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Wie schläft das Hirn?

Hirnregionen, die tagsüber besonders stark beansprucht werden, brauchen in der Nacht auch mehr Schlaf. Das belegen neueste Untersuchungen aus der Schlafforschung. Hintergründe über diesen regionalen Schlaf und seine Auswirkungen auf unser Schlafverhalten.
|Wir wissen, dass der Schlaf unentbehrlich ist, aber wir wissen immer noch nicht genau warum. Die Erforschung des Schlafs und seiner Funktion ist eine der grossen Herausforderungen der biomedizinischen Grundlagenforschung. Ein Ansatz, den unsere Forschergruppe seit Jahren verfolgt, ist die Suche nach physiologischen Korrelaten der Erholungsfunktion des Schlafs.

Der Tiefschlaf ist gekennzeichnet durch hohe und langsame Hirnstromwellen (Elektroenzephalogramm, EEG). Wenn dieser Schlafzustand dreissig bis vierzig Minuten nach dem Einschlafen erreicht ist, befindet man sich in einem Zustand, der auch durch laute Geräusche und andere starke Reize kaum unterbrochen werden kann. Wird man trotzdem aus dem Tiefschlaf geweckt, dauert es eine ganze Weile, bis man wieder vollständig «da ist». Die Schlaftrunkenheit hält eine ganze Weile an, und die Tendenz, wieder einzuschlafen, ist gross. Der Tiefschlaf tritt gewöhnlich in den ersten Schlafstunden auf, während später in der Nacht ein oberflächlicherer Schlaf vorherrscht.
Die abnehmende Schlaftiefe kann anhand der Verringerung der langsamwelligen Aktivität im EEG verfolgt werden. Bleibt man einmal während der Nacht ohne Schlaf und schläft auch am folgenden Tag nicht, so tritt in der Erholungsnacht ein ungewöhnlich tiefer Schlaf und eine besonders ausgeprägte langsamwellige EEG-Aktivität auf.
Aus diesen Befunden lässt sich schliessen, dass sich nicht nur die Schlafintensität, sondern möglicherweise auch die Erholungsfunktion des Schlafs in dieser elektrophysiologischen Messgrösse widerspiegelt.
Gibt es einen «Schlafstoff»?
Wie kommt es zu diesen charakteristischen EEG-Veränderungen? Als Erklärungsversuch wurde schon früh postuliert, dass die
mit der fortdauernden Wachzeit zunehmende Schlafbereitschaft auf einen Ermüdungsstoff oder ein Hypnotoxin zurückzuführen ist. Dieser würde sich im Laufe des Wachens im Gehirn ansammeln und würde während des Schlafs abgebaut. Ausserordentlich aufwendige Versuche wurden unternommen, um nachzuweisen, dass durch die Übertragung der in den Hirnkammern befindlichen Flüssigkeit (Liquor) von einem schlafentzogenen Versuchstier in ein Empfängertier die Schlafbereitschaft tatsächlich erhöht wird.
Obwohl positive Befunde erhoben wurden, ist es nicht gelungen, eine bestimmte chemische Substanz als den natürlichen «Schlafstoff» zu identifizieren. Die Annahme liegt nahe, dass eine ganze Reihe körpereigener Substanzen an der physiologischen Schlafregulation beteiligt sind und es nicht einen einzigen «Schlafstoff» gibt.
Wenn Delphine schlafen
Im Zusammenhang mit diesen Untersuchungen ist die Frage aufgetaucht, ob das gesamte Gehirn vom Schlafvorgang in gleichem Masse erfasst wird oder ob gewisse Hirnregionen einen intensiveren Schlaf aufweisen als andere. Es wäre denkbar, dass Hirngebiete, die während des Wachens besonders stark beansprucht worden sind, ein besonders hohes Schlafbedürfnis zeigen. Der Schlaf wäre demnach nicht nur ein globaler, sondern auch ein lokaler Hirnvorgang.
Der erste eindeutige Hinweis auf einen regionalen Schlaf stammte aus Untersuchungen am Delphin. Dieser Meeressäuger weist auch die typischen EEG-Merkmale des Tiefschlafs auf. Im Unterschied zum Menschen und anderen Säugern treten indessen die langsamen Tiefschlafwellen im EEG nur in einer Hirnhälfte auf, während in der anderen Hälfte ein Wach-EEG vorherrscht. Nach einer gewissen Zeit kommt es zu einem Wechsel, und die vormals wache Hirnhälfte verfällt in den Tiefschlaf, während die vormals schlafende «aufwacht». Nie treten die Tiefschlafwellen in beiden Hirnhemisphären gleichzeitig auf.
Was auch immer die Ursache dieses aussergewöhnlichen Schlafablaufs ist, diese Beobachtung macht deutlich, dass der Schlaf nicht unbedingt das gesamte Gehirn gleichmässig erfasst. Die russische Forschergruppe Lev Mukhametov, die seit Jahren den Schlaf verschiedener Meeressäuger untersucht, konnte sogar nachweisen, dass die Hirnhälften unabhängig voneinander auf Schlafentzug reagieren. Wurde beim Delphin der Tiefschlaf selektiv in einer Hemisphäre verhindert, so hatte diese Intervention nur in dieser eine Schlafintensivierung zur Folge, nicht jedoch in der gegenseitigen Hemisphäre. Diese Befunde zeigen eindrücklich, dass die langsamwellige Tiefschlafaktivität als Folge des «regionalen Wachzustands» im Gehirn auftreten kann.
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Dr. Peter Bösiger ist ausserordentlicher Professor am Institut für Biomedizinische Technik und Medizinische Informatik von Universität und ETH Zürich.
Dr. Anton Valavanis ist ordentlicher Professor für Neuroradiologie am Institut für medizinische Radiologie der Universität Zürich.