Wer ausgeschlafen ist, ist geistig wacher und sein Gedächtnis funktioniert zuverlässiger. Der Schlaf ist für unser Gehirn weit mehr als Erholung, denn in dieser Ruhephase werden Verbindungen zwischen Nervenzellen verstärkt, neu geknüpft oder auch abgebaut. Noch wichtiger ist diese Phase für Kinder, deren Hirn noch in der Entwicklung begriffen ist.
Der Schlaf verläuft nach einem festgelegten Muster: Tiefschlafphasen werden von REM-Phasen abgelöst. Diese Zyklen wiederholen sich etwa vier bis fünf Mal. Mit der Elektroenzephalografie lässt sich der Schlafverlauf aufzeichnen, ohne ihn zu stören. Für jede Schlafphase gibt es charakteristische Wellenmuster. Der Schlafrhythmus des Menschen wird durch eine innere Uhr gesteuert. Der wichtigste Taktgeber ist das Tageslicht. Wird es langsam dunkler wird, schüttet das Gehirn Hormone aus, die müde machen. Gleichzeitig werden Prozesse heruntergefahren, die für das Wachsein zuständig sind.
Die Bedeutung des Schlafs für das Gehirn
Während des Schlafs bleibt unser Stirnhirn aktiv - der sogenannte präfrontale Kortex: Er sorgt dafür, dass Erinnerungen und Gelerntes in das Langzeitgedächtnis übergehen. Vieles von dem, was wir tagsüber lernen, wird zunächst im Hippokampus zwischengespeichert. Später, beim Übergang von der Wach- in die Schlafphase werden die Erinnerungen gefestigt: Die Gedächtnisspuren werden dabei in andere Gehirnregionen „übertragen“ und dort dauerhaft gespeichert.
IGF2 und seine Auswirkungen auf das Gedächtnis
Forscher des Max-Planck-Instituts für experimentelle Medizin in Göttingen und der Ludwig-Maximilians-Universität München haben die Produktion des Wachstumsfaktors IGF2 vom Schlaf-Wach-Rhythmus entkoppelt und das Langzeitgedächtnis von Mäusen verbessert. Die Forscher untersuchten genetisch veränderte Mäuse, bei denen der Schlaf-Wach-Rhythmus gestört ist und die strikt tageszeitliche Regulation von IGF2 in der Hirnrinde ausgeschaltet war. Der Wachstumsfaktor IGF2 und seine Wirkung war damit nicht mehr an den Schlaf-Wach Rhythmus gekoppelt. Außerdem war die Produktion des Polypeptids wesentlich erhöht. Die Mäuse hatten dadurch nicht nur ein besseres Gedächtnis als normale Mäuse, sondern waren auch geistig fitter: Sie besitzen ein besseres Langzeitgedächtnis und können veraltete Erinnerungen besser korrigieren. IGF2 gilt unter Neurowissenschaftlern als Substanz, die die geistige Leistungsfähigkeit verbessert, und ist auch ein Kandidat für die Alzheimer-Therapie.
Die Max-Planck-Forscher fanden allerdings in ihrer Studie auch heraus, dass IGF2 dem Gehirn langfristig schadet. Neben dem verbesserten Langzeitgedächtnis legten die Mäuse psychiatrisch auffällige Verhaltensmuster an den Tag: So waren sie nervöser und ängstlicher. Und auch die gesteigerte Gedächtnisleistung selbst war nur von kurzer Dauer. Bei gealterten Mäusen fiel sie wieder drastisch ab. Deshalb warnt Rossner: „Die Verwendung von IGF2 in der Alzheimertherapie muss kritisch beleuchtet werden.
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Die Reinigung des Gehirns im Schlaf
Eine aktuelle Studie mit Mäusen hat bestätigt, dass Schlaf das Gehirn auch von Giftstoffen reinigt, die sich während des wachen Zustandes ansammeln. Während des Schlafs vergrößert sich der Zellabstand, sodass Giftstoffproteine abtransportiert werden können. Es ist möglich, dass durch diesen Abtransport Krankheiten wie Alzheimer abgewehrt werden können.
Die Schlafphasen: Ein Zyklus der Erholung
Wenn man sich abends ins Bett legt, beginnt ein Entspannungsprozess: Atmung und Puls verlangsamen sich, der Blutdruck und die Körpertemperatur sinken. Die Muskeln lockern sich. Dann schließen sich Augenlider, die Augäpfel verharren in einer Stellung. Das Gehirn entspannt, sodass es Reize wie leise Geräusche oder sanfte Berührungen nicht mehr weiterleitet: Man ist eingeschlafen.
Der nächtliche Schlaf ist nicht als monotoner Zustand zu verstehen, in dem Kopf und Körper komplett untätig sind. Vielmehr durchlebt der Mensch während des Schlafens verschiedene Phasen: Einschlafphase, Leichtschlafphase, Tiefschlaf und REM (Rapid Eye Movement)-Schlaf - wir schlafen nach einem festen Rhythmus. Vom leichten Traumschlaf bis hin zum reglosen Tiefschlaf - den Weg durch alle Schlafphasen nimmt der Mensch innerhalb einer Nacht gleich mehrmals hintereinander.
Unser Schlaf besteht aus einer Abfolge von sich wiederholenden Schlafzyklen, die wir jede Nacht unbemerkt durchlaufen. Ein solcher Zyklus dauert etwa 90 bis 110 Minuten und ist aus verschiedenen, aufeinanderfolgenden Schlafphasen aufgebaut. Jede Schlafphase hat charakteristische Merkmale und Funktionen. So sind zum Beispiel unterschiedliche Gehirn- und Muskelaktivitäten messbar.
Innerhalb dieser Schlafphasen wird zwischen zwei Arten von Schlaf unterschieden: dem Non-REM- und REM-Schlaf. REM steht dabei für den englischen Begriff „rapid eye movement“. Die Bezeichnung kommt von den sehr schnellen Augenbewegungen, die die Schlafenden trotz geschlossener Augen aufzeigen.
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Aufbau eines Schlafzyklus
Ein Schlafzyklus besteht aus folgenden Phasen:
- Einschlafphase (erste Non-REM-Phase - nur im ersten Zyklus)
- Leichter Schlaf (zweite Non-REM-Phase)
- Tiefschlafphase (dritte Non-REM-Phase)
- REM-Schlafphase
Ist die REM-Schlafphase zu Ende, beginnt der nächste Schlafzyklus, sodass wir jede dieser Phasen (mit Ausnahme der Einschlafphase) mehrmals pro Nacht durchlaufen. Manche Personen wachen nach dem REM-Schlaf kurz auf, andere schlafen durch und bemerken nicht, dass ein neuer Schlafzyklus beginnt. Schläft eine Person acht Stunden, durchläuft sie ungefähr fünf Schlafzyklen.
Mit jedem Zyklus wird der REM-Schlaf länger und die Tiefschlafphasen kürzer. Das Alter nimmt dabei Einfluss auf die Länge des nächtlichen REM-Schlafs. Bei Kindern und Jugendlichen im Alter von 5 bis 19 Jahren werden die Traumschlafphasen langsam länger und bleiben danach relativ stabil. Ein junger Erwachsener verbringt etwa ein Viertel des Nachtschlafs in der REM-Schlafphase. Ab einem Alter von 60 Jahren nimmt die Dauer der REM-Schlafphase dann wieder etwas ab.
Einschlafphase
Die Einschlafphase ist ein sehr leichter Schlaf und bildet den Übergang zwischen Wachsein und Schlafen. Der Körper kommt in dieser Schlafphase langsam zur Ruhe. Atmung und Puls werden langsamer, die Muskeln entspannen sich zunehmend, auch die Körpertemperatur sinkt ab. Man neigt zum Frösteln. Mit dem Nachlassen der Sinneswahrnehmungen vermindert sich die geistige Aktivität. Die Konzentration lässt nach, die Reaktionszeiten werden länger. Das Bewusstsein ist nur noch schwach vorhanden. Die Augenbewegungen verändern sich: Sie werden langsamer und bewegen sich vertikal, anstatt horizontal wie im Wachzustand. Der Schlaf ist jetzt noch sehr leicht. Schon kleine Störungen können uns wecken und wir sind wieder hellwach.
Das Einschlafen dauert zwischen fünf und etwa 30 Minuten. An den eigentlichen Moment des Einschlafens können wir uns nicht erinnern. In Sekundenbruchteilen setzt das Gehirn chemische Substanzen frei, die das Bewusstsein abschalten.
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Leichtschlafphase
In der Leichtschlafphase entspannen sich die Muskeln. Dadurch können Muskelzuckungen auftreten. Die Pupillen werden enger. Die Augenbewegungen kommen zum Stillstand. Das Bewusstsein ist komplett abgeschaltet. Diese Schlafphase wird während der Nacht zunehmend länger und macht mehr als die Hälfte der gesamten Schlafzeit aus.
Tiefschlafphase
In der Tiefschlafphase findet die eigentliche körperliche Entspannung und geistige Erholung statt. Man ist nur noch sehr schwer zu wecken. Falls dies geschieht, finden wir nur langsam zurück ins Bewusstsein und schlafen meist direkt noch mal ein. Der Körper schüttet in dieser Schlafphase große Mengen von Wachstumshormonen aus, die er für seine Regeneration braucht. Das Immunsystem wird aktiviert, entsorgt den Abfall des Stoffwechsels und produziert vermehrt Abwehrstoffe. Dies ist die Zeit der Zellreparatur. Müde Muskeln regenerieren. Haut, Haare und Knochen wachsen nach.
Schlafforscher vermuten, dass in den Delta-Wellen der Tiefschlafphase die Antwort auf die Frage zu finden ist, warum wir überhaupt schlafen. Während des Tages entstehen Synapsen zwischen den Gehirnzellen. Viele davon sind überflüssig und stören die wirklich bedeutenden Erinnerungen. Die Delta-Wellen entfernen sie und schaffen Platz für Neues.
REM-Phase
Vom Einschlafen bis in den Tiefschlaf bleibt unser Schlaf im Wesentlichen gleichförmig. Das ändert sich mit dem Einsetzen des REM-Schlafes. Der Name geht auf die schnellen Augenbewegungen zurück, die für diesen Schlafabschnitt charakteristisch sind - dem „Rapid Eye Movement“. Die Gehirnaktivität beschleunigt sich in dieser Schlafphase erheblich. Es werden Informationen aus dem Langzeitspeicher des Gehirns abgerufen, aber auch emotionale Sinneseindrücke verarbeitet. Die Erinnerungen werden neu geordnet. Deshalb träumen wir insbesondere in der REM-Phase. Die Muskulatur ist stark erschlafft und schützt den Schlafenden davor, Träume körperlich auszuleben und sich selbst zu verletzen. Trotzdem können sich Puls und Atmung beschleunigen.
Die Steuerung des REM-Schlafs im Gehirn
Neben zahlreichen Neurotransmittern - den Botenstoffen der Nervenzellen -, die am Schlafprozess beteiligt sind, sind einige Regionen im Gehirn für den REM-Schlaf besonders von Bedeutung. Der Hirnstamm zum Beispiel sorgt dafür, dass die Muskelaktivität im Körper sinkt. Während des REM-Schlafs ist unsere Arm- und Beinmuskulatur paralysiert, das heißt, wir können sie nicht bewegen. Und das aus gutem Grund, denn die REM-Schlafphase ist die Schlafphase, in der wir die meisten Träume erleben. So kommt es nicht zu ungewollten Bewegungen, wenn wir träumen. Da die Bewegungsunfähigkeit von den Schlafenden normalerweise nicht wahrgenommen wird, spricht man in der Regel von einer REM-Atonie (Schlaffheit) der Muskulatur. Wenn die Bewegungsunfähigkeit in der Aufwachphase bemerkt wird, wie es im Rahmen einer Schlafstörung vorkommen kann, dann wird eher von einer REM-Paralyse (Lähmung) gesprochen.
Wichtig ist zudem die Hirnregion namens Thalamus, das sogenannte Tor zum Bewusstsein. Er verarbeitet und leitet Informationen aus unseren Sinnesorganen an die Gehirnrinde weiter. In den ersten Schlafphasen ist der Thalamus eher ruhig, doch während des REM-Schlafs wird er aktiv und versorgt unsere nächtlichen Träume mit inneren Bildern, Geräuschen und anderen Sinneseindrücken. Ebenfalls besonders aktiv, wenn wir uns in der REM-Schlafphase befinden, ist die Amygdala (der Mandelkern).
Träumen während des REM-Schlafs
Prinzipiell können Träume in jeder Schlafphase auftreten, doch Träume während der REM-Schlafphase sind häufiger und meist lebhafter. Darum wird der REM-Schlaf auch Traumschlaf genannt. Jeder Mensch träumt (und das circa zwei Stunden jede Nacht), obgleich sich viele nicht daran erinnern können. Warum wir träumen, ist nicht genau bekannt. Doch vermutlich helfen uns Träume dabei, Gefühle und Eindrücke des Tages zu verarbeiten. Zum Beispiel erleben Personen, die unter Stress oder Ängsten leiden, häufiger beängstigende Träume.
REM-Schlaf-Verhaltensstörung
Etwa sechs Prozent der Bevölkerung in Deutschland leiden unter Schlafstörungen. Diese umfassen verschiedene Erkrankungen. Wenn Schlafstörungen mit unerwünschten Verhaltensauffälligkeiten einhergehen, sprechen Expertinnen und Experten von einer Parasomnie. Eine in den REM-Schlaf-Phasen auftretende Parasomnie ist die REM-Schlaf-Verhaltensstörung. Sie ist durch besonders lebhafte Träume bei gleichzeitiger körperlicher Aktivität charakterisiert. Betroffene erleben ihre Träume regelrecht körperlich und schreien oder schlagen, treten und beißen um sich. Denn anders als beim normalen REM-Schlaf sind die Muskeln nicht entspannt und bewegungsunfähig. So sind sogar Verletzungen des Partners oder der Partnerin sowie der Betroffenen selbst möglich.
Diese spezielle Schlafstörung kann eine große Belastung für die Betroffenen sein und ist häufig schambehaftet. Sie wird zunächst oft nicht als Erkrankung angesehen und ärztliche Hilfe selten aufgesucht. Eine REM-Schlaf-Verhaltensstörung kann akut und vorübergehend auftreten, zum Beispiel im Rahmen eines Alkohol- oder Psychopharmakaentzugs oder als Nebenwirkung bestimmter Medikamente. Eine chronische REM-Schlaf-Verhaltensstörung kann ein Vorbote für bestimmte Krankheiten sein. Von ihr sind insbesondere ältere Männer betroffen. Bei den Betroffenen tritt im weiteren Verlauf oft ein Morbus Parkinson oder eine andere Erkrankung des zentralen Nervensystems auf. Daher ist es wichtig, dass bei Anzeichen für eine REM-Schlaf-Verhaltensstörung frühzeitig eine Diagnostik erfolgt. Derzeit forschen viele Arbeitsgruppen noch an den genauen Zusammenhängen. REM-Schlaf-Verhaltensstörungen sind gut mit Medikamenten behandelbar. Mit dem Wissen über die Erkrankung können Patienten und Patientinnen außerdem genau beobachtet werden, um mögliche Folgeerkrankungen frühzeitig erkennen und behandeln zu können.
Veränderungen des Schlafs im Laufe des Lebens
Mit dem Alter verändert sich auch unser Schlaf. Erwachsene verbringen etwa drei Fünftel der Nacht im Leichtschlaf und je ein Fünftel im Tiefschlaf und REM-Schlaf. Mit zunehmendem Alter nimmt der Tiefschlafanteil ab. In den ersten drei Monaten schlafen Babys zwischen 16 und 18 Stunden und wachen alle zwei bis vier Stunden auf. Bei Neugeborenen unterscheiden Schlafforscher:innen nur zwischen zwei Schlafphasen, dem REM-Schlaf und dem Non-REM-Schlaf. Der REM-Schlaf wird auch als „aktiver Schlaf“ und der Non-REM-Schlaf als „ruhiger Schlaf“ beschrieben. In der REM-Phase können Eltern die typischen Augenbewegungen erkennen, die Gliedmaßen des Babys können zucken oder die Atmung kann beschleunigt sein. In der NREM-Phase hingegen fehlen die Bewegungen. Für Babys und Kleinkinder nimmt der REM-Schlaf zu Beginn etwa die Hälfte der Schlafzeit ein. Der aktive Schlaf ist besonders wichtig, weil in dieser Schlafphase wichtige Prozesse für die Entwicklung des Gehirns und des motorischen Gedächtnisses stattfinden.
Mit fortgeschrittenem Alter sinkt unsere durchschnittliche Schlafdauer. Für Erwachsene liegt die empfohlene Schlafdauer bei 7-9 Stunden. Mit zunehmendem Alter nehmen die Leichtschlafphasen zu und die Tiefschlafphasen pro Nacht ab. In der Folge wachen ältere Menschen nachts häufiger auf, können schlechter wieder einschlafen oder werden morgens früher wach. Auch beeinflusst eine Veränderung der Lebensgewohnheiten den Schlaf. Viele ältere Menschen gehen früher ins Bett und wachen daher in den frühen Morgenstunden wieder auf. Auch bewegen sie sich möglicherweise weniger am Tag und ernähren sich anders. Dazu kommt, dass ältere Menschen häufiger Schlafstörungen entwickeln, die im Zusammenhang mit Erkrankungen stehen. Veränderungen des Schlafs im Alter sind ein natürlicher Prozess. Entwickelt sich die Schlafqualität jedoch in eine Richtung, die die Lebensqualität beeinträchtigt, z. B. aufgrund sehr starker Tagesmüdigkeit, ist es sinnvoll die Schlafprobleme nicht einfach hinzunehmen, sondern zu behandeln.
Die Messung der Gehirnaktivität im Schlaf
Die einzelnen Schlafphasen können anhand charakteristischer Merkmale in der elektrischen Aktivität des Gehirns gemessen und gut voneinander unterschieden werden. Die Gehirnaktivität wird mithilfe der sogenannten Elektroenzephalografie (EEG) erfasst und in Form von Gehirnwellen aufgezeichnet. Dies kann im Schlaflabor stattfinden oder auch durch ein mobiles Gerät zuhause. Neben dem EEG kommen auch eine Elektrookulografie (EOG) und eine Elektromyografie (EMG) zum Einsatz.
Gehirnwellen sind rhythmische oder sich wiederholende Muster neuronaler Aktivitäten (Kommunikation der Nervenzellen) unserer Großhirnrinde. Sie können mithilfe von Elektroden an der Kopfhaut gemessen werden. Je nach Schwingungen unterscheiden Schlafmediziner:innen zwischen Delta-, Theta-, Alpha- und Beta-Wellen.
Das erste Schlafstadium stellt den Übergang vom Wachzustand in den Schlaf dar. Der Schlaf ist leicht und oberflächlich, weil das Bewusstsein zwischen Schlafen und Wachsein hin und her wechselt. Charakteristisch sind in der Phase daher auch rasche und unregelmäßige Hirnwellen, die im EEG angezeigt werden. Die Gehirnfunktionen werden im leichten Schlaf zunehmend langsamer. Manchmal können aber noch Aktivitätsschübe auftreten. Die K-Komplexe sind ein charakteristisches Merkmal für den Leichtschlaf. Dabei handelt es sich um besondere Wellenformen, die entstehen, wenn das Gehirn im Schlaf durch äußere Reize aktiviert wird. Der Buchstabe „K“ steht für das englische Wort „knock“ und bedeutet, dass ein Außenreiz, z. B. eine Lichtquelle von außen „anklopft“ und in unser Bewusstsein eindringt.
In der dritten Schlafphase sind unsere Muskeln entspannt, die Atmung regelmäßig und langsam. Unser Bewusstsein ist vollkommen still. Im Tiefschlaf zeigt sich im EEG typischerweise eine sehr langsame Frequenz der Hirnströme mit großen Ausschlägen.
Die Hirnaktivität nimmt im REM-Schlaf wieder an Fahrt auf. Informationen vom Tag werden sortiert, Wichtiges abgespeichert, Unwichtiges verworfen. Alte Erinnerungen werden ebenfalls geprüft und selten genutzte Inhalte verblassen, häufig genutzte werden gestärkt. Durch die Verknüpfung von Informationen können kreative Ideen entstehen und Lösungen gefunden werden. Wir träumen. Die starke Aktivität des Gehirns zeigt sich auch in den Hirnstromwellen im EEG.
Schlafstörungen und ihre Auswirkungen
Schlafstörungen sind ein zentraler Treiber neurodegenerativer Erkrankungen. Menschen mit Schlafstörungen haben insbesondere ein erheblich höheres Risiko, an Alzheimer zu erkranken.
Schlafmangel stört den Lernerfolg. Es kommt zu verlangsamten Reaktionszeiten und wir sind unkreativer und weniger leistungsstark, wenn wir zu wenig schlafen. Es kann außerdem zum sogenannten Sekundenschlaf kommen, bei dem wir wenige Sekunden lang das Bewusstsein verlieren, ohne es überhaupt zu bemerken. Kinder können bei Schlafmangel hyperaktiv werden und den Unterricht stören.
Chronische Schlafstörungen konnten allerdings mit Gehirnerkrankungen wie Schizophrenie, Autismus und Alzheimer in Verbindung gebracht werden. Wir wissen jedoch nicht, ob die Schlafstörungen der Grund oder lediglich ein Symptom für diese Erkrankungen sind.