Während wir wach sind, nehmen wir unsere Umwelt aktiv wahr und bewegen ständig verschiedene Muskeln. Im Schlaf hingegen verharren wir die meiste Zeit wie gelähmt und verlieren das Bewusstsein. Dieser Unterschied spiegelt sich im Elektroenzephalogramm (EEG) wider. Eine Tiefschlafphase erkennt man an langsamen, großen Wellen, während im Wachzustand die EEG-Wellen deutlich schneller und mit geringerem Ausschlag verlaufen. Da schlafende Tiere eine leichte Beute für Fressfeinde sind, haben einige Spezies eine bemerkenswerte Fähigkeit entwickelt: Sie schlafen nur mit einer Gehirnhälfte, während die andere wachsam bleibt.
Unihemisphärischer Schlaf: Eine evolutionäre Anpassung
Dieser halbseitige Schlaf, auch als unihemisphärischer Slow-Wave-Sleep (USWS) bekannt, ist bei Delfinen, Robben und einigen Vogelarten zu beobachten. Einige dieser Tiere halten dabei sogar ein Auge offen. Manche Tiere verfallen nur in bestimmten Situationen in diesen Zustand, während bei anderen beide Hirnhälften schlummern.
Einer der ersten Forscher, der den halbseitigen Schlaf bei Tieren entdeckte, war der Neurowissenschaftler John C. Lilly. In den 1960er Jahren beobachtete er, dass Delfine in ihren Ruhephasen jeweils nur ein Auge schlossen. Lilly vermutete, dass die Tiere auch im Schlaf ihre Umgebung im Blick behalten und Geräuschen lauschen.
Der "Erste-Nacht-Effekt": Ein subtiler Schutzmechanismus
Viele Menschen kennen das Phänomen, in der ersten Nacht an einem fremden Ort schlechter zu schlafen. Man fühlt sich unausgeruht und hat das Gefühl, sich die halbe Nacht herumgewälzt zu haben. Dieser Effekt ist so ausgeprägt, dass Wissenschaftler im Schlaflabor bewusst eine Eingewöhnungsnacht für ihre Probanden einplanen.
Masako Tamaki und seine Kollegen von der Brown University in Providence haben dieses Phänomen genauer untersucht. Sie konzentrierten sich dabei auf den Tiefschlaf, in dem die Hirnaktivität abnimmt, neuronale Netzwerke entkoppelt werden und die Hirnströme im EEG langsame, gleichmäßige Wellen zeigen.
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Die Forscher entdeckten, dass in der ersten Nacht die linke Hirnhälfte während der Tiefschlafphase etwas aktiver blieb als die rechte. Diese Unterschiede waren so subtil, dass sie erst durch die Kombination verschiedener Messmethoden entdeckt werden konnten.
Um die Auswirkungen dieser Anomalie zu untersuchen, traktierten die Forscher ihre Probanden während des Tiefschlafs mit Pieptönen im rechten und linken Ohr. Es zeigte sich, dass die linke Gehirnhälfte deutlich stärker auf diese Störgeräusche reagierte als die rechte. Dies deutet darauf hin, dass die linke Hemisphäre im Tiefschlaf wacher bleibt.
Die Forscher vermuten, dass dies dazu dient, uns in der besonders wehrlosen Phase des Tiefschlafs vor möglichen Gefahren der ungewohnten Umgebung zu schützen. Diese anhaltende Aktivität trotz Tiefschlaf könnte erklären, warum wir in der ersten Nacht im fremden Bett schlechter schlafen: Unser Gehirn schaltet tatsächlich nicht so vollständig ab wie sonst üblich.
Es ist noch unklar, ob das "Nachtwächter"-Netzwerk nur in der linken Gehirnhälfte aktiv wird. Tamaki und seine Kollegen wollen nun untersuchen, ob es möglicherweise weitere Netzwerke im Gehirn gibt, die das Default Mode Netzwerk beim Wachehalten unterstützen.
Halbseitenschlaf bei Krokodilen: Wachsamkeit als Überlebensstrategie
Auch Krokodile nutzen den halbseitigen Schlaf. Wissenschaftler der La Trobe University in Melbourne und des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Seewiesen haben untersucht, ob Salzwasserkrokodile einseitig schlafen.
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Schlaf ist für Tiere eine gefährliche Sache, da sie schutzlos sind und Gefahren nicht mitbekommen. Vögel, Meeressäugetiere und Reptilien sind in der Lage, nur eine Hirnhälfte "herunterzufahren", um ein Minimum an Wachsamkeit aufrechtzuerhalten. Ob ein Tier halbseitig schlummert, lässt sich daran erkennen, ob es ein Auge längere Zeit geschlossen hält.
Die Wissenschaftler beobachteten Babykrokodile und stellten fest, dass sie nachts am häufigsten beide Augen geschlossen hatten, tagsüber beide Augen offen und zwischendurch Phasen, in denen sie ein Auge offen und eines geschlossen hatten.
In diesen Einseitenaugen-Phasen ließen die Wissenschaftler entweder andere Babykrokodile oder eine "Gefahr" auf die jungen Salties los. Es zeigte sich, dass die Versuchstiere mit ihrem offenen Auge zu ihren Artgenossen oder dem potenziellen Feind hinüberblickten.
Die Forscher schlussfolgern, dass auch bei Krokodilen der Ein-Hirnhälften-Schlaf dazu dient, die Umgebung zu beobachten. Da dies beim Evolutionszweig der Reptilien ein gängiges Muster zu sein scheint, gehen Forscher mittlerweile davon aus, dass der einseitige Schlaf bereits zu einer Zeit entstanden sein muss, als die gemeinsamen Vorfahren dieser Tiere noch lebten.
Überraschend war die Beobachtung, dass sich beide Gehirnhälften bei jeder REM-Phase miteinander synchronisieren und ihre Rollen mit jeder Synchronisierung tauschen.
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Schlaf bei Delfinen: Überlebensnotwendigkeit und Forschung
Delfine schlafen nie vollständig ein, da eine ihrer beiden Gehirnhälften auch während der Schlaf- und Ruhephasen hellwach ist. Da Delfine ihre Atmung bewusst steuern, wäre ein vollständiger Tiefschlaf beider Gehirnhälften tödlich.
Ein internationales Forscherteam um Sam Ridgway vom US Space and Naval Warfare Systems Center in San Diego trainierte Tümmler darauf, auf einen Pfeifton zu reagieren. Die Delfine reagierten auch nach fünf Tagen noch prompt auf die Signale.
In einem weiteren Experiment mussten die Tiere mit einem Auge komplizierte Muster erkennen, die sie zuvor nur mit dem anderen zu sehen bekommen hatten. Die Tiere konnten zu jeder Zeit des fünftägigen Experiments Muster mit dem rechten Auge erkennen, auch wenn sie sie zuvor nur mit dem linken Auge zu sehen bekamen.
Wissenschaftler um Brian Branstetter von der National Marine Mammal Foundation in San Diego stellten fest, dass Delfine während der Schlafphasen kontinuierlich Echolot-Signale aussenden, um sich zu orientieren, Objekte aufzuspüren oder Kontakt zu ihren Artgenossen zu halten.
Diese Studien zeigen, dass Delfine mit wochen- oder sogar monatelangem Schlafverzicht leben können.
Die Funktion des Schlafs: Reparatur und Reorganisation
Etwa ein Drittel seines Lebens verbringt der Mensch mit Schlafen. Dauerhaft zu wenig Nachtruhe kann ernsthafte Folgen für die Gesundheit haben. US-amerikanische Forscher haben herausgefunden, dass Schlaf in der frühen Kindheit wichtig für Lernprozesse im Hirn ist, während später dessen Reparatur im Fokus steht.
Wissenschaftler der Universitäten von Texas und Kalifornien sowie des Santa Fe Instituts um die Mathematikerin Junyu Cao haben eine statistische Analyse mit den Daten aus mehr als 60 Schlaf-Studien vorgenommen. Sie werteten Daten zur Gesamtschlafdauer, Zeiten in verschiedenen Schlafphasen sowie zu Gehirn- und Körpergröße aus.
Das Team entwickelte ein Modell, das erklärt, warum sich die Schlafzeit über verschiedene Spezies hinweg verringert, je größer das Gehirn wird. Konkret identifizierten die Forscher einen Punkt, der beim Menschen im Alter von 2,4 Jahren eintritt und ab dem sich die Funktion der Nachtruhe fundamental verändert: von Reorganisation zur Reparatur.
Bis zu diesem Alter wächst das Hirn rasant. Während des REM-Schlafs ist das Gehirn damit beschäftigt, Synapsen zu bilden und zu stärken. Nach etwa 2,4 Jahren verändere sich der Hauptzweck des Schlafes allerdings - und das rapide. Statt Synapsen aufzubauen gehe es ab da und für den Rest des Lebens hauptsächlich um die Wartung und Reparatur des Gehirns.
Jene Wartungsarbeiten passierten hauptsächlich während des Nicht-REM-Schlafes. Entsprechend nehme dessen Anteil ab einem Alter von 2,4 Jahren beim Menschen zu, während die Schlafdauer insgesamt abnehme.
Schlafpositionen bei Katzen: Evolutionäre Wurzeln
Ein internationales Forschungsteam hat herausgefunden, dass Katzen bevorzugt auf der linken Körperseite schlafen. In 65 Prozent der Fälle schliefen die Katzen auf der linken Seite, wobei ihr Kopf erhöht, leicht angewinkelt und auf dem linken Vorderbein aufgestützt war. So sieht ihr linkes Auge, was vor ihnen passiert.
Hirnforscher Onur Güntürkün erklärt, dass in diesem Fall die rechte Hirn-Hemisphäre die linke Körperhälfte steuert. Die Katze kann bedrohungsbezogene Reize, die sich ihnen von links nähern, schneller sehen und besser reagieren, wenn sie auf der linken Seite liegen.
Diese schnelle Reaktionszeit ist wichtig für die Katzen, denn sie verbringen täglich 12-16 Stunden damit, zu schlafen. Obwohl sie in Seitenlage wohl besonders tief schlummern, ist ihr Sinn für Bedrohungen in dieser Entspannungsphase hoch.
Güntürkün betont, dass für Katzen alle möglichen Raubtiere, die größer als sie sind, eine Bedrohung sein können. Es zeigt jedoch, dass diese Reaktion evolutionär verwurzelt sein könnte - und damit auch die Präferenz, auf der linken Seite zu schlafen.
Die Forschung an Katzen könnte möglicherweise dabei helfen, mehr über uns Menschen zu erfahren.
Konkurrierende Hirnhälften im Schlaf bei Echsen
Lorenz Fenk, Luis Riquelme und Gilles Laurent vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt berichten, dass während einer Schlafphase die beiden Hirnhälften des Pogona-Gehirns miteinander konkurrieren, so dass eine Seite ihre Aktivität der anderen aufzwingt, bis die dominante Hemisphäre auf die andere Seite umschaltet, und zwar abwechselnd während der ganzen Nacht.
Fenk erklärt, dass der Schlaf bei Pogona in zwei Zustände unterteilt ist: Eine Phase des Slow-Wave-Schlafs und eine zweite Phase, die REM oder paradoxer Schlaf genannt wird.
Durch die gleichzeitige Aufzeichnung der neuronalen Aktivität im gleichen Bereich auf beiden Seiten des Pogona-Gehirns entdeckten die Wissenschaftler, dass jede Seite während der Slow-Wave-Phase des Schlafs unabhängig von der anderen arbeitet. Zu ihrer Überraschung wurden die beiden Seiten jedoch während der REM-Phase präzise synchronisiert, allerdings mit einer sehr kurzen Verzögerung von 20 Millisekunden zwischen dem linken und dem rechten Gehirn.
Noch überraschender war die Feststellung, dass die Seite, die der anderen um 20 ms voraus war, im Durchschnitt einmal pro Schlafzyklus zwischen der linken und der rechten Seite wechselte. Dies deutet darauf hin, dass die beiden Gehirnhälften während des REM-Schlafs miteinander konkurrieren, nicht aber während des Langsamschlafs, und dass die stärkere Seite ihre Aktivität der anderen aufzwingt, wenn sie konkurriert.
Um zu verstehen, wie die beiden Gehirnhälften während des REM-Schlafs miteinander interagieren und konkurrieren, entdeckten die Wissenschaftler, dass diese Konkurrenz nicht auf direkte Interaktionen zwischen linker und rechter Klaustra zurückzuführen ist, sondern auf Schaltkreise, die sich weiter hinten im Gehirn, an der Verbindung zwischen Mittel- und Hinterhirn, befinden.
Durch die Läsion einer Komponente dieser isthmischen Schaltkreise auf nur einer Seite des Pogona-Gehirns konnten Fenk und Kollegen den regelmäßigen Wechsel der Seitendominanz aufheben, so dass die intakte Seite die andere während der gesamten Nacht dominierte.
Schlafentzug und Hirnalterung: Auswirkungen und Erholung
Eine Studie von Wissenschaftlern aus Dänemark, der Schweiz, den USA, China und Deutschland hat herausgefunden, dass schon eine einzige Nacht ohne Schlaf das menschliche Gehirn älter erscheinen lässt. Bei den Teilnehmern zeigten Aufnahmen des Gehirns Veränderungen, die typischerweise erst bei älteren Menschen auftreten. Ein anschließender Erholungsschlaf macht die Veränderungen rückgängig.
Die Studie zeigt auch, dass es nach nur teilweisem Schlafentzug keine signifikante Veränderung des Hirnalters gibt.
Für die Untersuchung ermittelten die Forscher zunächst das biologische Alter der Gehirne von gesunden Freiwilligen mittels MRT. Anschließend wurden verschiedene experimentelle Schlafbedingungen untersucht: vollständiger Schlafentzug, teilweiser Schlafentzug und chronischer teilweiser Schlafentzug.
Bei der Auswertung der gewonnenen MRT-Daten beobachteten die Wissenschaftler, dass vollständiger Schlafentzug das biologische Hirnalter um ein bis zwei Jahre erhöhte. Nach einer Nacht mit Erholungsschlaf unterschied sich das Hirnalter aber nicht mehr vom Ausgangswert.
Im Gegensatz dazu wurde das Hirnalter weder durch akuten noch durch chronischen teilweisen Schlafentzug signifikant verändert.
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