„Es war buchstäblich wahr: Ich ging schlafend durchs Leben. Mein Körper hatte nicht mehr Gefühl als ein ertrunkener Leichnam. Meine bloße Existenz, mein Leben in der Welt, erschien mir wie eine Halluzination. Ein starker Wind ließ mich glauben, mein Körper würde ans Ende der Welt geweht werden, in ein Land, das ich nie gesehen oder von dem ich nie gehört hatte, wo sich mein Geist und mein Körper für immer trennen würden.“
-Aus Sleep, von Haruki Murakami, 1989
Wir alle kennen das. Du gehst ins Bett, schließt die Augen, deckst deinen Geist zu und wartest darauf, dass das Bewusstsein verschwindet. Ein zeitloses Intervall später wachen Sie auf, erfrischt und bereit, sich den Herausforderungen des neuen Tages zu stellen (beachten Sie, dass Sie sich nie dabei erwischen können, wie Sie das Bewusstsein verlieren!) Aber manchmal lässt sich Ihre innere Welt nicht abschalten – Ihr Geist bleibt hypervigilant. Sie wälzen sich hin und her, finden aber nicht die wohltuende Erleichterung des Schlafs. Die Gründe für die Schlaflosigkeit mögen vielfältig sein, aber die Folgen sind immer dieselben: Sie sind am nächsten Tag müde, fühlen sich schläfrig und halten ein Nickerchen. Die Aufmerksamkeit schweift ab, die Reaktionszeit verlangsamt sich, die kognitiv-emotionale Kontrolle ist eingeschränkt. Glücklicherweise ist die Müdigkeit reversibel und verschwindet nach ein oder zwei Nächten festen Schlafs.
Wir verbringen etwa ein Drittel unseres Lebens in einem Zustand der Ruhe, der durch relative Verhaltensunbeweglichkeit und verminderte Reaktionsfähigkeit auf äußere Reize gekennzeichnet ist. Zusammengenommen entspricht dies dem Schlaf mehrerer Jahrzehnte im Leben eines durchschnittlichen Menschen. Ah, ich weiß, Sie denken: Wäre es nicht toll, wenn wir diese „verschwendete“ Zeit einsparen könnten, um mehr zu tun! Als ich jünger war, habe auch ich nach dem Motto gelebt: „Schlafen kannst du, wenn du tot bist“. Aber inzwischen ist mir klar geworden, dass wir für eine optimale, langfristige körperliche und geistige Gesundheit Schlaf brauchen.
Dieses Bedürfnis nach täglichem Schlaf teilt der Mensch mit allen vielzelligen Lebewesen, wie jeder weiß, der mit Hunden, Katzen oder anderen Haustieren aufgewachsen ist.
Ein Verständnis für die Bedeutung des Schlafs lässt sich durch die Betrachtung des biologischen Prozesses selbst gewinnen. Der Schlaf wird homöostatisch mit äußerster Präzision reguliert: Der Druck, schlafen zu gehen, baut sich im Laufe des Tages auf, bis wir uns abends müde fühlen, ständig gähnen und einnicken. Wird dem Menschen der Schlaf entzogen, verspürt er ein unwiderstehliches Bedürfnis, sich zu erholen – er wird regelrecht „schlaftrunken“. Ein älterer Begriff aus dem 19. Jahrhundert, der der Wahrheit näher kommt, lautet „zerebrale Erschöpfung“: Das Gehirn verlangt nach Ruhe.
In meiner letzten Kolumne über das Bewusstsein habe ich beschrieben, wie Kliniker den Schlaf definieren, indem sie die Gehirnströme von einem Netz von Elektroenzephalogramm (EEG)-Sensoren aufzeichnen, die auf der Kopfhaut des Schläfers angebracht sind. Wie die Meeresoberfläche ist das elektrische Gehirn unaufhörlich in Bewegung und spiegelt die unsichtbaren, winzigen Erschütterungen in der Großhirnrinde unter dem Schädel wider, die von den EEG-Elektroden aufgezeichnet werden. Der REM-Schlaf (Rapid Eye Movement) ist durch niedrige, abgehackte, schnell wechselnde Hirnströme gekennzeichnet (die paradoxerweise auch für entspannten Wachzustand typisch sind), während der Nicht-REM-Schlaf durch langsam ansteigende und abfallende Wellen mit größerer Amplitude gekennzeichnet ist. Je tiefer und erholsamer der Schlaf, desto langsamer und größer sind die Wellen, die die ruhende, erholsame Aktivität des Gehirns widerspiegeln. Diese Spannungsschwingungen, die als Deltawellen bezeichnet werden, können so langsam sein wie einmal alle vier Sekunden und so schnell wie viermal pro Sekunde (d. h. im Frequenzbereich von 0,25 bis vier Hertz). Wenn man die Entladung einzelner Neuronen während des Tiefschlafs verfolgt, kann man diskrete Ruhephasen feststellen, in denen die Nervenzellen für 300 bis 400 Millisekunden keine elektrische Aktivität mehr erzeugen. Solche wiederkehrenden stillen Perioden, die in weiten Teilen der Hirnrinde synchronisiert sind, sind das zelluläre Kennzeichen des Tiefschlafs.
Mikroschlaf
In meiner letzten Kolumne „Schlafen mit einem halben Gehirn“ wurde die wachsende Erkenntnis der Schlafforscher hervorgehoben, dass Wachsein und Schlafen keine Alles-oder-nichts-Phänomene sind. Nur weil man schläft, bedeutet das nicht unbedingt, dass das gesamte Gehirn schläft. Umgekehrt haben wir, wie ich jetzt beschreiben werde, auch gelernt, dass, selbst wenn man wach ist, nicht unbedingt das gesamte Gehirn wach ist.
Ein Beispiel für das Eindringen des Schlafs in den Wachzustand sind kurze Schlafepisoden, die als Mikroschlaf bezeichnet werden. Diese Intervalle können bei jeder monotonen Aufgabe auftreten, sei es bei einer langen Autofahrt quer durchs Land, beim Zuhören eines Redners oder bei einer weiteren nicht enden wollenden Abteilungsbesprechung. Man ist schläfrig, die Augen werden schlaff, die Augenlider schließen sich, der Kopf nickt wiederholt auf und ab und schnappt dann hoch: Das Bewusstsein entgleitet.
In einem Experiment zur Erforschung dieses Zustands mussten die Teilnehmer 50 Minuten lang ein sich zufällig bewegendes Ziel auf einem Computerbildschirm mit einem Joystick verfolgen. Diese visuomotorische Aufgabe ist zwar einfach, erfordert aber eine ununterbrochene Aufmerksamkeit, die nach einiger Zeit nur noch schwer aufrechtzuerhalten ist. Tatsächlich hatten die Teilnehmer im Durchschnitt 79 Sekunden Sekundenschlaf pro Stunde, die zwischen 1,1 und 6,3 Sekunden dauerten, was einen Leistungsabfall zur Folge hatte. Der Sekundenschlaf zeigt sich in der EEG-Aufzeichnung durch eine Abwärtsverschiebung von einer Aktivität, die vom Alpha-Band (8 bis 13 Hz) dominiert wird, zu Oszillationen im Theta-Band (4 bis 7 Hz).
Beträchtlicherweise glauben die Probanden, dass sie während des Sekundenschlafs die ganze Zeit über wach sind, ohne sich an eine Periode der Bewusstlosigkeit zu erinnern. Diese Fehleinschätzung kann für jemanden auf dem Fahrersitz lebensgefährlich sein. Der Sekundenschlaf kann beim Autofahren oder beim Bedienen von Maschinen wie Zügen oder Flugzeugen tödlich sein, und zwar Stunde um Stunde. Während eines Sekundenschlafs schläft das gesamte Gehirn kurz ein, was die Frage aufwirft, ob Teile des Gehirns von selbst einschlafen können, ohne dass das gesamte Organ dem Schlummer verfällt.
Die in Italien geborenen Neurowissenschaftler Chiara Cirelli und Giulio Tononi, die an der University of Wisconsin-Madison Schlaf und Bewusstsein erforschen, entdeckten bei Versuchstieren „schläfrige Neuronen“, die keine Verhaltensanzeichen von Schlaf zeigten. Bei dieser Untersuchung wurden 11 erwachsenen Ratten Mikrodrähte in ihren frontalen motorischen Kortex implantiert, der die Bewegung steuert. Die in das Kortikalgewebe eingepflanzten Sensoren zeichneten sowohl die Spannung auf, die als lokales Feldpotenzial (LFP) bezeichnet wird und dem EEG ähnelt, als auch die Spiking-Aktivität der nahe gelegenen Nervenzellen. Wie erwartet wurde das LFP im Wachzustand von schnellen Wellen mit geringer Amplitude dominiert, die sich leicht von den größeren und langsameren Wellen unterscheiden lassen, die für den Non-REM-Tiefschlaf charakteristisch sind.
Auf der Ebene der einzelnen Neuronen plapperten die Kortikalzellen der wachen Tiere über einen längeren Zeitraum unregelmäßig und stakkatoartig vor sich hin. Im Gegensatz dazu gab es während des Tiefschlafs bei den kortikalen Neuronen ausgeprägte „On“-Phasen neuronaler Aktivität und „Off“-Zeiten, in denen sie still sind. Diese neuronale Zurückhaltung tritt überall in der Hirnrinde gleichzeitig auf. Sie wechselt sich mit regelmäßigen „Ein“-Phasen ab und führt zu den auf- und absteigenden Gehirnwellen, die das Kennzeichen des Tiefschlafs sind.
Da die Forscher all dies wussten, beschlossen sie, weitere Untersuchungen durchzuführen. Anstatt die Ratten zu ihrer üblichen Schlafenszeit schlafen zu lassen, ließen die Forscher die Tiere eine Version des nächtlichen Videospiels spielen, indem sie ihnen ständig Spielzeug und andere Objekte zum Schnüffeln, Erkunden und Spielen vorsetzten. Sie klopften auf den Käfig und hinderten sie auch sonst daran, eine Schlafposition einzunehmen oder schläfrig zu werden. Nach vier Stunden dieser Aufregung konnten die Ratten endlich einschlafen.
Wie aus früheren Tier- und Humanstudien zu erwarten war, begann sich das LFP am Ende der Schlafentzugsphase zu niedrigeren Frequenzen zu verschieben, was mit der Vorstellung vereinbar ist, dass der Druck auf die Tiere, schlafen zu müssen, stetig zunahm. Bei näherer Betrachtung der elektrischen Signaturen zeigte sich jedoch etwas Unerwartetes: gelegentliche, sporadische, stille Perioden aller oder der meisten Neuronen in der aufgezeichneten Hirnregion, ohne dass die Tiere entweder Verhaltens- oder EEG-Manifestationen des Sekundenschlafs zeigten. Diese kurzen, schlafähnlichen Episoden waren häufig mit langsamen Wellen im LFP verbunden. Das Gegenteil geschah während des Erholungsschlafs, gegen Ende dieses sechsstündigen Zeitraums, wenn der Schlafdruck vermutlich nachgelassen hatte. Zu diesem Zeitpunkt traten große und langsame Wellen im LFP seltener auf, und die neuronale Aktivität wurde unregelmäßiger, wie es auch im Wachzustand der Fall war.
Es scheint, dass Neuronen im Wachzustand, aber unter Schlafentzug, Anzeichen von Schläfrigkeit zeigen, während einzelne Neuronen nach Stunden festen Schlafs beginnen, aufzuwachen. Eine sorgfältige statistische Analyse bestätigte diese Tendenzen: Die Zahl der Aus-Phasen nahm während der vier Stunden zu, in denen die Ratten gezwungen waren, wach zu bleiben, und die entgegengesetzte Dynamik trat während des Erholungsschlafs auf.
Eine Frage war, ob ein einzelnes Neuron unabhängig von einem anderen Neuron einschlief. Oder handelte es sich dabei eher um ein globales Phänomen, bei dem alle Neuronen gleichzeitig in eine Ruhephase übergehen? Die Antwort, die durch die Implantation eines zweiten Arrays von Mikrodrähten in eine zweite kortikale Region – den parietalen Kortex, eine ganz andere Region als der motorische Kortex – erhalten wurde, lautete „ja“ zu beiden Fragen.
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Das heißt, manchmal schalteten sich Neuronen in beiden Regionen gemeinsam ab, während sie dies zu anderen Zeiten unabhängig voneinander taten. Mit zunehmendem Schlafdruck, d. h. nach mehreren Stunden Wachsein, wurde die neuronale Aktivität während des Schlafentzugs jedoch globaler synchronisiert (wie im Tiefschlaf). Je länger das Tier während der Erholungsphase schlief, desto unwahrscheinlicher wurde es, dass langsame Wellen an beiden Orten der Kortikalis gleichzeitig festgestellt wurden. Gruppen von Neuronen können leichter rekrutiert werden, um die langsamen Oszillationen zu erzeugen, die den Tiefschlaf ausmachen, wenn der Schlafdruck hoch ist.
Diese Ergebnisse zeichnen ein differenzierteres Bild von Wachsein und Schlaf als die vorherrschende Sichtweise, in der beide Zustände als globale Alles-oder-nichts-Zustände des Bewusstseins betrachtet wurden. Stattdessen deuten diese Daten, die durch Aufzeichnungen einzelner Neuronen von Patienten mit implantierten Mikroelektroden, wie sie gelegentlich bei der Epilepsiebehandlung verwendet werden, untermauert werden, darauf hin, dass die Neuronen des Individuums auch im Wachzustand müde werden und sich gelegentlich abschalten können. Je stärker der Schlafdruck ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass dies an vielen Stellen im Kortex gleichzeitig geschieht. Umgekehrt werden einige dieser Neuronen nach vielen Stunden erholsamen Schlafs von diesen hirnweiten Oszillationen abgekoppelt und beginnen aufzuwachen.
Aber wenn Neuronen während des Schlafentzugs ausfallen, sollte es dann nicht zu einer gewissen Leistungsverschlechterung kommen? Schließlich müssen diese Neuronen einen bestimmten Zweck erfüllen, und wenn sie schlummern, sollte etwas darunter leiden. Um diese Frage zu untersuchen, trainierten Cirelli, Tononi und ihre Mitarbeiter die Ratten darauf, mit einer ihrer Vorderpfoten durch eine schmale Öffnung zu greifen, um ein Zuckerkügelchen auf einem Regal zu ergreifen. Wenn dies ungeschickt geschieht, fällt das Pellet herunter und kann nicht mehr geholt werden.
Das Erlernen dieser Aufgabe beschäftigt einen bestimmten Sektor des motorischen Kortex, der sich als Folge des Trainings verändert. Bei der Suche nach Aus-Phasen, während das Tier nach den Süßigkeiten greift, fanden die Forscher heraus, dass diese Lücken im neuronalen Feuern im motorischen Kortex mit größerer Wahrscheinlichkeit einen Bruchteil einer Sekunde vor einem fehlgeschlagenen Versuch, das Pellet zu greifen, auftreten, als wenn die Ratte erfolgreich ein Leckerli aufnimmt. Tatsächlich verringerte das Auftreten einer einzigen Unterbrechung die Chancen auf einen erfolgreichen Versuch um mehr als ein Drittel. Diese Effekte beschränkten sich auf den motorischen Kortex und wurden nicht im parietalen Kortex beobachtet, der bei der Greifaufgabe nicht beteiligt ist. Mit zunehmendem Schlafentzug verschlechterte sich die Gesamtleistung der Tiere, wie es auch für Menschen mit Schlafentzug typisch ist.
Lokaler Schlaf
Was diese Studie entdeckt hat, ist die Existenz von lokalem Schlaf während des Schlafentzugs: isolierte kortikale Gruppen von Neuronen, die kurzzeitig offline gehen, während sich das Tier allem Anschein nach weiter bewegt und tut, was es tut. Ein lokaler Sekundenschlaf ist wahrscheinlicher, wenn diese Neuronen aktiv sind, wie beim Erlernen des Greifens eines Zuckerkügelchens. Auch die Neuronen werden müde und lösen sich ab, ein Mikrokosmos dessen, was mit dem gesamten Organismus geschieht.
Aus diesen Daten lässt sich ableiten, dass mit zunehmendem Schlafdruck die Häufigkeit dieser „Off“-Ereignisse und ihr Übergewicht im Kortex zunehmen, bis die Aktivität im gesamten Gehirn plötzlich, aber nur kurz, synchronisiert wird und das Gehirn in den Tiefschlaf fällt – die Augen schließen sich und der Kopf nickt. Der Mensch tritt in den Mikroschlaf ein.
Schlaf ist ein faszinierendes Thema, auch wenn wir den Tiefschlaf nicht bewusst erleben können, weil unser Bewusstsein ausgeschaltet ist. Schlaf ist ein fein regulierter Aspekt des täglichen Zyklus unseres Gehirns, so wie die Sonne auf- und untergeht, ein Zustand, dessen Funktion nach wie vor umstritten ist.
Im Laufe des letzten Jahrhunderts haben Kliniker und Neurowissenschaftler verschiedene Schlafphasen (schnelle und nicht schnelle Augenbewegungen) und die verschiedenen Regionen des Mittelhirns und des Hirnstamms entdeckt, die an ihrer Steuerung beteiligt sind. Darüber hinaus haben diese Forscher die Narkolepsie, bei der die Patienten abrupt und unwiderstehlich einschlafen, den Sekundenschlaf und jetzt auch den lokalen Schlaf entmystifiziert. Was wird als Nächstes kommen?