird der Schlaf zunehmend wichtiger, um die Reparatur und die Entfernung von toxischen Abfallprodukten zu ermöglichen, wodurch eine Schädigung des Gehirns verhindert wird.
Referenzen
1. Cirelli C, Tononi G. Is Sleep Essential? [Internet]. PLoS Biol. 2008;6(8). DOI: 10.1371/journal.pbio.0060216
2. Roffwarg HP, Muzio JN, Dement WC. Ontogenetic development of the human sleep-dream cycle. Science 1966;152(3722):604–619. DOI: 10.1126/science.152.3722.604
3. Cao J, Herman AB, West GB, et al. Unraveling why we sleep: Quantitative analysis reveals abrupt transition from neural reorganization to repair in early development [Internet]. Sci. Adv. 2020;6(38):eaba0398.
4. Vyazovskiy V V, Harris KD. Sleep and the single neuron: the role of global slow oscillations in individual cell rest. Nat. Rev. Neurosci. 2013;14(6):443–451. DOI: https://doi.org/10.1038/nrn3494
5. Jessen NA, Munk ASF, Lundgaard I, Nedergaard M. The Glymphatic System: A Beginner’s Guide. Neurochem. Res. 2015;40(12):2583–2599. DOI: 10.1007/s11064-015-1581-6
6. Tononi G, Cirelli C. Sleep and the price of plasticity: from synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration. Neuron 2014;81(1):12–34. DOI: 10.1016/j.neuron.2013.12.025
7. Rasch B, Born J. About Sleep’s Role in Memory . Physiol. Rev. 2013;93(2):681–766. DOI: 10.1152/physrev.00032.2012