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Bewusstlos durch die Nacht


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Gehirn & Geist - epaper ⋅ Ausgabe 4/2022 vom 04.03.2022

SCHLAF

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Bildquelle: Gehirn & Geist, Ausgabe 4/2022

Auf einen Blick: Darum schlafen wir

1Abends kühlen Körper und Gehirn rasch ab. Das macht uns müde und lässt uns schließlich einschlafen – und zwar genau dann, wenn die Temperatur am schnellsten fällt.

2Offenbar drosselt die Kälte die Geschwindigkeit der Ionenkanäle in den Neuronen so sehr, dass wir das Bewusstsein verlieren. Auch manche Narkosemedikamente nutzen diesen Mechanismus.

3Tiere sind im Schlaf besonders verletzlich, dennoch können sie nicht darauf verzichten. Denn in der Zeit finden im Gehirn wichtige Reparaturprozesse statt, die vermutlich eine niedrige Temperatur erfordern.

Vor der jungen Frau, die sich im Labor für menschliche Chronobiologie einfand, lagen ereignisarme Tage. Nach einigen Untersuchungen betrat sie ein kleines Apartment, wo sie die folgenden 72 Stunden verbringen würde – allein, abgeschottet vom Tageslicht und auch sonst jedweder Information beraubt, die ihr einen ...

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... Hinweis auf die Uhrzeit geben könnte. Zu ihrer Zerstreuung standen ihr lediglich ein Kartenspiel, ein Puzzle und ein paar Seiten Lesestoff zur Verfügung. Nichts sollte sie von ihrer eigentlichen Aufgabe ablenken: zu schlafen, wann immer sie sich danach fühlte.

Zwei Forschende der US-amerikanischen Cornell University in Ithaca hatten das Experiment Ende der 1990er Jahre ersonnen. Patricia Murphy und ihr Kollege Scott Campbell wollten damit eine Frage beantworten, die sie seit einiger Zeit umtrieb: Wann legen sich Menschen zur Ruhe, wenn sie das frei entscheiden können und nicht etwa durch ein spannendes Buch, irgendwelche Verpflichtungen oder soziale Kontakte davon abgehalten werden? Und wie hängt diese Entscheidung mit ihrer Körpertemperatur zusammen?

Insgesamt 44 Frauen und Männer nahmen an dem Versuch teil. Am ersten Abend wurde ihnen ein Thermometer in den Enddarm eingeführt, das kontinuierlich ihre Kerntemperatur aufzeichnete. Als Murphy und Campbell diese Daten später analysierten, bemerkten sie, dass die Körpertemperatur der Teilnehmerinnen und Teilnehmer in den Abendstunden abnahm – ein Effekt der inneren Uhr, der schon länger bekannt war. Der Zeitpunkt, zu dem die Temperatur am stärksten absank, unterschied sich jedoch von Person zu Person. Das Spannende daran: Genau dann, wenn sie am schnellsten abkühlten, wurden die meisten Versuchspersonen müde.

UNSER AUTOR

Frank Luerweg arbeitet als Wissenschaftsjournalist in Lüneburg.

»Der rasche Abfall der Körperkerntemperatur ist eines der potentesten Schlafsignale«, erklärt der Neurobiologe Albrecht Vorster vom Universitätsspital Bern, Autor des Buchs »Warum wir schlafen«. Und das gilt keineswegs bloß für uns Menschen, sondern auch für andere warmblütige Tiere.

Die Müdigkeit ist eine direkte Folge des inneren Wärmeverlusts. Das ist aber wohl nur eine Seite der Medaille. Denn viele Organismen scheinen beim Einschlafen gezielt in eine Art Kühlungsmodus zu wechseln, der ihre Temperatur noch weiter herunterfährt. Es sieht fast so aus, als gehöre die Abkühlung zwingend zum Schlafen dazu; als sei sie eine Zutat, ohne die es einfach nicht geht. Doch weshalb ist das so?

Kühler Kopf regeneriert sich besser

Der Neurobiologe William Wisden vom Imperial College London hat eine plausibel klingende Antwort parat: »Möglicherweise benötigt das Gehirn eine niedrigere Temperatur, um sich im Schlaf zu regenerieren.« Der Wissenschaftler entdeckte kürzlich zusammen mit Kollegen einen Mechanismus bei Mäusen, der sowohl Auskühlung als auch Müdigkeit steuert. Die Verantwortung dafür tragen vermutlich bestimmte Neurone im Hypothalamus, einer wichtigen Steuerzentrale im Zwischenhirn. Die Nervenzellen sorgen dafür, dass sich die Blutgefäße der Haut weiten, der Körper also mehr Wärme abgibt. Außerdem drosseln sie die Aktivität des braunen Fett gewebes, das als biologische Heizung dient. Als Konsequenz sinkt die Kerntemperatur. Gleichzeitig bewirken die Neurone, dass die Mäuse in den so genannten NREM-Schlaf fallen.

Bei fast allen warmblütigen Tieren existieren zwei Schlafvarianten, die unterschiedlicher kaum sein könnten: NREM und REM. Das Kürzel »REM« steht für »rapid eye movement« – die Schlafenden haben in dieser Phase meist die Lider geschlossen, bewegen dahinter aber schnell ihre Augen hin und her. Die Hirnaktivität ähnelt der im Wachzustand. Die lebhaftesten und buntesten Träume finden in den REM-Phasen statt.

NREM bedeutet schlicht »Non-REM«. Hier verändern sich die Hirnstromkurven drastisch: Je tiefer der NREM-Schlaf wird, desto langsamer feuern die Nerven zellen. Zugleich synchronisieren sie ihre Aktivität. Albrecht Vorster vergleicht das mit dem rhyth-mischen Klatschen von Fußballfans vor dem Eckstoß. In der Nacht wechseln sich NREM-und REM-Schlaf zyklisch ab.

Kuscheln gegen Auskühlung

Damit Säugetiere im Schlaf nicht auskühlen, suchen sie sich geschützte Ruheplätze. Mäuse schlafen meist in Nestern (oben links), Orang-Utans in Blätterhöhlen (oben rechts) und Menschen unter Decken (unten links). Katzen rollen sich ein, um die Körperoberfläche zu minimieren (unten rechts).

Den Beginn macht dabei in aller Regel der NREM-Schlaf. Er setzt ein, wenn der Körper gerade rapide abkühlt. Gleichzeitig verliert das Gehirn an Wärme – nicht nur, weil die innere Heizung auf Sparflamme läuft, sondern auch, weil das Denkorgan zu dieser Zeit deutlich weniger aktiv ist und somit schwächer durchblutet wird. Beide Effekte lassen es unter der Schädeldecke spürbar kühler werden. Bei Mäusen kann die Temperaturabnahme bis zu zwei Grad betragen.

Kann dieser Unterschied womöglich ein Rätsel erklären, das die Forschung schon lange umtreibt? Trotz intensiver Untersuchungen weiß man noch immer nicht, warum Tiere beim Schlafen ihr Bewusstsein verlieren. Schließlich sind sie so über viele Stunden hinweg

etwaigen Gefahren hilflos ausgesetzt. Es muss also einen triftigen Grund dafür geben, dass sich ein solcher Zustand erhöhter Verletzlichkeit im Lauf der Evolution erhalten hat.

Wisden und seinem Kollegen Nicholas Franks zufolge ist die Bewusstlosigkeit eine direkte Folge der Abkühlung. »Schon eine Absenkung von einem oder anderthalb Grad verlangsamt die Geschwindigkeit der Ionenkanäle in den Neuronen«, sagt Wisden. »Und zwar so sehr, dass bewusste Wahrnehmung dadurch unmöglich wird.« Demselben Mechanismus verdanken auch manche Narkosemedikamente ihre Wirkung: Sie greifen auf ähnliche Weise in die Kinetik der Ionenkanäle ein.

Aber warum ist die nächtliche Bewusstlosigkeit so unvermeidlich? Die Londoner Forscher vermuten, dass sie Freiräume für wichtige Wartungsaufgaben schafft.

Sie vergleichen die Situation mit einem Reinigungsteam, das nachts die leeren Büroräume putzt, weil es dort während der normalen Arbeitsstunden zu betriebsam ist. Vielleicht werden durch die Abkühlung des Gehirns sogar direkt bestimmte Reparaturgene angeschaltet. Als Mittler könnten dabei so genannte Kälteschockproteine dienen, etwa ein Zelleiweiß namens RBM3, das bei der Regeneration synaptischer Verbindungen hilft. So schreitet in Labormäusen mit alzheimerähnlichen Symptomen die Krankheit deutlich schneller voran, wenn bei ihnen die Erbanlage für RBM3 zerstört wurde.

Interessanterweise ist bei Menschen, die nachts dauerhaft weniger als sechs Stunden schlafen, das Demenzrisiko gegenüber »Normalschläfern« um 30 Prozent erhöht. Ob das daran liegt, dass es ihrem Gehirn an ausreichender Kühlung fehlt, lässt sich aus diesen Befunden allerdings nicht ablesen. Noch ist die These der Londoner Forscher daher ein Stück weit Spekulation, wie auch William Wisden bereitwillig einräumt.

Nachts kommt das Putzteam

Wird unser Denkorgan also in Stand gesetzt, sobald wir weggetreten sind? Inzwischen mehren sich die Indizien dafür. So beobachtete die Neurowissenschaftlerin Maiken Nedergaard zusammen mit Kolleginnen und Kollegen von der University of Rochester, dass das Gehirn von Mäusen während des Schlafs schrumpft: Der Raum zwischen den Zellen vergrößert sich um erstaunliche 60 Prozent! Parallel dazu erhöht sich der Austausch zwischen Gewebswasser und Liquor – das ist die Flüssigkeit, die das Gehirn umgibt. Die These der Forschenden: Beim Schlafen wird das Gehirn gründlich durchgespült, es entsorgt auf die Weise neurotoxischen Abfall. Wie Nedergaard zeigen konnte, wird bei schlafenden Versuchstieren beispielsweise verstärkt ß-Amyloid ausgeschwemmt. Das Protein spielt bei der Entstehung von Morbus Alzheimer eine entscheidende Rolle.

Eine andere Theorie stammt von der italienischen Hirnforscherin Chiara Cirelli und ihrem Kol legen Giulio Tononi. 2003 formulierten die beiden in einem weit beachteten Artikel ihre »Hypothese der synaptischen Homöostase«. Synapsen sind die Orte, an denen Nervenzellen aneinanderstoßen und Informationen austauschen. Geht ein elektrischer Impuls an einer Synapse ein, schüttet diese chemische Botenstoffe aus. Sie diffundieren durch den hauchdünnen synaptischen Spalt und sorgen in der Empfängerzelle dafür, dass positiv geladene Ionen einströmen. Das löst wiederum einen Spannungspuls aus, der sich entlang der Zelle fortsetzt.

Nach der Nachtruhe fällt es uns leichter, uns an die Vokabeln zu erinnern, an denen wir am Vorabend noch verzweifelt sind

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Werden Synapsen wiederholt gereizt, klappt die Signalübertragung immer besser. Wird anfangs vielleicht nicht jeder Puls weitergeleitet, kann schließlich schon ein schwacher Reiz des Senderneurons in der Empfängerzelle eine starke Antwort auslösen. Dieser Prozess nennt sich Langzeitpotenzierung; sämtliche Lernvorgänge basieren darauf.

Allerdings sind Synapsen Energiefresser. Eine zu gute Weiterleitung elektrischer Impulse kann zudem zur Übererregung ganzer Hirnareale führen und damit etwa zu epileptischen Anfällen. Cirelli und Tononi nehmen daher an, dass im Schlaf die Synapsen wieder heruntergeregelt werden. Die häufig genutzten unter ihnen bleiben zwar stärker. In der Summe wird die Erregbarkeit der Neurone aber reduziert. Zusätzlich wird das Dickicht neu entstandener Nervenverbindungen zurückgeschnitten – sonst würde bald Platzmangel unter der Schädeldecke herrschen. Tatsächlich gibt es inzwischen eine Reihe von Befunden, die diese These stützen.

Andererseits deuten immer mehr Daten darauf hin, dass manche Synapsen im Schlaf nicht etwa weniger erregbar werden, sondern sogar stärker. Das hängt mit einem anderen Effekt des temporären Bewusstseinsverlusts zusammen, der inzwischen ebenfalls gut belegt ist: Schlaf ist wichtig für das Gedächtnis. Deshalb fällt es uns nach der Nachtruhe auch leichter, uns an die Vokabeln zu erinnern, an denen wir am Vorabend noch verzweifelt sind.

Im Wachzustand legt das Gehirn neue Informationen zunächst im Hippocampus ab. Im Schlaf reaktiviert es diese Erinnerungen, Forscher sprechen von einem Replay. »Dabei feuern im Hippocampus dieselben Nervenzellen in derselben Reihenfolge noch einmal«, erklärt Vorster. Mit dem, was wir »träumen« nennen, hat dieser Replay allerdings nichts zu tun. Anders als unsere nächtlichen Fantasien erfolgt er unbewusst. »Früher dachte man, wir würden im REM-Schlaf – also in den Schlafphasen, die als besonders traumreich gelten – Erlebnisse rekapitulieren und dadurch lernen«, sagt Vorster. »Erst in den 1990er Jahren stellte sich heraus, dass der NREM-Schlaf für die Gedächtnisbildung viel wichtiger ist.«

So findet der Replay meist in NREM-Phasen statt. Wenn die hippocampalen Neurone feuern, regt das Zellen in der Hirnrinde an. Dort sitzt bei Säugern das Langzeitgedächtnis. Auch die Rindenzellen werden in derselben Reihenfolge aktiv wie im Wachzustand, was die in ihnen gespeicherte Information verfestigt. Der Hippocampus »trainiert« im NREM-Schlaf gewissermaßen das Langzeitgedächtnis. Dort werden die Informationen zudem mit zuvor gespeicherten Inhalten verknüpft. Dadurch treten Gemeinsamkeiten stärker hervor, es kristallisiert sich quasi die Essenz des Gelernten heraus. Diesem Prozess der Generalisierung verdanken wir, dass wir einen Dackel als Hund identifizieren, selbst wenn wir zuvor noch kein Exemplar der Rasse gesehen haben, oder dass wir grammatikalische Regeln verinnerlichen.

»Der rasche Abfall der Körperkerntemperatur ist eines der potentesten Schlafsignale«

Albrecht Vorster, Neurobiologe

Nickerchen für eine bessere Wetterprognose

Wie Studien zeigen, nehmen Menschen versteckte Regeln oder Muster tatsächlich besser wahr, wenn sie zuvor geschlafen haben. Ein schönes Beispiel dafür stammt von Murray Barsky, Matthew Tucker und Robert Stickgold. Die Wissenschaftler von der Harvard Medical School in Boston baten Studierende, das Wetter vorherzusagen; aber nicht in der Realität, sondern im Rahmen eines einfachen Spiels. Dazu zeigten die Forscher ihren Versuchspersonen Karten mit unterschiedlichen Bildern: eine Uhr, eine Glühlampe, ein Flugzeug, einen Fisch. Jedes Symbol stand für eine bestimmte Wahrscheinlichkeit für Sonnenschein.

Zuerst sollten die Probandinnen und Probanden ein Gefühl dafür entwickeln, welche Spielkarte tendenziell für gutes und welche für schlechtes Wetter stand. Dazu sahen sie etliche Male verschiedene Kombinationen aus ein bis drei Symbolen, gefolgt von einer Sonne oder einer Regenwolke. Nach dieser Lernphase galt es nun, anhand weiterer Kartenkombinationen selbst das Wetter zu prognostizieren. Das gelang den Teilnehmern anfangs eher schlecht als recht. Nach einem 90-minütigen Nickerchen verbesserte sich die Qualität ihrer Vorhersagen allerdings erheblich – anders als bei einer Kontrollgruppe, die in dieser Zeit wach geblieben war. Sehr wahrscheinlich erfüllt Schlaf ganz unterschiedliche Aufgaben. Ob das Putzteam kommt, der Wildwuchs in den synaptischen Verzweigungen zurückgestutzt wird oder die Hirnrinde die Essenz aus den Erinnerungen der letzten Wachphase destilliert – es ist schwer vorstellbar, dass all das bei vollem Bewusstsein geschehen kann. Möglicherweise braucht es dafür wirklich so etwas wie eine natürliche Narkose. Und vielleicht ist es die Abkühlung während des NREM-Schlafs, die dafür den Boden bereitet.

Wie die Umgebungstemperatur den Schlaf beeinflusst

Damit wir gut einschlafen, sollte es unter der Bettdecke etwa 31 bis 35 Grad warm sein. Unbewusst versuchen wir, diese Temperatur aufrechtzuerhalten, indem wir uns (je nach Raumtemperatur) mehr oder weniger eng einwickeln. Die Wärme unterstützt die so genannte Vasodilatation, also die Erweiterung der Blutgefäße, in den Gliedmaßen. Das hilft dem Gehirn beim Abkühlen – eine wichtige Voraussetzung für das Einschlafen.

Ein kühler Kopf macht schläfrig

Jeden Abend, kurz vor dem Einschlafen, sinkt unsere Körpertemperatur ab (schwarze Punkte). Zeitgleich werden wir müde, wie Forscher mit Hilfe der so genannten Karolinska Sleepiness Scale herausfanden (orange Punkte). Diese erfasst das subjektive Maß an »Bettschwere«. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Körper am schnellsten abkühlt, erreicht die Schläfrigkeit ihren Höhepunkt.

Der Neurowissenschaftler Markus Schmidt, ebenfalls von der Universität Bern, hat noch eine ganz andere Idee, warum Tiere schlafen müssen. In ihrem Zentrum steht vor allem die zweite Variante, der REM-Schlaf. Auch der weist eine merkwürdige Abhängigkeit von der Temperatur auf. So verlieren Tiere in den REM-Phasen die Fähigkeit, ihre Körpertemperatur zu reglieren. Zittern, das Aufstellen der Körperbehaarung, Schwitzen, Hecheln: All das unterbleibt in dieser Zeit der lebhaften Träume. In der nächsten NREM-Phase setzen die Mechanismen dagegen wieder ein.

Schmidt fand das immer verwunderlich. Seine »energy allocation theory« (zu Deutsch: »Energiezuteilungstheorie«) soll das Phänomen erklären. Der Berner Forscher geht ebenfalls davon aus, dass im Körper (vor allem im Gehirn) regelmäßig Reparatur-und Umbauprozesse stattfinden, und zwar meist im Schlaf. Allerdings nicht, weil dann dafür die passenden Bedingungen herrschen. Schmidt zufolge optimiert die Verlegung dieser Aufgaben in die Ruhephasen vielmehr den Energiehaushalt.

Die Instandhaltung des Körpers kostet Energie, und die wird im Wachzustand für andere Dinge benötigt

Denn die Instandhaltung des Körpers kostet Energie, und die wird im Wachzustand für andere Dinge benötigt: zur Jagd, zur Flucht, zur Fortpflanzung oder einfach, um Eindrücke aus der Umgebung zu verarbeiten. Die Wartung und andere Vorgänge wie etwa das Wachstum müssen daher warten. Sie werden am besten dann erledigt, wenn der Organismus ruht.

Der REM-Schlaf mag es warm

Schon im NREM-Schlaf sind Tiere weitgehend inaktiv. Sie verwenden aber immer noch erhebliche Energie darauf, ihre Körpertemperatur konstant zu halten. Während der REM-Phasen ist dieser Schutz gegen Auskühlung und Überhitzung dagegen fast vollständig ausgeschaltet. Zudem erschlafft die Skelettmuskulatur komplett, auch das ist ein Unterschied zum NREM-Schlaf. Zwar mögen unsere Arme und Beine beim Träumen hin und wieder zucken; doch schlafwandeln könnten wir in diesem Zustand nicht.

Viele wichtige Energieverbraucher werden also in dieser Phase auf Sparflamme gedimmt. »Ich sehe den REM-Schlaf daher als eine Möglichkeit, Ressourcen von energetisch teuren Funktionen abzuzweigen«, sagt der Berner Neurowissenschaftler. Und wohin? Wahrscheinlich vor allem zu den grauen Zellen – deren Energieverbrauch steigt in den REM-Phasen nämlich sprunghaft an: »Das Gehirn ist der große Nutznießer dieser Strategie.«

Sie hat jedoch eine Kehrseite: Wer seine Körpertemperatur nicht regulieren kann, droht auszukühlen (oder zu überhitzen, je nachdem, wie warm die Umgebung ist). Vor allem bei kleinen Tieren kann das ziemlich schnell gehen. Vielleicht ist das der Grund, warum sie rasch zurück in den NREM-Schlaf schalten: Sie müssen sich wieder aufwärmen. Zwar ist der Körperkern auch im NREM-Schlaf etwas kühler als im Wachzustand. Seine Temperatur wird jedoch stets deutlich über der Schwelle gehalten, ab der es gefährlich wird. Daher wechseln Mäuse genau wie Menschen zwischen NREMund REM-Phasen hin und her. »Ein NREM-REM-Zyklus dauert bei ihnen im Schnitt nur 5 Minuten, bei der Katze 25, beim Menschen 90 und beim Elefanten 120«, erklärt der Berner Neurowissenschaftler. »Je schwerer das Tier, desto länger hält er an.«

Wenn die Umgebungstemperatur zu niedrig ist, wird bei Tieren zudem der REM-Schlaf unterdrückt. Schmidt entdeckte kürzlich zusammen mit Kolleginnen und Kollegen einen Schaltkreis im Gehirn der Maus, der dafür verantwortlich ist. Bestimmte Nervenzellen im Hypothalamus steigern demnach nur dann die Länge des REM-Schlafs, wenn die Raumtemperatur genau richtig ist, die Nager es sich also leisten können, ihre Thermoregulation abzuschalten. Bei Menschen gibt es allerdings noch keine wirklich belastbaren Hinweise darauf, dass sie in einer zu kalten (oder zu warmen) Umgebung weniger Zeit im Traumschlaf verbringen.

William Wisden hält Schmidts Hypothese dennoch für plausibel. Er stört sich aber an der zentralen Rolle, die der REM-Schlaf darin einnimmt: »Man hat Stämme von Labormäusen gezüchtet, die völlig ohne REM-Phasen auskommen, und das augenscheinlich ohne größere Probleme.« Und auch beim Menschen scheint es ohne REM-Schlaf zu gehen, beispielsweise wird dieser durch Antidepressiva massiv unterdrückt.

Warum ein warmes Bad beim Einschlafen hilft

Wenn Körper und Gehirn am Abend abkühlen, werden wir müde. Denn der rasche Temperaturabfall ist ein starkes Einschlafsignal. Trotzdem empfehlen Schlafforscher, vor dem Zubettgehen warm zu baden oder im Bett kuschelige Socken zu tragen. Wieso? Die Wärme erweitert die peripheren Blutgefäße in Händen und Füßen. So strömt mehr warmes Blut vom Körperzentrum zur Oberfläche, wo es schneller abkühlt. In der Folge sinkt die Körperkerntemperatur, und wir schlafen ein.

Auf NREM-Schlaf könne man dagegen nicht verzichten. »Ich glaube daher, dass er deutlich wichtiger ist«, sagt der Londoner Forscher. Letztlich gebe es zur Bedeutung der Schlafformen viele interessante Hypothesen, aber noch keinen Konsens – ebenso wenig wie zu der Frage, warum die Phasen auf derart charakteristische Weise von der Körpertemperatur abhängen. Wisden ist sich daher sicher: »Das letzte Wort ist noch nicht gesprochen.«

LITERATURTIPP

Vorster, A.: Warum wir schlafen. Heyne, 2019 Neueste Erkenntnisse zur nächtlichen Auszeit

QUELLEN

Franks, N. P., Wisden, W.: The inescapable drive to sleep: Overlapping mechanisms of sleep and sedation. Science 374, 2021

Harding, E. C. et al.: A neuronal hub binding sleep initiation and body cooling in response to a warm external stimulus. Current Biology 28, 2018

Harding, E. C. et al.: The temperature dependence of sleep. Frontiers in Neuroscience 13, 2019

Sabia, S. et al.: Association of sleep duration in middle and old age with incidence of dementia. Nature Communication 12, 2021

Schmidt, M. H.: The energy allocation function of sleep: A unifying theory of sleep, torpor, and continuous wakefulness. Neuroscience & Biobehavioral Reviews 47, 2014

Dieser Artikel im Internet: www.spektrum.de/artikel/1980289