Schlafforschung

 

In den 1930er-Jahren zeichneten Hirnforscher erstmals die Hirnströme während des Schlafs in einem Enzephalogramm (EEG) auf. In den Zickzacklinien, die die von den Elektroden auf der Kopfhaut abgeleiteten Spannungsschwankungen nachzeichneten, erkannten sie ein Muster, das charakteristisch für den Zustand des Schlafens war und einem eigenen Rhythmus folgte. Diese systematischen Untersuchungen des Schlafs mithilfe der Enzephalographie begründeten die moderne Schlafforschung. Als einer der ersten soll der Hirnforscher Alois Kornmüller 1937 am Kaiser-Wilhelm-Institut für Hirnforschung in Berlin-Buch die Veränderungen der Hirnströme während des Schlafs, bei Ermüdung und nach der Einnahme von Wachmachern wie Koffein untersucht haben.

Die Schlafforschung unterscheidet heute insgesamt fünf Schlafphasen. Jede  dieser Schlafphasen wird im EEG mit einer charakteristischen Zickzacklinie  abgebildet. Von Phase 1 bis Phase 4 nimmt die Frequenz der Hirnströme ab, während die Amplitude, also die Stärke des elektrischen Signals, steigt. Diese vier Phasen – vom leichten bis zum tiefen Schlaf – durchläuft ein Mensch  etwa innerhalb der ersten 50 bis 60 Minuten nach dem Einschlafen. In Stufe 4 schlafen wir tief, bewegen uns aber noch. Danach durchläuft der Schlafende  die Phasen in umgekehrter Reihenfolge, von Phase 4 nach Phase 1. Schließlich  wird der sogenannte REM-Schlaf erreicht. Die nächsten Stunden folgen dem gleichen Muster, der Mensch pendelt zwischen Leicht- und Tiefschlaf hin und  her, wobei die REM-Schlafphasen länger werden und sich die Tiefschlafphasen verkürzen, je näher der Morgen rückt.  Das als REM-Schlaf bekannte Phänomen wurde 1953 erstmals von einer  Gruppe amerikanischer Forscher beschrieben. Die Abkürzung REM steht  für Rapid Eye Movement und weist auf das schnelle Hin- und Herbewegen  des Augapfels hin, das diese Schlafphase kennzeichnet. Ebenfalls charakteristisch für den REM-Schlaf ist die vollständige Lähmung des Bewegungsapparats sowie die Werte von Blutdruck und Puls, die denen des Wachzustands  entsprechen. Das Gehirn ist in dieser Phase sogar stärker durchblutet als im  Wachzustand. Es benötigt mehr Nährstoffe als sonst, was auf eine gesteigerte Aktivität hindeutet. Der REM-Schlaf wird auch als Traum-Schlaf bezeichnet, weil Menschen in dieser Schlafphase am ehesten träumen. Dies wurde seit  den 1950er-Jahren mit zahlreichen Experimenten nachgewiesen, bei denen Probanden aus verschiedenen Schlafphasen geweckt und nach ihren Träumen  befragt wurden. Weil der REM-Schlaf physiologisch gesehen ein einzigartiger  Zustand ist, der sich sehr stark von den anderen Schlafphasen absetzt, fasst die  Schlafforschung die Schlafphasen 1 bis 4 auch unter dem Begriff Non-REM- Schlaf zusammen. REM-Schlaf erscheint wie ein paradoxer physiologischer  Zustand: Man ist hoch erregt und schläft zugleich sehr fest.
Quelle: Vaillant, Kristina (2009). Die wissenschaftliche Entdeckung des Schlafs. Einführung in das Thema. Konferenz Schlaf. Somnologie – Erkenntnisse einer neuen Wissenschaft. 13. Berliner Kolloquium der Gottlieb Daimler- und Karl Benz-Stiftung.

Ursachen für dauerhafte Müdigkeit durch Arbeit

Griechische Forscher um Androniki Naska konnten im "Archive of Internal Medicine" in einer kontrollierten Studie belegen, dass Menschen, die mindestens dreimal pro Woche Siesta halten, das Risiko einer Herzerkrankung um etwa ein Drittel senken.

Probleme der Forschung

Während die Erforschung des Gehirns heute mittels funktioneller Magnetresonanztomografie, bei der starke, wechselnde Magnetfelder eingesetzt werden, um Stoffwechselvorgänge im Gehirn nahezu live und dreidimensional zu beobachten, beim wachen Menschen viele Möglichkeiten bietet, gibt es bei der Schlafforschung beinahe unüberwindliche Probleme, denn die Geräte sind auch heute noch sehr laut, sodass die ProbandInnen in der Mehrzahl nicht einschlafen können. Taube ProbandInnen sind daher die idealen Versuchspersonen.

Das gilt auch für Kinder: Je weniger Kinder schlafen, desto eher werden sie übergewichtig. Schliefen die in einer kanadischen Studie untersuchten Kinder pro Nacht höchstens zehn Stunden, wiesen sie gut 3,5-mal häufiger Übergewicht auf als solche, die mindestens zwölf Stunden Schlaf bekamen. Eine mögliche Ursache kann im Hormonhaushalt liegen, denn Schlafmangel senkt den Leptinspiegel, einem Hormon, das den Stoffwechsel aktiviert und den Hunger reduziert, während bei Schlafmangel der Spiegel des Hungerhormons Ghrelin ansteigt.

Schlaf und sportliche Leistung

Aus einigen Untersuchungen wusste man, dass ein höheres Schlafpensum die Laufgeschwindigkeit bei Leichtathleten verbessert. Mehr Schlaf kann aber auch das Leistungsvermögen von Schwimmern steigern, wie eine Studie der Universität Stanford (Kalifornien) an fünf Studenten zeigte. Dehnten diese nämlich ihr Schlafpensum auf zehn Stunden aus, so verbesserten sie sowohl die Geschwindigkeit als auch ihre Reaktionsfähigkeit. Bei einem 15-Meter-Sprint wurde ihre Zeit um durchschnittlich eine halbe Sekunde verbessert. Zusätzlich nahm die Tagesmüdigkeit der Studenten ab und auch ihre Stimmung besserte sich, vermutlich nicht nur durch den Schlaf, sondern wohl auch durch die Leistungssteigerung.

Winterschlaf auch bei Menschen möglich?

Wissenschaftler der Universität Marburg fanden auf Madagaskar winterschlafende Lemuren, eine den Menschen verwandte Halbaffenart mit verlängerter Schnauze und langem, dicht behaartem Schwanz. Gerhard Heldmaier, Vorsitzender der Internationalen Gesellschaft für Winterschlaf, fand zwei Schaltergene, die für die Steuerung des Winterschlafs entscheidende Enzyme aktivieren oder deaktivieren. So wird der Stoffwechsel von der normalen Kohlenhydratverbrennung auf Fettverbrennung umgestellt - ein entscheidender Prozess, um im Winterschlaf Energie zu sparen. Zwei weitere Schaltergene wurden etwa vor einem Jahr von einer amerikanischen Forschergruppe identifiziert.

Das Gehirn schläft während des Schlafes nicht

Ist der Schlaf ein passiver Vorgang, der lediglich durch das Verschwinden des Wachzustandes zustande kommt, wie dies der römische Schriftsteller Lucretius behauptet hatte, oder ist er ein aktiver Vorgang, der durch die Erregung bestimmter Hirngebiete zustande kommt? Frederic Bremer versuchte mit Experimenten in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts zu belegen, dass der Wachzustand nur aufrechterhalten werden kann, solange Sinnesreize aus der Umwelt das Gehirn aktivieren. Nach Durchtrennung der Nervenbahnen, welche die Sinnesorgane mit dem Gehirn verbinden, beobachtete er einen dauernden Schlafzustand. Dieser Befund unterstützte die Annahme, daß Schlaf ein passiver Vorgang sei, der lediglich auf der Ausschaltung aktivierender Einflüsse beruhe.

Walter Hess entwickelte eine Methode, die es ermöglichte, über feine Metallelektroden, die permanent in bestimmten Gehirnregionen von Versuchstieren implantiert worden waren, um die Wirkung elektrischer Reize auf das Verhalten zu erforschen. Er beobachtete, dass nach Reizung bestimmter Hirnregionen ein Versuchstier seinen Ruheplatz suchte, seine typische Schlafstellung einnahm und einschlief. Obwohl es jederzeit weckbar war, mussten Weckreize eine gewisse Intensität erreichen, um das Tier zum Aufwachen zu bringen. Diese Befunde stellten die Theorie des passiven Schlafs in Frage, denn der Schlaf war offensichtlich durch Erregung von Hirnstrukturen hervorgerufen worden, und beruhte daher nicht lediglich auf dem Entzug aktivierender Sinnesreize.

Nachts, wenn Menschen schlafen, fährt der Körper viele Aktivitäten herunter, und die Grundbedürfnisse wie Hunger und Durst spielen nur noch eine untergeordnete Rolle. So kommt es in der Regel nur sehr selten vor, dass Menschen nachts durstig werden, was vermutlich über die Ausschüttung bzw. Hemmung bestimmter Hormone durch das Gehirn geregelt wird.

Giuseppe Moruzzi und Horace Magoun entdeckten, dass die elektrische Reizung im Hirnstamm (Formatio reticularis) ein schlafendes Tier augenblicklich weckt. Aufgrund der Ergebnisse von Moruzzi erschien diese vor allem als eine aktivierende Struktur, deren Erregung zu einem aufmerksamen Wachzustand führt. Der Schlaf schien demnach durch das Ausbleiben dieser Aktivierung zustande zu kommen und damit einpassiver Vorgang zu sein. Weitere Untersuchungen ergaben jedoch, dass die elektrische Reizung im hinteren (caudalen) Teil der Formatio reticularis nicht ein Aufwachen bewirkte, sondern Schlaf auslöste. Die Existenz schlaffördernder und schlafhemmender Gebiete im Hirnstamm wurde in einem weiteren Experiment belegt, indem man Kanülen in jene Blutgefäße implantierte, die den hinteren oder vorderen Hirnstamm versorgen. Die Injektion eines Narkosemittels in die vorderen Gefäße bewirkte "Schlaf", da die aktivierenden Gebiete des Hirnstamms gehemmt wurden, während eine Injektion in die hinteren Gefäße ein Aufwachen des schlafenden Tieres bewirkte, da die schlafbegünstigenden Strukturen gehemmt wurden.

Schlafen und Wachen sind daber zwei unterschiedliche, aber "gleichberechtigte" Zustände, bei denen der eine nicht lediglich durch das Fehlen des anderen erklärt werden kann Obwohl es Hirnstrukturen gibt, deren Reizung mehr den einen oder anderen Zustand begünstigt, gibt es kein eigentliches Schlaf- oder Wachzentrum. Wenn wir schließlich noch die Aktivität einzelner Nervenzellen im Gehirn betrachten, so finden wir, dass die meisten sowohl im Schlaf wie im Wachen aktiv sind und dass sich vor allem das Muster ihrer Entladungsaktivität ändert.

Im Gehirn von Menschen und Tieren werden ständig neue Verbindungen gebildet, um Erinnerungen zu festigen und um sich Erlerntes zu merken. Allerdings lässt sich das aber nicht grenzenlos fortsetzen, denn manches muss auch wieder verschwinden. Möglicherweise dient der Schlaf genau diesem Zweck, der Reduktion und der Säuberung. Nachgewiesen wurde das bei Fruchtfliegen, die dafür genetisch so verändert wurden, dass man die Entwicklung von Synapsen beim Lernen direkt beobachten konnten. Tatsächlich entstanden während Lernsituationen und in einem engen sozialen Umfeld neue Verbindungen. In der folgenden Phase des erhöhten Schlafbedürfnisses ging die Anzahl aber wieder deutlich zurück, außer die Tiere wurden am Schlafen gehindert. Im Schlaf werden die Verbindungen schwächer oder verschwinden ganz, was auch sinnvoll ist, denn starke Verbindungen kosten sehr viel Energie. Daher wird der unnötige Ballast, sozusagen das Hintergrundrauschen des Tages, einfach "gelöscht".

Im menschlichen Gehirn gibt es zahlreiche gleichzeitig aktiven Ruhenetzwerke, wobei beim Einschlafen das "Default Mode Netzwerk“ und ein im spontanen Zeitverlauf gegenläufiges Netzwerk wirksam sind. Diese beiden Netzwerke sind im Wachzustand eng aneinandergekoppelt und stehen für unterschiedliche Aufmerksamkeitsprozesse, wobei das „Default Mode Netzwerk“ eher nach innen gerichtete Aufmerksamkeitsvorgänge unterstützt, während das gegenläufige Netzwerk eher mit der Verarbeitung von Außenreizen beschäftigt ist. Die niedrige Aktivität im „Default Mode Netzwerk“ während des Schlafes erklärt übrigens, warum die Menschen im Schlaf zu keiner bewussten Wahrnehmung fähig sind. Das zeigt sich an zeitlich gegenläufigen Signalaktivitäten, denn wenn das eine Netzwerk eine hohe Signalstärke zeigt, weist das andere niedrigere Signale auf bzw. vice versa. Diese Gegenläufigkeit kann jeder Mensch an sich selber beobachten, denn es ist schwierig, gleichzeitig etwa seinen knurrenden Magen zu beobachten und einem Vortrag zu lauschen. Diese Gegenläufigkeit ist auch bei den typischen Konzentrationsstörungen sichtbar, wo es nicht gelingt, die nach außengerichtete Lerntätigkeit vom innen kommenden Desinteresse abzukoppeln ;-) Das Gegennetzwerk wird ab dem zweiten Schlafstadium von seiner gegenläufigen Aktivität entkoppelt, bleibt jedoch über alle Schlafphasen vorhanden, denn nur so kann das Gehirn einfache Weckreize immer noch verarbeiten.

Während des Einschlafprozesses selbst verändern und interagieren diese beiden Zentren allerdings miteinander, indem der Hippokampus, die für Gedächtnisprozesse zentrale Region, bereits im leichten Schlaf aus dem Netzwerk ausgekoppelt wird, während der Frontallappen, zuständig für höhere Steuerungsprozesse, mit zunehmender Schlaftiefe sogar ganz aus dem Netzwerk ausgeschlossen wird. Diese nun simultanen Veränderungen könnten eine Erklärung für den weitgehenden Bewusstseinsverlust im Schlaf sein.

Mittagssschlaf

Im Wechsel von Schlafen und Wachen gibt es also tageszeitliche Schwankungen, wobei neben der Hauptschlafphase in der Nacht eine zweite Phase zur Mittagszeit folgt. Man merkt dies durch vermehrte Müdigkeit , Konzentration und Reaktion lassen nach, die Fehlerquote steigt. In einer Studie wurde mittels Pupillometrie festgestellt, dass ein 20-Minuten-Schlaf die Aufmerksamkeit extrem erhöht. Man sollte allerdings keinesfalls viel länger als diese zwanzig Minuten schlafen - maximal 30 Minuten -, sonst fällt man in die Tiefschlafphase. Manche plädieren deshalb für einen Mittagsschlaf, denn wer seine Mittagspause dazu nützt, ein kurzes Schläfchen (Power-Nap) einzulegen, kann seine Aufmerksamkeitsausfälle um 34 Prozent verringern. Wer 30 Minuten schläft, steigert die Reaktionsfähigkeit um bis zu 16 Prozent und verringert die Aufmerksamkeitsausfälle um 34 Prozent. Allerdings sollte man in keinem Fall mehr als 30 Minuten schlafen und nach dem Aufwachen das Gesicht kalt waschen.

In Japan und den USA ist der "Power Nap“ (Mittagsschlaf von 20-30 Minuten) im Kommen, denn dort werden Arbeitnehmern Schlafräume zur Verfügung gestellt. In Japan heißt das Schlafen zwischendurch "inemuri", was soviel bedeutet wie "anwesend sein und schlafen". Inemuri ist in Japan in allen öffentlichen Bereichen zu finden und wird weitgehend toleriert: In der Schule, am Arbeitsplatz, im Parlament, in der U-Bahn, sogar im Theater und im Konzert. Auch in den USA gilt es nicht nur als trendige Management-Methode, sondern als leistungssteigernde Maßnahme. Da nun auch Harvard-Forscher und die NASA nachgewiesen haben, dass ein mittäglicher Kurzschlaf die Reaktions- und Konzentrationsfähigkeit messbar steigert, gibt es immer mehr Firmen die Power-Napping sogar aktiv organisieren. Fluglinien erlauben ihren Piloten ein Nickerchen, aber auch große Konzerne wie IBM und Apple lassen mittags Power-Ruhen.

Allerdings sollten Menschen, die nicht durchschlafen können, ihren Rhythmus nicht zusätzlich belasten. Für alle anderen ist ein Mittagsschlaf vom Typ „Power Napping“ durchaus sinnvoll. Wichtig ist nur die strenge Limitierung, weil MittagsschläferInnen möglichst nicht tiefer als bis in Schlafphase zwei einschlafen sollten, um den Kreislauf und den gesamten Schlafrhythmus nicht durcheinander zu bringen.

Wer sich ein Experiment zur Schlafsteuerung machen will, kann beim Power-Napping einen kleinen, schweren Gegenstand in die Hand nehmen, denn wenn man ihn fallen lässt, ist es Zeit, den Mittagsschlaf zu beenden, da die Muskelrelaxation den Übergang in die tieferen Schlafphase kennzeichnet.

Schlaf und Mondphasen