Schlaf ist ein grundlegendes Bedürfnis, vergleichbar mit Essen und Trinken. Er ist weder eine reine Energiesparmaßnahme noch nur eine Ruhepause für den Körper. Tatsächlich ist unser Gehirn während des Schlafs oft aktiver als am Tag. Doch was genau passiert in unserem Gehirn, während wir schlafen, und warum ist Schlaf so wichtig für uns? Zu viel davon macht schlapp, zu wenig krank, ohne geht es nie: Schlaf. Während ihr schlaft, sind euer Körper und euer Geist höchst produktiv.
Die vielfältigen Funktionen des Schlafs
Oberflächlich betrachtet mag Schlaf wie ein "Off-Modus" erscheinen: Unsere Sinne sind eingeschränkt, die Reaktionen auf äußere Reize minimal und das Bewusstsein abwesend. In Wirklichkeit laufen jedoch lebenswichtige Prozesse ab. Nervenzellen verknüpfen sich, Proteine werden aufgebaut und Hormone werden ausgeschüttet. Während ihr schlaft, laufen in euren Körpern wichtige Wundheilungsprozesse ab, das Immunsystem stabilisiert sich, eure Zellen regenerieren sich, Kinder wachsen. Im Schlaf wird euer Gehirn entrümpelt, Eindrücke und Erlebnisse des Tages werden sortiert, verworfen, abgespeichert. Euer Immunsystem ist am Werkeln, eure Hautzellen erneuern sich. Der Schlaf ist ein physiologischer und psychologischer Reset - ohne Schlaf könnt ihr nicht leben.
Schlaf als Müllabfuhr für das Gehirn
Tagsüber sammeln sich im Gehirn Abfallstoffe wie Nährstoffe, Moleküle, Proteine und Fette an. Diese können nicht leicht entsorgt werden, da Platzmangel herrscht. Nachts schrumpfen jedoch die Gliazellen, wodurch mehr Raum zwischen den Nervenzellen entsteht. Die Hirnflüssigkeit kann die Abfallstoffe leichter aufnehmen und abtransportieren. Euer Schlaf wäre demnach unerlässlich dafür, dass in eurem Gehirn die Müllabfuhr kommen kann.
Gedächtniskonsolidierung und Lernen
Eine der wichtigsten Funktionen des Schlafs ist die Verarbeitung von Informationen und die Konsolidierung des Gedächtnisses. Während des Schlafs werden die Erfahrungen des Tages wiederholt durchlebt, insbesondere in den Neuronen des Hippocampus, der für das Gedächtnis zuständigen Gehirnregion. Um wichtig von unwichtig zu unterscheiden, kann das Gehirn die Erinnerungen nur selektierend speichern. Der Schlaf ermöglicht es dem Gehirn, die Erinnerungen zu überprüfen und unwichtige Erlebnisse zu vergessen. An die wichtigen Ereignisse können wir uns dann besser erinnern. Um zu vergessen werden die Verbindungen einzelner Hirnzellen geschwächt oder gänzlich getrennt.
Synaptische Homöostase
Eine gängige Theorie zur Funktion des Schlafs liefert die Hypothese zur synaptischen Homöostase. Sie besagt, dass es während des Schlafes zu einer weiterverbreiteten Schwächung der Synapsen (also der Verbindungen im Gehirn) kommt. Man geht davon aus, dass es diesen Vorgang braucht, um das Gleichgewicht von Erinnern und Vergessen zu halten. Durch das gezielte Vergessen während des Schlafs, können wir am folgenden Tag wieder Neues lernen. Durchkreuzt oder verhindert man diesen Vorgang, so kann es zu intensiveren und unter Umständen auch ungewollten Erinnerungen kommen.
Lesen Sie auch: Gehirnfunktion: Was passiert bei Schlafmangel?
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Universitätsklinikums Freiburg zeigen in einer am 23. August 2016 im Fachmagazin Nature Communications veröffentlichten Studie, dass im Schlaf die allgemeine Aktivität der als Synapsen bezeichneten Nervenzell-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. Diese als synaptische Plastizität bezeichnete Anpassungsfähigkeit ist eine wichtige Grundlage für Lernen und eine flexible Informationsverarbeitung. Der Abbau dürfte zudem Platz und Energie sparen, da beides im Gehirn zu einem Großteil von den Verbindungsstellen benötigt wird. Nehmen wir tagsüber Informationen auf, werden im Gehirn Synapsen gestärkt oder neu angelegt. „Wir konnten jetzt erstmals beim Menschen zeigen, dass Schlaf die Synapsen wieder herunterregelt und damit Platz für neue Informationen schafft. Das Gehirn räumt also im Schlaf auf“, sagt Studienleiter Prof. Dr. Christoph Nissen, Ärztlicher Leiter des Schlaflabors an der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Universitätsklinikums Freiburg. „Wird dieser Prozess durch Schlafmangel unterbunden, gerät das Gehirn in einen Sättigungszustand. Synapsen können dann nicht mehr ausreichend verstärkt oder neu aufgebaut werden.
Die Rolle von Slow Waves
Im Fachmagazin Nature Communications* liefert ein Forschungsteam der Charité - Universitätsmedizin Berlin nun einen Erklärungsansatz. Danach machen die langsamen Wellen die Hirnrinde, den Sitz des Langzeitgedächtnisses, besonders empfänglich für Informationen. Wie entstehen dauerhafte Erinnerungen? Fachleute gehen davon aus, dass unser Gehirn im Schlaf die Ereignisse des Tages erneut abspielt und dabei die Informationen aus dem Sitz des Kurzzeitgedächtnisses, dem Hippokampus, in das Langzeitgedächtnis in der Hirnrinde verschiebt. Besonders wichtig für diese Gedächtnisbildung sind die sogenannten „Slow Waves“: langsame, synchrone Erregungswellen in der Hirnrinde, die in der Tiefschlafphase auftreten und per Elektroenzephalogramm (EEG) messbar sind. „Wir wissen seit vielen Jahren, dass diese Spannungsschwankungen zur Gedächtnisbildung beitragen“, erklärt Prof. Jörg Geiger, Direktor des Instituts für Neurophysiologie der Charité und Leiter der jetzt veröffentlichten Studie. „Denn wenn man den Slow-Wave-Schlaf künstlich von außen verstärkt, verbessert sich die Gedächtnisleistung. Anhand von besonders rarem menschlichen Hirngewebe ist es ihm und seinem Team nun gelungen, die Vorgänge aufzuklären, die mit hoher Wahrscheinlichkeit der Gedächtnisbildung im Tiefschlaf zugrunde liegen.
Das Forschungsteam fand so heraus, dass die synaptischen Verbindungen zwischen den Neuronen der Hirnrinde zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt während der Spannungsschwankungen maximal verstärkt sind. „Die Synapsen arbeiten am effizientesten, direkt nachdem die Spannung von einem niedrigen Niveau auf ein hohes angestiegen ist“, erläutert Franz Xaver Mittermaier, Wissenschaftler am Institut für Neurophysiologie der Charité und Erstautor der Studie. „Innerhalb dieses kurzen Zeitfensters ist die Hirnrinde quasi in einen Zustand der erhöhten Bereitschaft versetzt. Spielt das Gehirn eine Erinnerung genau jetzt ab, wird sie besonders effektiv ins Langzeitgedächtnis überführt. Möglicherweise lässt sich dieses Wissen nutzen, um die Gedächtnisleistung beispielsweise bei beginnender Vergesslichkeit im Alter zu verbessern. Forschungsgruppen weltweit arbeiten an Methoden, um mit subtilen Stromimpulsen - der transkraniellen Elektrostimulation - oder akustischen Signalen die langsamen Wellen im Schlaf zu beeinflussen.
Instandhaltung des Gehirns
Schlaf wird ausserdem benötigt um das Gehirn "instand zu halten“. 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.
Schlafphasen und ihre Bedeutung
Unser Schlaf verläuft in Zyklen von etwa 90 Minuten, die sich mehrmals pro Nacht wiederholen. Jeder Zyklus besteht aus verschiedenen Phasen:
Lesen Sie auch: Vorbeugung von Handkrämpfen während des Schlafs
- Einschlafphase: Der Übergang vom Wachzustand zum Schlaf.
- Leichte bis mittlere Schlafphasen: Der Körper entspannt sich zunehmend.
- Tiefschlafphase: Die intensivste Erholungs- und Regenerationsphase. Hier atmet man langsamer, Puls und Blutdruck sinken, die Muskeln sind locker. Das Gehirn schüttet vermehrt Wachstumshormone aus: Kinder wachsen, neue Zellen werden gebildet. Schlafwandlerinnen und Schlafwandler werden in diesen Phasen ihres Schlafes aktiv.
- REM-Phase (Rapid Eye Movement): Das Gehirn ist ähnlich aktiv wie im Wachzustand. Die Augen bewegen sich ruckartig hin und her (daher der Name dieser Schlafphase), das Herz schlägt schneller, der Blutdruck steigt. Eigentlich würdet ihr euch heftig bewegen, doch eure Muskeln werden durch eine Art Lähmungszustand in Schach gehalten - bis auf die Atmung. Übrigens träumt ihr in allen Phasen eures Schlafes, nicht nur während der REM-Phase.
In der ersten Nachthälfte schlaft ihr am tiefsten. Rund vier Stunden nach dem Einschlafen ist eure biologische Geisterstunde: Dann ist die Körpertemperatur am niedrigsten, der Melatoninstand am höchsten. In dieser Phase beginnt der Körper zunehmend Cortisol auszuschütten - ein Stresshormon, das als Wachmacher arbeitet. Bis zum Morgen erreicht der Cortisolspiegel dann seinen Höchststand und sorgt dafür, dass ihr wieder wach werdet, ganz ohne Wecker. … übrigens könnt ihr bis zu 28 Mal pro Nacht aufwachen. Das ist normal. Üblicherweise schlaft ihr gleich wieder ein und erinnert euch nicht mehr daran.
Was passiert bei Schlafmangel?
Genug Schlaf zu bekommen ist wichtig für unsere Konzentrations- und Lernfähigkeit während des Wachzustands. 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.
Die Langzeitwirkungen von Schlafentzug können bei Menschen aufgrund ethischer Gründe kaum erforscht werden. Chronische Schlafstörungen konnten allerdings mit Gehirnerkrankungen wie Schizophrenie, Autismus und Alzheimer in Verbindung gebracht werden.
Auswirkungen auf die Stimmung und Leistungsfähigkeit
Die meisten kennen das: Nach einer Nacht mit zu wenig oder gar keinem Schlaf ist die Stimmung im Keller. Schlafentzug führt dazu, dass Menschen gereizt und emotional unausgeglichen reagieren. Die Aufmerksamkeit sowie die Fähigkeit, schnell zu reagieren und Probleme zu lösen, lassen nach.
Mögliche Verbindungen zu Krankheiten
Es gibt bereits Hinweise darauf, dass ein gestörter Schlafrhythmus dazu führen könnte, dass das glymphatische System weniger gut arbeitet - zum Beispiel bei Personen, die im Schichtdienst arbeiten. Bewegungsmangel scheint ebenfalls ein möglicher Einflussfaktor zu sein. Forschende halten es sogar für möglich, dass Störungen des glymphatischen Systems im Gehirn zur Entstehung von Krankheiten wie Migräne, Epilepsien oder Schlafstörungen (Insomnien) führen können.
Lesen Sie auch: Aktuelle Demenzforschung
Hinweise darauf, dass eine solche Störung möglicherweise die Entstehung der Alzheimer-Krankheit begünstigen könnte, gibt es bereits aus Tierversuchen. Denn zu den Abfallprodukten, die das glymphatische System entsorgt, gehören Beta-Amyloid-Proteine. Diese lagern sich bei der Alzheimer-Krankheit gehäuft im Gehirn ab und stören dadurch die Kommunikation der Nervenzellen. Im Laufe der Jahre sterben dann viele Nervenzellen ab, was die Gehirn- und Gedächtnisfunktion stark beeinträchtigt. Die Tatsache, dass Alzheimer-Patienten bereits unter Schlafstörungen leiden, lange bevor die Krankheit bei ihnen ausbricht, könnte die Vermutung bestätigen, dass der Schlafentzug und der damit verbundene gestörte Abtransport von Beta-Amyloiden zu der Entstehung von Alzheimer beitragen. Gesunder Schlaf und ein gesundes Gehirn sind also eng miteinander verbunden.
Was passiert beim Einschlafen?
Eben noch wach und bei vollem Bewusstsein und Sekunden später sind wir eingeschlafen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Psychiatrie in München haben in einer Studie an 25 jungen gesunden Probanden untersucht, wie diese Änderungen der Wahrnehmung ausgelöst werden. Die Forscher untersuchten die Aktivität von Nervenzell-Netzwerken, die Gehirnregionen miteinander verbinden, wenn wir wach, aber in Ruhe sind. Die Messungen beim Übergang in die verschiedenen Schlafphasen zeigten, dass diese Netzwerke im Schlaf systematisch umorganisiert werden. So wird der Hippokampus, eine für Gedächtnisprozesse wichtige Region, bereits im leichten Schlaf aus dem Netzwerk ausgekoppelt. Der Frontallappen, wichtig für höhere Steuerungsprozesse, wird mit zunehmender Schlaftiefe sogar ganz aus dem Netzwerk ausgeschlossen. Hingegen nehmen Verbindungen zum neuronalen Aufmerksamkeitsnetzwerk nur teilweise ab - möglicherweise, um auf alarmierende Außenreize noch reagieren zu können.
Die Münchner Wissenschaftler entdeckten, dass sich beide Netzwerke während des Einschlafprozesses selbst verändern und auch unterschiedlich miteinander interagierten. Das „Default Mode Netzwerk“ verliert je nach Schlafstadium einen Teil seiner anatomischen Verknüpfungen. Vor allem Teile der Hippokampus-Formation lösen sich bereits im leichten Schlaf aus dem Netzwerk. Der präfrontale Kortex besitzt mit zunehmender Schlaftiefe ebenfalls weniger Verbindungen zum Netzwerk. Reduziert, jedoch bis in den Tiefschlaf nachweisbar, zeigten sich auch Areale im posterioren Cingulum und im Precuneus, einem Teil des parietalen Kortex. Diese Hirnregionen zählen zu den am dichtesten verknüpften Arealen im Gehirn. Sie stehen in Zusammenhang mit Wachheit und Bewusstsein, und können beispielsweise durch Medikamente in ihrer Aktivität beeinflusst werden. Das Gegen-Netzwerk wiederum wird ab Schlafstadium 2 von seiner streng gegenläufigen Aktivität entkoppelt, bleibt jedoch über alle Schlafphasen vorhanden - ein wichtiger Hinweis darauf, dass vermutlich erst eine ausreichende Synchronisierung zwischen verschiedenen Netzwerken komplexere Funktionen ermöglicht.
Beeinflussung des Schlafs durch äußere Faktoren
Wenn es draußen dunkel wird, produziert die Zirbeldrüse im Gehirn das Schlafhormon Melatonin. Die innere Uhr sagt: "Ab ins Bett!" Im Idealfall gleitet ihr in die Kissen und schlaft ein. Übrigens: Künstliches Licht stört die Melatoninproduktion. Deshalb kann es ratsam sein, einige Stunden vor eurer Nachtruhe die Augen von Bildschirmen, Smartphones und Laptops zu lassen.
Schlaf bei Tieren
Wir Menschen sind nicht alleine mit unserem Bedürfnis nach Schlaf: Auch Tiere müssen regelmäßig schlafen, auch wenn sich die Art und Weise sowie die Dauer des Schlafes unterscheiden. Giraffen kommen beispielsweise mit rund zwei Stunden pro Tag zurecht und Flamingos stehen nur auf einem Bein während sie schlafen. Nicht nur die Säugetiere schlafen, sondern auch Vögel, Fische, Reptilien und Insekten. Sogar Quallen oder Fadenwürmer legen Ruhephasen ein.