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Duftstoffe verbessern Lernen im Schlaf

Duftstoffe können sehr einfach helfen, neu Gelerntes im Schlaf besser zu speichern, wie Forscher*innen des Universitätsklinikums Freiburg zeigen

Experiment mit Schulklassen bestätigt und vereinfacht vielbeachtete Studie / Publikation in Scientific Reports der Nature-Gruppe

Müheloses Lernen im Schlaf ist der Traum eines jeden Menschen. Dass Gerüche den Lernerfolg erhöhen, wenn sie während des Lernens und später erneut während des Schlafs präsentiert werden, wurde erstmals vor einigen Jahren in aufwändigen Studien im Schlaflabor nachgewiesen. Nun haben Forscher*innen des Universitätsklinikums Freiburg,  des Freiburger Instituts für Grenzgebiete der Psychologie und Psychohygiene (IGPP) und der Fakultät für Biologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg gezeigt, dass dieser Effekt sehr einfach erzielt werden kann. Für die Studie lernten Schüler*innen zweier Schulklassen Englisch-Vokabeln – mit und ohne Duftstäbchen während der Lernphase und in der Nacht. Mit Duftreiz erinnerten sich die Schüler*innen deutlich besser an die Vokabeln. Die Studie, die eine Lehramtsstudentin im Rahmen ihrer Abschlussarbeit durchführte, erschien am 27. Januar 2020 im Open-Access-Journal Scientific Reports der Nature-Gruppe. 

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Gehirn räumt im Schlaf auf

Gehirn räumt im Schlaf auf – und bleibt dadurch lernfähig

Die wesentliche Funktion von Schlaf ist geklärt

Schlaf reduziert die Übertragung zwischen Nervenzellen und schafft dadurch Platz für Neues und Wichtiges

Publikation in Nature Communications

Noch immer ist nicht eindeutig geklärt, weshalb Menschen und Tiere schlafen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Universitätsklinikums Freiburg zeigen in einer am 23. August 2016 im Fachmagazin Nature Communications veröffentlichten Studie, dass im Schlaf die allgemeine Aktivität der als Synapsen bezeichneten Nervenzell-Verbindungen reduziert wird. Die meisten Verbindungen werden geschwächt, manche sogar ganz abgebaut. Nur wichtige Synapsen bleiben bestehen oder werden gestärkt. Dadurch schafft das Gehirn wieder Platz, um neue Informationen zu speichern. Diese als synaptische Plastizität bezeichnete Anpassungsfähigkeit ist eine wichtige Grundlage für Lernen und eine flexible Informationsverarbeitung. Der Abbau dürfte zudem Platz und Energie sparen, da beides im Gehirn zu einem Großteil von den Verbindungsstellen benötigt wird.

Nehmen wir tagsüber Informationen auf, werden im Gehirn Synapsen gestärkt oder neu angelegt. „Wir konnten jetzt erstmals beim Menschen zeigen, dass Schlaf die Synapsen wieder heruntergeregelt und damit Platz für neue Informationen schafft. Das Gehirn räumt also im Schlaf auf“, sagt Studienleiter Prof. Dr. Christoph Nissen, Ärztlicher Leiter des Schlaflabors an der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Universitätsklinikums Freiburg. „Wird dieser Prozess durch Schlafmangel unterbunden, gerät das Gehirn in einen Sättigungszustand. Synapsen können dann nicht mehr ausreichend verstärkt oder neu aufgebaut werden. Entsprechend schwer fallen auch Lernen und flexible Informationsverarbeitung.“

Schlaf senkt die tagsüber gestiegene Aktivität der Synapsen

Zunächst untersuchten die Forscher die allgemeine Aktivität der Synapsen im Gehirn, die auch als Gesamtverbindungsstärke bezeichnet wird. Mit Hilfe einer Magnetspule über dem Kopf der Probanden reizten sie einen Bereich im Gehirn, der für die Steuerung eines Daumenmuskels zuständig ist. Dieses Vorgehen wird als Transkranielle Magnetstimulation (TMS) bezeichnet. Nach Schlafentzug löste bereits ein deutlich schwächerer Reiz eine Kontraktion des Muskels aus, was ein Zeichen für eine hohe synaptische Verbindungsstärke ist.

Außerdem werteten die Forscher mittels Elektroenzephalografie-Messungen (EEG) die unterschiedlichen Frequenzen der Hirnströme aus. Schlafentzug führte dabei zu einem deutlichen Anstieg sogenannter Theta-Wellen. Vorangegangenen Tier- und Humanstudien zufolge ist dies ein weiteres Anzeichen erhöhter synaptischer Gesamtstärke. „Schlaf senkt die tagsüber gestiegene Gesamtstärke der Synapsen im Gehirn. Nach Schlafentzug bleibt die Aktivität dagegen auf einem hohen Niveau“, sagt Prof. Nissen.

Gehirn wehrt sich gegen Überladung

Außerdem fanden die Forscher erstmals beim Menschen Hinweise für ein Prinzip, das eine dauerhafte Reizverarbeitung gewährleistet, die sogenannte homöostatische Plastizität. Sind die Synapsen durch lange Wachphasen bereits maximal aktiv, führen neue Reize oder Informationen nicht zu einer Stärkung, sondern zu einer Schwächung der Nervenzell-Verbindungen. Neu ankommende Reize können dann wieder normal verarbeitet werden. „Es ist anzunehmen, dass praktisch alle Funktionen des Gehirns dadurch beeinflusst werden, wie etwa Emotionsregulation, Konzentration oder Lernen“, sagt Prof. Nissen.

Im Experiment kombinierten die Forscher wiederholt die Reizung des motorischen Gehirn-Areals mit einem elektrischen Reiz am Arm, der ins Gehirn weiter geleitet wird. Findet eine Stärkung der Verknüpfung von Nervenzellen statt, kontrahiert sich der Daumenmuskel stärker als zuvor. Dieser Effekt zeigte sich nach Nachtschlaf. Nach Schlafentzug dagegen war die Kontraktion des Daumenmuskels sogar schwächer. Auf Verhaltensebene beobachteten die Freiburger Forscher zudem ein schlechteres Neulernen von Wortpaaren nach Schlafentzug.

Möglicher Grund, warum Menschen Schlafmangel unterschiedlich gut vertragen

Weiterhin fanden sie Hinweise darauf, dass der Wachstumsfaktor BDNF (brain derived neurotrophic factor) bei der Regulation der synaptischen Aktivität eine wichtige Rolle spielt. Es ist bekannt, dass BDNF nach normalem Schlaf die Neuverknüpfung von Nervenzellen und damit Lernen fördert. Die Forscher konnten nun zeigen, dass eine anhaltend hohe BDNF-Konzentration im Blut unter Schlafentzug eher zu einer Sättigung von Synapsen führte. „Das könnte erklären, warum manche Menschen Schlafmangel besser verkraften als andere“, sagt Prof. Nissen.

Therapieansätze für Depression und Schlaganfall

Die Erkenntnisse könnten zur Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten beitragen, etwa nach Schlaganfall oder bei depressiven Störungen. Bei diesen Erkrankungen ist es wichtig, Verschaltungen im Gehirn zu verändern. Hierzu könnten eine gezielte Beeinflussung des Schlaf-Wach-Verhaltens, aber auch andere Verfahren wie die transkranielle Gleichstromstimulation oder Medikamente mit neuen Wirkmechanismen auf Plastizität genutzt werden.

Original-Titel der Arbeit: Sleep recalibrates homeostatic and associative synaptic plasticity in the human cortex

DOI: 10.1038/ncomms12455

Macht Essen schlau?

Die Ernährung kann das Gedächtnis und die Konzentrationsfähigkeit wesentlich beeinflussen. Welchen Einfluss haben Kohlenhydrate, Vitamine, Eiweißbaustoffe und Fette auf die geistige Leistungsfähigkeit?

Eine ausgewogene Ernährung liefert die Zufuhr an lebenswichtigen Stoffen wie etwa Kalium, Kalzium, Vitaminen, Eisen, Jod, Selen und Kupfer für die optimale Gehirnfunktion. Foto: obx-medizindirekt

Eine ausgewogene Ernährung liefert die Zufuhr an lebenswichtigen Stoffen wie etwa Kalium, Kalzium, Vitaminen, Eisen, Jod, Selen und Kupfer für die optimale Gehirnfunktion. Foto: obx-medizindirekt

Regensburg (obx-medizindirekt) – Es klingt eigentlich paradox: Unzählige Menschen in unserem Land leiden an Nährstoffmangel, obwohl sie erhebliches Übergewicht mit sich herumschleppen. Sie ernähren sich falsch. Und das kann schwerwiegende Folgen haben: etwa für Herz und Kreislauf, Stoffwechsel und Gelenke, aber auch für die geistige Leistung und Konzentrationsfähigkeit. Falsche Ernährung kann nach neuesten Erkenntnissen sogar den Ausbruch einer Reihe von psychischen Erkrankungen und Altersdemenzen wie Alzheimer fördern. Umgekehrt lassen sich mit richtiger Ernährung die Symptome psychischer Erkrankungen deutlich verringern.

Die österreichische Psychotherapeutin Dr. Andrea Maierhofer sprach bereits vor Jahren in einem Beitrag für die Ärzte-Zeitung die Vermutung aus, dass „Mangel- oder Fehlernährung als wichtigste Ursache für den Ausbruch einer psychischen Erkrankung angesehen werden muss.“

Wegen der entscheidenden Rolle, die eine ausgewogene Ernährung für die Lernfähigkeit und geistige Gesundheit spielt, hat die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE) zur Vermeidung von Leistungstiefs und Konzentrationsschwächen der Schulkinder konkrete Ernährungs-Empfehlungen gegeben: „Eine ideale Pausenverpflegung besteht zum Beispiel aus einem Vollkornbrot, dünn bestrichen mit Butter, Margarine oder Frischkäse und belegt mit magerem Schinken, fettarmer Wurst, Käse oder vegetarischem Brotaufstrich.“ Außerdem gehören frisches Obst und Gemüserohkost wie Erdbeeren, Äpfel, Kirschen, Tomaten, Gurken oder Radieschen dazu.

Gewarnt wird vor süßen Riegeln, Croissants und zuckerhaltigen Getränken. „Mit Vollkornprodukten wird ein konstanterer Blutzuckerwert erreicht. So wird das Gehirn gleichmäßiger und länger mit Glukose versorgt, aus der es die für seine Leistungen notwendige Energie gewinnen kann“, heißt es in der DGE-Empfehlung.

Was für Schulkinder gilt, ist erst recht für Erwachsene anzuraten. Denn auch bei ihnen ist die Zufuhr an lebenswichtigen Stoffen wie etwa Kalium, Kalzium, Vitaminen, Eisen, Jod, Selen und Kupfer für die optimale Gehirnfunktion wichtig. Außerdem liefert eine ausgewogene Ernährung, die möglichst wenig Fett, aber viele pflanzliche Nahrungsmittel enthält, auch die wichtigen Bausteine für Gehirnbotenstoffe wie Serotonin und Dopamin und wirkt damit Depressionen entgegen. Eine betont pflanzliche Ernährung reguliert im Normalfall auch den Cholesterinspiegel günstig. Das ist Balsam fürs Gehirn, denn ein hoher Cholesterinspiegel kann dazu führen, dass im Gehirn Eiweißkörper (Amyloid-Beta) entstehen, die Gehirnzellen schädigen und zu Alzheimer führen.

Ein weiterer Baustein in der optimalen Gehirn-Diät ist die Auswahl der richtigen Fette, da zu wenig Fett ähnlich schädlich für den Geist sein kann wie zu viel. Laut Dr. Andrea Maierhofer ist ein Bestandteil der mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäure auch ein wesentlicher Baustein der Gehirnzell-Membranen. Ein Mangel kann zu einem Funktionsverlust des Gehirns führen. Vor allem Menschen, die im Alltag permanent schädlichem Stress ausgesetzt sind, haben einen gesteigerten Bedarf an Omega-3-Fettsäuren, die vor allem in fettem Seefisch wie Hering, Makrele, Lachs und Thunfisch, aber auch in Pflanzenölen wie Leinöl, Rapsöl und Omega-3-Margarine vorkommen.

Weniger bekömmlich für das Gehirn sind die ebenfalls mehrfach ungesättigten Omega-6-Fettsäuren (in Distelöl, Sonnenblumenöl, Maiskeimöl oder Palmfett), von denen der Körper relativ geringe Mengen für die Bildung von Zellwänden und Hormonen, für die Blutgerinnung und die Normalisierung des Cholesterinspiegels braucht. Omega 3 dagegen verbessert die Fließeigenschaften des Blutes, beugt dadurch Herzinfarkt und Schlaganfall vor, wirkt Entzündungen entgegen und verhütet Allergien ebenso wie bestimmte Hautkrankheiten. Das Problem besteht darin, dass Omega 6 im Übermaß in unserer Ernährung vorkommt, während sich Omega 3 darin sehr rar macht. Beide brauchen nämlich das gleiche Enzym, um umgewandelt zu werden und ihre Aufgaben im Körper erfüllen zu können. Wenn aber immer nur Omega 6 wegen seiner Überzahl im Kampf um die Enzyme gewinnt, kann Omega 3 seine Aufgaben überhaupt nicht erfüllen.

„Eine Portion Fettfisch sollte einmal pro Woche auf dem Speiseplan stehen“, heißt es deshalb in den Ernährungsempfehlungen der DGE. Dagegen sollten Verbraucher mit Streichfett geizig sein: „Mehr als 15 bis 30 Gramm Streichfett sollten es pro Tag nicht sein. Egal ob Margarine oder Butter – immer dünn aufs Brot streichen.“