Obwohl unser Bewusstsein im Schlaf scheinbar ruht, ist unser Gehirn alles andere als inaktiv. Vielmehr ist die Nacht eine entscheidende Phase, in der unser Gehirn Informationen verarbeitet, Gedächtnisinhalte ordnet und sogar Synapsen repariert. Doch was genau passiert in diesem komplexen Organ, während wir uns im Reich der Träume befinden?
Bewusstsein und Gehirn: Ein komplexes Zusammenspiel
Die Frage, was Bewusstsein eigentlich ist, bleibt bis heute ein Rätsel. Es gibt keinen einzelnen Ort im Gehirn, an dem das Bewusstsein lokalisiert werden könnte. Stattdessen handelt es sich um ein Konstrukt, das eng mit der Aktivität des Gehirns verknüpft ist.
Das Gehirn hingegen lässt sich präzise beobachten und untersuchen. So wissen wir beispielsweise, dass mit zunehmender Schlaftiefe der Frontallappen, der unter anderem für Zukunftsplanung und Bewegungskontrolle zuständig ist, weniger aktiv wird.
Schlaf: Ein essenzieller Lernprozess
Während des Schlafs ist das Bewusstsein zwar ausgeschaltet, aber das Gehirn arbeitet weiter. Es sortiert Gedächtnisinhalte, repariert Synapsen und sorgt dafür, dass Erlebtes gefestigt und verarbeitet wird. Wer etwas lernen möchte, profitiert davon, sich direkt danach auszuruhen. Studien haben gezeigt, dass sowohl Tiere als auch Menschen besser lernen, wenn sie nach dem Lernen schlafen.
Die Relevanz der verschiedenen Schlafphasen
Ein Forscherteam der Universität Bern wies nach, dass es sogar möglich ist, im Schlaf neue Vokabeln zu lernen. Sie beschallten schlafende Probanden mit Fantasiewörtern und ordneten diesen verschiedene Bedeutungen zu. Wurde ein Wort in der sogenannten Up-State-Schlafphase gehört, in der die Gehirnzellen gemeinsam aktiv sind, konnten die Probanden nach dem Aufwachen Fragen zur Bedeutung des Wortes korrekt beantworten. In der Down-State-Phase hingegen ist das Gehirn weniger aktiv. Diese beiden Phasen wechseln sich ab und dauern jeweils eine halbe Sekunde.
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Diese Erkenntnisse untermauern die Redensart "Da muss ich erstmal drüber schlafen". Oftmals gehen wir mit einem ungelösten Problem ins Bett und finden am nächsten Morgen wie von Zauberhand eine Lösung. Dies zeigt, wie unser Gehirn unbewusst arbeitet und Probleme löst. Es ist daher wichtig, auf eine gute Schlafqualität zu achten, damit das Gehirn seine Aufgaben optimal erfüllen kann.
Neuronale Reorganisation im Schlaf
Eine Forschungsgruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hat die Schlüsselrolle der Schlafphasen für die Optimierung der Gedächtnisleistung nachgewiesen. Sie fanden heraus, dass sich die neuronalen Aktivitätsmuster im Gehirn während des Schlafs neu organisieren. Neuronen, die mit bestimmten Orten oder Erfahrungen verbunden sind, bleiben nicht alle während des gesamten Schlafs aktiv. Einige Neuronen werden in späteren Schlafphasen inaktiv, während andere allmählich aktiv werden.
Dieses Phänomen, das als "representational drift" bezeichnet wird, könnte dazu dienen, Gedächtnisrepräsentationen zu optimieren und Gehirnressourcen für die langfristige Speicherung von Erinnerungen zu reduzieren. Nach dem Schlaf sind weniger Neuronen mit einem bestimmten Ort oder einer bestimmten Erfahrung verbunden, wodurch Neuronen für neue Erinnerungen freigesetzt werden.
Die Reinigung des Gehirns im Schlaf
Im Schlaf findet auch eine wichtige Reinigung des Gehirns statt. Der Slow-Wave-Schlaf im Non-REM-Schlaf (NREM) ist essenziell für die Gedächtnisbildung. Während des NREM-Schlafs erhöhen sich das Liquorvolumen und dessen Fluss durch das Gehirn, wodurch toxische Abfallstoffe entfernt werden.
Eine Studie hat gezeigt, dass der niedrigen Aktivität der Neuronen im Slow-Wave-Schlaf abwechselnde Schwankungen im Blutvolumen und der Liquormenge im Gehirn folgen. Sinkt das Blutvolumen, fließt Liquor in das Gehirn und umgekehrt. Es wird vermutet, dass die Nervenzellen bei reduzierter Aktivität weniger Sauerstoff benötigen, weshalb die Durchblutung abnimmt und das herausströmende Blut Platz für die Zerebrospinalflüssigkeit lässt.
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Veränderungen der Wahrnehmung beim Einschlafen
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Psychiatrie in München haben untersucht, wie die Änderungen der Wahrnehmung beim Einschlafen ausgelöst werden. Sie fanden heraus, dass die Aktivität von Nervenzell-Netzwerken, die Gehirnregionen miteinander verbinden, im Schlaf systematisch umorganisiert wird. So wird der Hippokampus, eine für Gedächtnisprozesse wichtige Region, bereits im leichten Schlaf aus dem Netzwerk ausgekoppelt. Der Frontallappen wird mit zunehmender Schlaftiefe sogar ganz aus dem Netzwerk ausgeschlossen.
Das "Default Mode Netzwerk", das für nach innen gerichtete Aufmerksamkeitsvorgänge zuständig ist, verliert je nach Schlafstadium einen Teil seiner anatomischen Verknüpfungen. Das Gegen-Netzwerk, das für die Verarbeitung von Außenreizen zuständig ist, bleibt jedoch über alle Schlafphasen vorhanden.
Langsame Gehirnwellen und Gedächtnisbildung
Ein Forschungsteam der Charité - Universitätsmedizin Berlin hat herausgefunden, dass langsame Gehirnwellen die Hirnrinde, den Sitz des Langzeitgedächtnisses, besonders empfänglich für Informationen machen. Die Wissenschaftler simulierten in Gewebeproben aus der Hirnrinde die Spannungsschwankungen, die für langsame Wellen im Tiefschlaf typisch sind, und maßen dann die Reaktion der Nervenzellen. Sie fanden heraus, dass die synaptischen Verbindungen zwischen den Neuronen der Hirnrinde zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt während der Spannungsschwankungen maximal verstärkt sind.
Dies bedeutet, dass die Hirnrinde in diesem kurzen Zeitfenster in einen Zustand erhöhter Bereitschaft versetzt ist. Spielt das Gehirn eine Erinnerung genau jetzt ab, wird sie besonders effektiv ins Langzeitgedächtnis überführt.
Das glymphatische System: Die Müllabfuhr des Gehirns
Das Gehirn verbraucht sehr viel Energie und produziert dabei Stoffwechselprodukte, die abgebaut und abtransportiert werden müssen. Das glymphatische System sorgt dafür, dass die Leerräume zwischen den Nerven- und Nervengewebszellen mit Liquor durchgespült und so die Schadstoffe abtransportiert werden.
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Es wird vermutet, dass das glymphatische System vor allem während des Schlafens aktiv ist. Ein gestörter Schlafrhythmus könnte dazu führen, dass das glymphatische System weniger gut arbeitet. Es gibt Hinweise darauf, dass Störungen des glymphatischen Systems im Gehirn zur Entstehung von Krankheiten wie Migräne, Epilepsien oder Schlafstörungen führen können. Auch die Entstehung der Alzheimer-Krankheit könnte durch einen gestörten Abtransport von Beta-Amyloid-Proteinen begünstigt werden.
Schlafentzug und seine Folgen
Schlafentzug führt dazu, dass Menschen gereizt und emotional unausgeglichen reagieren. Die Aufmerksamkeit sowie die Fähigkeit, schnell zu reagieren und Probleme zu lösen, lassen nach. Es gibt bereits Hinweise darauf, dass ein gestörter Schlafrhythmus dazu führen könnte, dass das glymphatische System weniger gut arbeitet.
Schlaf reguliert synaptische Verbindungen
Wissenschaftler der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Universitätsklinikums Freiburg haben gezeigt, dass im Schlaf die allgemeine Aktivität der synaptischen Verbindungen reduziert wird. Die meisten Verbindungen werden geschwächt, manche sogar ganz abgebaut. Nur wichtige Synapsen bleiben bestehen oder werden gestärkt. Dadurch schafft das Gehirn wieder Platz, um neue Informationen zu speichern.
Wird dieser Prozess durch Schlafmangel unterbunden, gerät das Gehirn in einen Sättigungszustand. Synapsen können dann nicht mehr ausreichend verstärkt oder neu aufgebaut werden.
REM-Schlaf: Mehr als nur Träume
Bislang gingen Forschende davon aus, dass die Phase des REM-Schlafs durch eine erhöhte Neuronenaktivität gekennzeichnet ist - und damit dem Wachzustand ähnelt. Mithilfe neuer Methoden konnte jedoch gezeigt werden, dass die meisten Zellen ihre Aktivität im REM-Schlaf deutlich reduzieren und nur eine relativ kleine Gruppe von Neuronen aktiv ist. Diese Neuronen hemmen die Aktivität der restlichen Neuronen.
Lernen im Schlaf
Es ist sogar möglich, im Schlaf neue Informationen aufzunehmen. In einer Studie wurden schlafende Probanden mit Fantasiewörtern beschallt und konnten diese nach dem Aufwachen korrekt zuordnen, wenn sie die Wörter in bestimmten Schlafphasen gehört hatten.