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Dick durch Schlafmangel


Gehirn & Geist - epaper ⋅ Ausgabe 1/2020 vom 06.12.2019

ERNÄHRUNG Kommt die Nachtruhe zu kurz, wächst der Appetit auf Süßes und Fettiges. Jetzt beginnt man zu verstehen, wie dieser Junkfood-Effekt im Gehirn entsteht.


In der U-Bahn von Tokio, morgens um halb acht. Immer wieder sackt der Kopf eines Fahrgastes auf die Schulter des Sitznachbarn. Japanischen Berufspendlern wird nachgesagt, sie könnten sogar im Stehen schlafen. In jedem Fall legen sie im Zug oder Bus, auf der Arbeit oder in der Schule häufig ein Nickerchen ein. Dafür gibt es im Japanischen einen eigenen Begriff – »inemuri«. Das heißt wörtlich übersetzt »anwesend sein und schlafen«.

Das verbreitete ...

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Bildquelle: Gehirn & Geist, Ausgabe 1/2020

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... Schlummern im öffentlichen Raum hat einen einfachen Grund: Viele Japaner leiden an Schlafmangel. Die Einwohner der Hauptstadt Tokio, einer der bevölkerungsreichsten Metropolen der Welt, halten mit durchschnittlich nur 5 Stunden und 46 Minuten Schlaf pro Nacht weltweit einen Negativrekord. Zugleich gibt es immer mehr fettleibige Japaner. Etwa jeder dritte Mann über 30 Jahren und jede dritte Frau über 40 gilt dort als bedenklich übergewichtig. Und mit den Pfunden steigen in der Regel auch die Cholesterinwerte sowie das Risiko, an Diabetes oder Bluthochdruck zu erkranken, rasant.

UNSER EXPERTE

Michael Lazarus ist promovierter Neurobiologe und forscht am International Institute for Integrative Sleep Medicine der Universität in Tsukuba in Japan.

Könnte dafür vielleicht der Schlafmangel verantwortlich sein? Um das herauszufinden, untersuchten Forscher um den Physiologen Kenneth Wright Jr. von der University of Colorado in Boulder im Jahr 2013 junge Erwachsene im Schlaflabor. Während die Hälfte der Probanden neun Stunden schlafen durfte, gewährte man den anderen nur fünf Stunden Nachtruhe. Wie physiologische Messungen ergaben, verbrauchten die müden Probanden daraufhin im Mittel zwar fünf Prozent mehr Energie, konsumierten jedoch gut sechs Prozent mehr Kalorien, so dass sie im Verlauf der Studie fast ein Kilo zunahmen. Sie verzehrten besonders spätabends vermehrt kalorienreiche Kost.

Epidemiologische Studien bestätigen, dass zu wenig Schlaf mit Fettleibigkeit bei Kindern und Jugendlichen zusammenhängt. Ein Team um den Mediziner Xianchen Liu von der University of Pittsburgh fand bereits 2008 heraus, dass insbesondere REM-Schlafmangel Übergewicht bei jungen Menschen begünstigt. Die Mediziner vermaßen den Schlaf von 335 Kindern und Jugendlichen im Alter von 7 bis 17 Jahren mittels Polysomnografie.

Hierbei werden die elektrischen Hirnströme, die Muskelspannung und die Augenbewegungen sowie bei Bedarf noch weitere Parameter wie die Herzmuskelaktivität (EKG) gleichzeitig aufgezeichnet. So entsteht ein individuelles Schlafprofil des Probanden (siehe auch »Die Vermessung des Schlafs«, S. 59). Wie sich herausstellte, hatten Teilnehmer, die nur eine Stunde weniger als der Durchschnitt schliefen, schon ein doppelt so hohes Risiko, übergewichtig zu werden. War speziell der REM-Schlaf reduziert, ablesbar an den EEG-Mustern der Betreffenden, waren sie dreimal so häufig zu dick.

Immer mehr Japaner leiden unter Fettleibigkeit. Ein möglicher Grund: zu wenig Schlaf.


Auf einen Blick: Nächtlicher Appetitmacher

1 Zu wenig Schlaf und Übergewicht treten in den industrialisierten Staaten häufig gemeinsam auf. Forscher ergründen heute, ob zwischen beiden ein ursächlicher Zusammenhang besteht.

2 Offenbar kann Schlafmangel, insbesondere zu wenig REMSchlaf, den Appetit auf kalorienreiche Speisen verstärken. So nimmt der Körper unterm Strich mehr Energie auf, als er verbraucht.

3 Um eine ausreichende Nachtruhe mit langen REM-Schlaf- Phasen zu fördern, sind vor allem regelmäßige Bewegung und ein maßvoller Konsum elektronischer Medien ratsam.

Der Verzehr von besonders süßem oder fetthaltigem Essen, umgangssprachlich Junkfood genannt, gilt als Hauptursache für die Gewichtszunahme. Verschiedene Forschergruppen untersuchten mittels funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT), welche Vorgänge im Gehirn daran mitwirken. Dieses bildgebende Verfahren misst die Durchblutung von Hirnarealen anhand der magnetischen Eigenschaften des Blutfarbstoffs Hämoglobin. In einer Studie bestimmte ein Team um den Neurobiologen Christian Benedict von der Universität Uppsala in Schweden die Hirnaktivität von Männern, denen man Bilder kalorienarmer und kalorienreicher Lebensmittel zeigte – und zwar entweder nach einer komplett durchwachten Nacht oder nach einer, in der sie ganz normal schlafen durften.

Auf der Suche nach dem Pizza-Areal
Im ersten Fall war eine deutlich stärkere Aktivierung des vorderen zingulären Kortex zu verzeichnen. Zudem hatten die übernächtigten Probanden deutlich mehr Appetit, obwohl ihr Blutzuckerspiegel etwa auf dem gleichen Niveau lag wie der der ausgeruhten Teilnehmer. Der vordere zinguläre Kortex ist unter anderem daran beteiligt, wenn wir Gefühle in unsere Entscheidungen und gedanklichen Abwägungen einbeziehen. Offenbar kommt ihm auch in Sachen Ernährung eine wichtige Rolle zu.

Eine Forschergruppe um Marie-Pierre St-Onge von der Columbia University in New York maß die Hirnaktivität von 25 Probanden, während diese Fotos von Pizza, Donuts und Süßigkeiten oder aber von gesunden Lebensmitteln wie Obst, Gemüse oder Haferflocken betrachteten.

Die Hirnscans wurden je zweimal durchgeführt – nach fünf Nächten mit jeweils höchstens vier Stunden Schlaf sowie ein weiteres Mal nach ebenso vielen Nächten mit bis zu neun Schlummerstunden. Die Abfolge der Bilder bestimmte dabei jeweils das Los. Erstaunlicherweise sprachen bestimmte Hirnareale nur bei Schlafmangel auf das Betrachten von Junkfood an. So aktivierten Bilder von Pizza und Co. dann die Inselrinde sowie den orbitofrontalen Kortex oberhalb der Augenhöhle (Orbita).

Diese Areale haben recht unterschiedliche kognitive Funktionen, sind jedoch beide am Genussempfinden beteiligt. Eine Aktivierung des zingulären Kortex, wie ihn die Forscher aus Uppsala beschrieben hatten, ergab diese Studie allerdings nicht. Das könnte daran liegen, dass länger anhaltender Schlafentzug weiter reichende Veränderungen der Hirnaktivität bewirkt. Es sind aber auch andere, methodische Gründe für diesen Unterschied denkbar.

Eine Arbeit unter Leitung des Psychologen Matthew Walker von der University of California in Berkeley bestätigte 2013, dass müde Menschen kalorienreiche Lebensmittel bevorzugen. 23 gesunde Erwachsene bewerteten zunächst den Reiz, den verschiedenes Essen auf sie ausübte – einmal in ausgeruhtem Zustand und einmal, nachdem sie 24 Stunden wach gewesen waren. Zugleich beobachtete man die Hirnaktivität der Teilnehmer per fMRT.

Wieder hatten die Probanden mehr Lust auf ungesundes Essen, wenn sie übernächtigt waren. Allerdings waren der präfrontale und der orbitofrontale Kortex sowie die Inselrinde in dieser Untersuchung sogar weniger aktiv! Ganz offenbar beeinflusst Schlafmangel also die neuronale Kommunikation – nur wie genau, ist bislang unklar. Vermutlich hängt dies von einer Reihe begleitender Faktoren wie dem Stress und der Motivation der Teilnehmer oder den hauptsächlich betroffenen Schlafphasen ab.

Trotz aller offenen Fragen zeigt sich ein Befund sehr stabil: Müde Menschen haben ein größeres Verlangen nach Junkfood, weil ihr Gehirn dann anders arbeitet. In unserem Schlaflabor an der Universität in Tsukuba gingen wir gemeinsam mit dem kanadischen Neurowissenschaftler Kristopher McEown den Folgen des REMSchlaf- Mangels im Tierversuch auf den Grund. Ausgangspunkt für unsere Experimente war eine zufällige Beobachtung: Mäuse, die in einem Käfig mit Gitterrostboden schlafen, zeigen weniger REM-Schlaf als solche auf Einstreu aus Papierpellets. Die Non-REM-Phasen bleiben hingegen unverändert.

Also ließen wir Mäuse nach einer Nacht auf jeweils verschiedenem Untergrund zwischen herkömmlichem Laborfutter, weißer Schokolade und einem fettreichen Spezialfutter wählen. Siehe da: Bei gestörtem REMSchlaf wählten die Tiere vermehrt hochkalorische Nah rung; sowohl die süße Schokolade als auch das Spezialfutter erfreuten sich dann größerer Beliebtheit.

Die Vermessung des Schlafs

Schlafmediziner verdanken einen Großteil ihrer Erkenntnisse der Elektroenzephalografie (EEG), die der Jenaer Psychiater Hans Berger (1873–1941) erstmals 1929 erprobte. Beim EEG misst man die elektrische Aktivität des Gehirns anhand der Spannungsschwankungen an der Schädeloberfläche. Das Frequenzspektrum, also die Verteilung von langsamen und schnellen EEG-Wellen, gibt Aufschluss über die verschiedenen Wachheitsgrade oder Schlafstadien (siehe unten).

Der Schlaf von Menschen und anderen Säugetieren besteht, grob gesagt, aus zwei Phasen: dem REM- (rapid eye movements) sowie dem Non-REM-Schlaf. Ersterer ist durch schnelle EEG-Wellen mit geringer Spannungsschwankung gekennzeichnet, begleitet von Augenbewegungen und Lähmung der Skelettmuskulatur. Man spricht oft auch von paradoxem Schlaf, da die kortikale Aktivität in diesem Zustand ähnlich hoch ist wie im Wachzustand. Im REM-Schlaf finden die meisten Träume statt, wobei die Muskelaktivität weitgehend unterdrückt wird.

Etwa 80 Prozent unseres Schlafs verbringen wir dagegen im Non-REM-Schlaf, den man wiederum in zwei leichtere Schlafphasen (N1 und N2) sowie die Tiefschlafphase (N3) unterteilt. Der Leichtschlaf N2 macht allein etwa die Hälfte unserer Nachtruhe aus. Schlafspindeln und K-Komplexe sind typische Wellenmuster während dieses Stadiums. Der Tiefschlaf wird im Englischen auch als »slow-wave sleep« bezeichnet, da man ihn an langsamen EEG-Wellen mit hoher Spannung erkennt. Im Non-REM-Schlaf sinkt der Energieverbrauch des Gehirns um rund 30 Prozent gegenüber der wachen Aufmerksamkeit. Dies ist ein beachtlicher Wert, wenn man bedenkt, dass unser Gehirn zwar nur zwei Prozent unseres Körpergewichts ausmacht, aber im entspannten Wachzustand bereits 20 Prozent der gesamten Energie verbraucht.

Der menschliche Schlaf weist normalerweise pro Nacht vier bis fünf Zyklen von etwa 90 Minuten Dauer auf. Dabei durchläuft der Schläfer jeweils verschiedene Non-REM- und REM-Phasen. Der Tiefschlafanteil pro Zyklus nimmt mit der Schlafdauer ab und verschwindet schließlich ganz. Hingegen nimmt der REM-Anteil gegen Ende des Schlafs zu.

Die National Sleep Foundation in den USA empfiehlt für Erwachsene sieben bis neun Stunden Nachtschlaf, mindestens aber sechs Stunden. Schläft man wie der typische Tokioter weniger als sechs Stunden pro Nacht, verkürzt sich vor allem der Leicht- und der REM-Schlaf, der Tiefschlafanteil bleibt meist unverändert. Reduzierte REM-Schlafphasen sind auch für ältere Menschen typisch, weil sie länger zum Einschlafen brauchen, nachts öfter aufwachen und häufiger an Durchschlafstörungen leiden. Schlafmangel vermindert das Konzentrations- und Lernvermögen. Rund jeder dritte Verkehrsunfall ist auf Übermüdung zurückzuführen.

Zu wenig Schlaf erhöht auf lange Sicht das Risiko für Infektionskrankheiten und Depression, für Herz-Kreislauf- sowie Verdauungsstörungen. Wird der Schlaf dauerhaft unterbunden, führt dies zum Tod, wie Tierversuche belegen. Schlaf ist demnach ebenso lebenswichtig wie Essen. Warum genau, ist bislang unklar.

Der Autor Michael Lazarus und eine Mitarbeiterin werten am Bildschirm die EEG-Muster von Mäusen aus, die in unterschiedlicher Umgebung schliefen.


Im nächsten Schritt blockierten wir die Nervenzellen im präfrontalen Kortex der Tiere. Um die Neurone zu hemmen, regten wir sie per Gentransfer dazu an, Chloridkanäle zu produzieren. Diese Kanalproteine stammen aus dem FadenwurmCaenorhabditis elegans und lassen sich durch den Wirkstoff Ivermectin gezielt aktivieren. Der Einstrom von Chloridionen in die Zellen setzt dann deren Erregbarkeit herab.

Wie sich zeigte, kehrte diese Blockade die Wirkung des REM-Schlaf-Mangels zum Teil um: Nun war die zuckerreiche Kost für die Mäuse weniger attraktiv als die fettige. Offenbar vermitteln Nervenzellen im präfronta- len Kortex also vor allem die Lust auf Zucker – und diese steigt, wenn der REM-Schlaf zu kurz kommt. Welchen Beitrag andere Hirnregionen wie der orbitofrontale oder der zinguläre Kortex hierbei leisten, müssen zukünftige Studien ergeben.

Fazit: Obwohl wir im Wachzustand meist deutlich mehr Energie verbrauchen als im Schlaf, fördert Schlafmangel die Fettleibigkeit. Die dafür verantwortlichen Hirnprozesse zu verstehen, liegt daher im Interesse der öffentlichen Gesundheit. Schon heute deutet sich an, dass eine gezielte Verbesserung des REM-Schlafs dabei helfen kann, Übergewicht vorzubeugen. Hierfür sind vor allem regelmäßige Bewegung sowie ein maßvoller Umgang mit elektronischen Medien hilfreich.

QUELLEN

Fatima, Y. et al.: Longitudinal impact of sleep on overweight and obesity in children and adolescents: a systematic review and bias‐adjusted meta‐analysis.Obesity Reviews 16, 2015

Markwald, R. R. et al.: Impact of insufficient sleep on total daily energy expenditure, food intake, and weight gain.PNAS 110, 2013

McEown, K. et al.: Chemogenetic inhibition of the medial prefrontal cortex reverses the effects of REM sleep loss on sucrose consumption.eLife 5, 2016

Weitere Quellen im Internet: www.spektrum.de/artikel/1685130


MILATAS / GETTY IMAGES / ISTOCK (SYMBOLBILD MIT FOTOMODELL)

GEHIRN&GEIST, NACH HAURI, P.: THE SLEEP DISORDERS. UPJOHN, 1982

MIT FRDL. GEN. VON MICHAEL LAZARUS