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Der Schlaf - Die REM-Phasen

Überblick Hypertext "Der Schlaf"


Schlafphasen im Überblick

Der Schlaf wird grob in drei Phasen unterteilt, die sich durch unterschiedlich stark ausgeprägte Hirnströme (s.u.) unterscheiden lassen: Leichtschlaf, Tiefschlaf und die sogenannten REM-Phasen, die durch schnelle Bewegung der Augen unter den Lidern (englisch: Rapid Eye Movement) gekennzeichnet sind. Etwa alle neunzig Minuten beginnt ein neuer Schlafzyklus, in dem diese drei Schlafphasen in unterschiedlicher Länge durchlaufen werden. Zu Beginn der Nacht haben die "Durchgänge" einen großen Anteil an Tiefschlaf und nur sehr kurze REM-Phasen. Später verlängern sich die REM-Abschnitte. Die meiste Zeit befinden sich schlafende Menschen im Leichtschlaf. Nach Auffassung von Schlafmedizinern benötigt der Mensch den Leichtschlaf, um überhaupt in die erholsamen Schlafphasen zu gelangen. Tiefschlaf und REM-Schlaf sind als völlig unterschiedliche cerebrale Funktionszustände anzusehen, was auch einer Zweiteilung des Gedächtnisses entspricht: prozedurale Gedächtnisbildung wird vorwiegend durch Prozesse im REM-Schlaf gesteuert, die deklarative Gedächtnisbildung eher durch Prozesse im Tiefschlaf (SWS) Informationsverarbeitung und Informationsaufnahme im Schlaf.

Die REM-Phase

Die vegetativen Funktionen sind im REM-Schlaf leicht erhöht:

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1953 entdeckte Eugen Aserinsky im Schlaflabor von Nathaniel Kleitman, dass das Gehirn während der Haupt-Traumphase äußerst aktiv ist. Werden Menschen in der so genannten REM-Phase (von "rapid eye movement" = schnelle Augenbewegungen) geweckt, berichten 95 Prozent von realen, emotionalen und bizarren Traumerlebnissen. Diese Aktivität der Nervenzellen im Gehirn ist zu dieser Zeit vergleichbar mit der Aktivität von vollbewussten, wachen Menschen. Der Traum ist also durchaus ein Bewusstseinszustand und unterscheidet sich nur in einigen Punkten von dem Wachbewusstsein. Die Art, wie das Gehirn gesteuert wird, verändert sich, eine andere Klasse von Neurotransmittern ist am Werk. Menschen sind in dieser Zeit komplett von der Außenwelt abgeschirmt und Reize von außen dringen nicht mehr zum Bewusstsein vor, der Großteil der Muskeln ist nahezu lahm gelegt. Auch das System für die Gedächtnisbildung ruht, sodass es so schwer ist, sich an seine Träume zu erinnern. Bizarre Traumbilder entstehen, da das visuelle Zentrum im Gehirn spontan aktiviert wird und Informationen aus dem Stammhirn bekommt, einem sehr alten Hirnbereich, das versucht, diese in einen möglichst sinnvollen Zusammenhang zu bringen. Da bestimmte Bereiche des Gehirns die Informationen jedoch nicht mehr logisch auswerten können, entstehen diese bizarren Bilder. Trauminhalte werden aber nicht, wie es etwa Freud annahm, verschlüsselt, sie werden nur vom Gehirn im Schlaf nicht richtig interpretiert.

Etwa alle eineinhalb Stunden verfallen Schlafende in einen eigenartigen Zustand: Das Herz schlägt schneller, die Atemfrequenz steigt, die Augen wandern bei geschlossenen Lidern hin und her, oft finden sich Anzeichen sexueller Erregung (Erektion, Befeuchtung der Scheide) und phasische Muskelaktivitäten in den Extremitäten und der Gesichtsmuskulatur. Im REM-Schlaf kommt es häufig auch zu einer totalen Muskelerschlaffung, aus der im Traum das Gefühl gelähmt zu sein resultieren kann. Aufgrund der Atonie ist eine Grobbewegung oder Haltungsänderung selten, allerdings wird jede REM-Phase häufig durch eine grobmotorische Reaktion eingeleitet. Im Schlaf von 8 Stunden werden 3-6 REM-Phasen gefunden. Im allgemeinen wird von 5 REM-Phasen ausgegangen. Vor der REM-Phase liegen meist die slow-wave-sleep-Wellen (SWS), die aber in den letzten beiden Zyklen wenig oder gar nicht vorkommen. Beim SWS wird vermehrt Somatotropin ausgeschüttet, denn Kinder mit SWS-Entzug weisen Zwergwuchs auf.

Dieser zu Recht "paradox" genannte Zustand wurde 1953 von Nathaniel Kleitman an der University of Chicago entdeckt - und bald als physiologisches Äquivalent des Träumens bezeichnet. Denn an die 90 Prozent der Personen, die man aus diesem Schlaf weckt, berichten von Träumen in den Schlafphasen dazwischen ("Non-REM-Schlaf') sind es nur 10 Prozent, und die Träume sind vergleichsweise zahm.

In den REM-Phasen, die nach der Tiefschlafphase auftauchen, wurde ein EEG mit niedrigen Theta-Wellen von 1-4 Hz (Sägezahnwellen) gefunden. Dieses Stadium erinnert an ein aufmerksames Wachstadium ohne a-Wellen. Dies bedeutet, dass sich in dieser Phase b-Aktivität mit eingestreuten Theta-Wellen finden ließen. Eine regelmäßige Theta-Wellenaktivität im Hippokampus und schnelle Augenbewegungen lassen sich nachweisen. Im REM-Schlaf konnte hinsichtlich der Muskelaktivität im EMG (Elektromyogramm) eine völlige Muskelatonie (Atonie = Muskelerschlaffung) gefunden werden. Im EOG (Elektroocculogramm = Ableitung der Augenaktivität) konnten in der REM-Phase schnelle Augenbewegungen von 23 Sekunden mit Unterbrechungen von 200 msec.

Die REM-Dauer beträgt durchschnittlich 10 Minuten und wird aber im Laufe des Schlafes aber länger. So steigert sich der REM-Anteil von anfänglich 5-10 Minuten auf 22 Minuten in der letzten Phase, aus der man in der Regel erwacht. Der REM-Schlaf beträgt beim Erwachsenenschlaf durchschnittlich 104 Minuten mit einer Streubreite von etwa 16 Minuten. Dieses bedeutet, dass der REM-Schlaf bis zu einem Viertel der gesamten Schlafdauer einnehmen kann.

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Veränderung der Bedeutung des Schlafes bei Kindern mit zweieinhalb Jahren

Man weiß seit langem, dass der Schlaf unterschiedliche Funktionen erfüllt, wobei Cao et al. (2020) nun einen neuen Ansatz entwickelt haben, um besser zu verstehen und vorherzusagen, wie sich der Schlaf während der Ontogenese und über die Phylogenese hinweg verändert. Danach versucht man quantitativ zwischen Schlaf, der zur neuronalen Reorganisation genutzt wird, und Reparatur zu unterscheiden. Die Ergebnisse zeigen einen abrupten Übergang zwischen dem Alter von 2 und 3 Jahren beim Menschen, insbesondere zeigen die Ergebnisse, dass Unterschiede im Schlaf in der Phylogenie und während der späten Ontogenese (nach 2 oder 3 Jahren beim Menschen) in erster Linie darauf zurückzuführen sind, dass der Schlaf zur Reparatur oder Reinigung dient, während Veränderungen im Schlaf während der frühen Ontogenese (vor 2 oder 3 Jahren) in erster Linie die neuronale Reorganisation und das Lernen unterstützen. Auch zeigte sich, dass die neuroplastische Reorganisation hauptsächlich im REM-Schlaf, nicht aber in Non-REM-Phasen auftritt, was auf ein komplexes Wechselspiel zwischen entwicklungsbedingten und evolutionären Einschränkungen des Schlafs hindeutet. Vor dem Alter von etwa zweieinhalb Jahren wächst bekanntlich das Gehirn der Kinder sehr schnell, wobei die Zeit des REM-Schlafes das Gehirn in dieser Zeit vor allem nutzt, um Synapsen aufzubauen und zu stärken, also genau die Hirnstrukturen, die Neuronen miteinander verbinden und ihnen die Kommunikation untereinander ermöglichen. Im Schlaf wird dabei also die Infrastruktur des Gehirns aufgebaut, was auch bedeutet, dass man Babys man niemals wecken sollte. Nach rund zweieinhalb Jahren ändert sich dieser Hauptzweck des Schlafes plötzlich, denn statt das Gehirn aufzubauen, wird ab diesem Zeitpunkt vor allem für die Aufrechterhaltung und Reparatur des Gehirns gesorgt, was auch so für den Rest des Lebens so bleibt. Dieser Übergang von einer Funktion zur anderen korrespondiert mit Veränderungen in der Gehirnentwicklungen zu etwa derselben Zeit. Die Daten belegen übrigens auch bei anderen Arten einen dramatischen Rückgang des REM-Schlafs, wenn sie das Alter erreichten, das der menschlichen Entwicklungsstufe von zweieinhalb Jahren entspricht, sodass der Anteil des REM-Schlafes bei Kaninchen, Ratten, Schweinen und Menschen proportional ungefähr gleich ist. Auch hat die Größe des Gehirns offenbar einen gewissen Einfluss, denn mit zunehmender Größe nimmt der REM-Schlaf ab. Während Neugeborene etwa die Hälfte ihrer Schlafzeit im REM-Schlaf verbringen, sinkt diese Zeit bis zum Alter von zehn Jahren auf etwa ein Viertel der Schlafzeit und nimmt mit zunehmendem Alter weiter ab. Erwachsene, die älter als 50 Jahre sind, verbringen nur noch ungefähr 15 Prozent ihrer Schlafzeit im REM-Schlaf.

REM-Schlaf tritt bei allen Säugetieren auf - allerdings macht er bei verschiedenen Arten einen ganz unterschiedlichen Anteil am Schlaf aus. Offenbar ist der REM-Anteil bei Tieren, die ziemlich ausgereift zur Welt kommen, geringer als bei Tieren, die nach der Geburt noch "nachreifen" müssen. Zu diesen zählt bekanntlich auch der Mensch. Dass Katzen und Hunde auch träumen, wenn sich ihre Augen im Schlaf ganz schnell bewegen gilt als ziemlich sicher, denn Hunde oder Menschenaffen verbringen zwischen zehn und 25 Prozent ihrer Ruhezeit im REM-Schlaf, also genauso wie der Mensch. Aus einer evolutionären Perspektive ist es wahrscheinlich, dass die Fähigkeit zu träumen schon vor dem Menschen entwickelt wurde. In einem Experiment wurde die normalerweise im REM-Schlaf vorhandene Muskellähmung bei Katzen aufgehoben, sodass sie in diesen Phasen buckelten, fauchten und ihr Fell sträubte sich, d.h., sie Katzen verhielten sich offensichtlich so, als ob sie jagen oder gegen einen unsichtbaren Feind kämpften. Daher ist anzunehmen, dass auch Katzen wie Menschen die Fähigkeit besitzen, typische Erfahrungen im Traum nachzuerleben. Zumindest Säugetiere rekapitulieren ähnlich wie Menschen im Traum Tageserlebnisse, allerdings ist es fraglich, ob sie sich der Träume auch bewusst sind. Menschen halten allerdings keinen Rekord in der Länge des REM-Schlafs, denn Igel, Opposums und Schnabeltiere sind den Menschen hierin voraus. Mit Intelligenz hat der Prozentsatz an REM-Schlaf nicht unbedingt zu tun: Wale und Delphine, die allgemein als klug gelten, fallen kaum in REM-Schlaf.

Siehe dazu das kleine Video "Was dieser Hund wohl geträumt hat?"

Die Weckschwelle ist während der REM-Phase gegenüber dem slow wave sleep erhöht. Beim Menschen hängt die Weckschwelle auch von der Bedeutung des Reizmaterials ab. Die Verarbeitung komplexer Reizmuster bleibt in allen Schlafstadien erhalten. Die Weckschwelle ist eine lineare Funktion der Schlafdauer, d.h., sie nimmt bis zur 6. Stunde zu (weniger Reagibilität) und sinkt dann bis zum Erwachen wieder ab. Schlafphasenwecker versuchen, diese Weckschwelle zu finden und zum richtigen Zeitpunkt zu wecken.

Bisher hatte man angenommen, dass Alpha-Wellen lediglich in einem entspannten Wachzustand vom Gehirn produziert werden, doch neuere Studien zeigen, dass sie auch im Schlaf entstehen, und dass die Schlafqualität mit deren Ausprägung zusammenhängt, d.h., je stärker die Alpha-Wellen sind, desto schlechter kann das Gehirn störende Geräusche ausblenden. Schon frühere Studien hatten gezeigt, dass Alpha-Wellen auch mit Schlaflosigkeit in Verbindung gebracht werden können und eine wichtige Rolle bei der Empfänglichkeit für Reize spielen. Allerdings dieser Zusammenhang nicht für die REM-Schlafphase.

Eine Untersuchung von Philipp G. Sämann (Max-Planck-Institute für Psychiatrie, München) zeigte, dass im Schlaf leichte, von der gewohnten Geräuschkulisse abweichende Reize keine Reaktion in der Hörrindenregion des Gehirns auslösen und sogar die Aktivität anderer Bereiche des Gehirns nach unten regeln. Vermutlich handelt es sich um einen Schutzmechanismus, der verhindern soll, dass Schlafende zu schnell aufwachen. Die Gehirnbereiche, die nach einem kleinen Geräusch derart gebremst werden, sind für Alarmzustände zuständig bzw. daran beteiligt, Bewegungen auszulösen. Das Gehirn bleibt jedoch nicht durchgehend in diesem gedämpften Zustand, sondern mehrmals pro Minute gibt es ein bis zwei Sekunden lange Phasen, in denen die gemessenen Hirnströme stark ausschlagen. Geräusche, die in diesen Phasen wahrgenommen werden, führen zu einer Aufmerksamkeitsreaktion, die einer Reaktion im wachen Zustand sehr ähnlich ist. Offensichtlich schätzt das Gehirn die Reize neu ein, um zu überprüfen, ob es in angemessen ist, weiterzuschlafen.  Koroma et al. (2020) haben den Mechanismus untersucht, mit dem das Gehirn Träume vor äußeren Einflüssen beschützt. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: entweder baut das träumende Gehirn die Informationen der realen Welt in die Traumwelten ein oder es filtert diese gezielt heraus, um zu verhindern, dass ein Mensch durch störende Geräusche oder andere Faktoren aus dem Traum gerissen wird. Träume finden bekanntlich vorwiegend während des REM-Schlafs statt, wobei besonders der Schlaf in den Morgenstunden reich an diesen Schlafphasen ist. Während dieser Phase zeigt das Gehirn eine ähnliche Aktivität wie im Wachzustand. In einem Schlaflabor wurden Schlafenden Geschichten vorgespielt, während sie schliefen, wobei diese Erzählungen zum Teil in einer verständlichen und zum Teil in einer unverständlichen Sprache aufgenommen worden waren. Die Gehirnaktivität der Probanden wurde dabei aufgezeichnet. Es zeigte sich, dass das Gehirn während des leichten Schlafs wie im Wachzustand sinnvoller Sprache den Vorrang einräumt. Durch die Rekonstruktion der Sprache aus den elektrophysiologischen Reaktionen war deutlich, dass informatives Sprechen während des REM-Schlafs gegenüber bedeutungslosem Sprechen verstärkt wird. Doch zum genauen Zeitpunkt der Augenbewegungen wird informative Sprache im Gegenteil selektiv unterdrückt. Diese Ergebnisse demonstrieren die flexible Verstärkung und Unterdrückung von sensorischen Informationen während des REM-Schlafs und zeigen den Einfluss von Augenbewegungen auf die selektive Aussteuerung von informativen Stimuli während des Schlafs. Das schlafende Gehirn nimmt also die Geräusche der Außenwelt wahr, bewertet diese und verstärkt oder unterdrückt sie, je nach Situation, sodass das Gehirn durch diesen Mechanismus in der Lage ist, die Traumphase zu schützen.

Ontogenese des REM-Schlafes

Übrigens: Der Name R.E.M. der US-amerikanische Rockband - eine der erfolgreichsten Bands des Alternative Rock - geht tatsächlich auf die Abkürzung für Rapid Eye Movement zurück, denn bei der Suche nach einem neuen Namen nahm Michael Stipe, neben Peter Buck, Mike Mills und Bill Berry ein Mitglied der Band „Twisted Kites“, ein Wörterbuch, suchte willkürlich einen Eintrag aus, und traf zufällig auf R.E.M.

Mit bildgebenden Verfahren können Wissenschaftler heute untersuchen, welche Bereiche des Gehirns während des Schlafens aktiv sind. Schon in der 30. Schwangerschaftswoche ist das Gehirn eines Embryos aktiv, etwa in dem Sinne, wie es auch im REM-Schlaf aktiv ist. Im REM-Bewusstsein kreiert das Gehirn mit einem Minimum an Informationen eine virtuelle Realität, die erstaunliche Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur realen Welt aufweist. So bereitet es sich allmählich auf die Welt draußen vor. Auch in der frühkindlichen Entwicklung ist diese Traumphase besonders ausgeprägt, denn Babys schlafen 16 Stunden am Tag, wobei den größten Anteil dabei der REM-Schlaf hat. Das Gehirn löst dann Probleme, die während des Tages entstanden sind, indem es Informationen während des Schlafens aktiv erneuert und organisiert, d.h., es versucht, der Welt eine Struktur zu geben, um so die Aufgaben des Wachbewusstseins zu erleichten.

Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Ontogenese des Zentralnervensystems und dem REM-Schlaf, denn die REM-Anteile sinken nach der Geburt deutlich ab. Ab dem 50 Lj. besteht der Non-REM-Schlaf aus Stadium 1 und 2. Alte Menschen schlafen weniger, wachen häufiger auf und zeigen verringerte REM-Phasen und wenig SWS (Stadium 3 und 4). In jungen Jahren macht der SWS bis zu 40% der Totalschlafzeit aus. Bei dementen Personen ist der SWS auf Null reduziert.

Übersicht der prozentualen REM-Anteile beim Gesamtschlaf

 

Schlafdauer

REM-Phasen in%

Neugeborene

16-17.Std.

50

1. Lj.

13-14 Std.

35

3. Lj.

ca. 10 Std.

28-30

ab 20. Lj.

7-8 Std.

24

70. Lj.

weniger als 6 Std.

ca. 20

Schlafwandeln und REM-Schlaf-Verhaltensstörung

In REM-Phasen ist das Gehirn zwar von den Außenreizen abgekoppelt, ist aber sogar aktiver als im Wachen, daher sind REM-Träume eine Art Bewusstsein in Reinkultur. Schlafwandler sind körperlich aktiv, aber nicht bei Bewusstsein, denn sie agieren ähnlich wie wache Menschen, doch ist bei ihnen der Geist nicht abwesend, sondern er schläft tatsächlich. Wach hingegen sind Menschen mit der REM-Schlaf-Verhaltensstörung (REM sleep behavior disorder), die häufig zusammen mit Parkinson auftritt, wobei die Betroffenen wie Schlafwandler nachts herumgeistern, aber im Unterschied zu diesen dabei träumen, denn ihr Gehirn versäumt es, sich wie bei Schlafwandlern vom motorischen Körper abzukoppeln. Daher leben sie ihre Träume in der wirklichen Welt aus und beginnen, da sie häufig Albträume haben, zu randalieren. Schlafwandler agieren nur, während Menschen mit einer REM-Schlaf-Verhaltensstörung auch reagieren, doch sind sie ebenfalls wie Schlafwandler für das, was sie dabei tun, nicht verantwortlich wie gesunde Träumer für das, was sie im Schlaf tun.

Kurioses "REM-Wacheln"

Die Coaching-Industrie hat sich des Wissens um REM-Phasen bedient und angeblich eine Methode entwickelt, die ein effektives Leistungs- und Emotions-Coaching ermöglicht, das für den Coachee spürbar und schnell in wenigen Sitzungen zum Abbau von Leistungsstress und zur Steigerung von Kreativität, Mentalfitness und Konfliktstabilität führen soll. Erreicht wird dieser Ressourcen-Effekt durch eine einfach erscheinende Grundintervention, nämlich das Erzeugen von "wachen" REM-Phasen, bei denen der Coach mit schnellen Handbewegungen den Blick seiner Coachees horizontal hin und her führt, wobei mit einem patentierten Muskelfeedback-Instrument vorher das genaue Thema bestimmt und nachher die Wirksamkeit der Intervention überprüft wird. Dabei wird also der berüchtigte Muskeltest eingesetzt, wobei natürlich in klassischer NLP-Manier auch von einer optimalen Zusammenarbeit der beiden Gehirnhälften die Rede ist.

Drei Glas Wasser, und man erinnert sich an seine Träume

Robert Stickgold, Professor für Psychiatrie an der Universität Harvard, behauptet, wer kurz vor dem Schlaf drei Gläser Wasser trinkt, kann sich am Folgetag an seine Träume erinnern, denn die drei Gläser Wasser unterdrücken die fünfte REM-Schlafphase. Die drei Gläser Wasser führen nämlich dazu, dass man kurz vor Eintritt der fünften Schlafphase auf die Toilette muss und der Traum in Erinnerung bleibt. Allerdings sollte man beim Aufwachen nicht sofort die Augen öffnen, sich bewegen oder sprechen. Die drei Gläser Wasser und der Toilettengang mitten in der Nacht haben aber die Nebenwirkung, dass der Schlaf nicht besonders erholsam ist.

Übrigens: Schlaf ist evolutionär wesentlich älter als bisher vermutet

Bekanntlich treten Fische in einen schlafähnlichen Zustand ein, aber man wusste bisher nicht, ob ihr Schlaf dem von Landtieren ähnelt. Leung et al. (2019) haben jüngst entdeckt, dass neuronale Signaturen beim schlafenden Zebrafisch analog zu denen des Menschen sind, was darauf hindeutet, dass sich die Gehirnaktivität schon vor langer Zeit entwickelt hat. Beim Schlaf von Zebrafischen gibt es zwei Zustände, die denen von Säugetieren, Reptilien und Vögeln ähnlich sind, nämlich langsame Schlafwellen (Slow-Wave Sleep) und paradoxen Schlaf (Propagating-Wave Sleep), wobei letzterer dem REM-Schlaf der Säugetiere ähnlich ist. REM-Schlaf und Propagating-Wave Sleep werden interessanterweise durch das Melanin-konzentrierende Hormon reguliert. Dadurch lässt sich vermuten, dass Schlaf nicht bei Knochenfischen und höheren Wirbeltieren unabhängig voneinander entstanden ist, sondern nur einmal in der Evolution bei einem gemeinsamen Vorfahren, der noch im Wasser lebte, vor spätestens 450 Millionen Jahren.

Literatur

Cao, Junyu, Herman, Alexander B., West, Geoffrey B., Poe, Gina, Savage, Van M. (2020). Unraveling why we sleep: Quantitative analysis reveals abrupt transition from neural reorganization to repair in early development. Science Advances, 6, doi:10.1126/sciadv.aba0398.

Koroma, M., Lacaux, C., Andrillon, T., Legendre, G., Leger, D. & Kouider, S. (2020). Sleepers Selectively Suppress Informative Inputs during Rapid Eye Movements. Current Biology, doi:10.1016/j.cub.2020.04.047.

Louis C. Leung, Gordon X. Wang, Romain Madelaine, Gemini Skariah, Koichi Kawakami, Karl Deisseroth, Alexander E. Urban & Philippe Mourrain (2019). Neural signatures of sleep in zebrafish. Nature, doi:10.1038/s41586-019-1336-7.

MEDSTANDARD vom 26.02.2007

http://www.focus.de/gesundheit/videos/helfen-sie-ihrem-gedaechtnis-trinken-sie-drei-glaeser-wasser-bevor-sie-schlafen-gehen-am-naechsten-morgen-werden-sie-ueberrascht-sein_id_6592435.html (17-02-04)

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