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Gehirn räumt im Schlaf auf

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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

Gleich klappt’s – gleich klappt’s nicht

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Verfahren ermöglicht anhand von Gehirnsignalen eine Prognose, ob Menschen eine Bewegung präzise ausführen werden

Ob eine Türe aufschließen oder nach einem Gegenstand greifen: Selbst einfache, oft ausgeübte Bewegungsaufgaben lösen Menschen nicht immer gleich gut – mal sind sie schneller, mal langsamer, mal genauer, mal weniger präzise. Ein Teil dieser von Forscherinnen und Forschern als Leistungsvariabilität bezeichneten Schwankungen ist auf Unterschiede in der Gehirnaktivität zurückzuführen. Eine fächerübergreifende Nachwuchsforschungsgruppe des Exzellenzclusters BrainLinks-BrainTools der Universität Freiburg um den Informatiker Dr. Michael Tangermann hat einen selbstlernenden Algorithmus entwickelt, der es erlaubt, kurz vor der Ausführung einer motorischen Aufgabe deren Präzision vorherzusagen. Das Verfahren könnte zukünftig eingesetzt werden, um sportwissenschaftliche Trainingsmethoden sowie die Rehabilitation von Patientinnen und Patienten nach einem Schlaganfall zu verbessern. Die Studie ist im Fachjournal „Frontiers in Human Neuroscience“ erschienen.

Mithilfe der Elektroenzephalografie (EEG) wurden im Gehirn bereits vor Jahrzehnten Aktivitätsmuster entdeckt, die einer motorischen Handlung vorausgehen. Die Studie aus Freiburg basiert ebenfalls auf der Auswertung von EEG-Signalen. Die Forschenden untersuchten dazu 20 gesunde Probandinnen und Probanden im Durchschnittsalter von 53 Jahren. Diese versuchten, durch wiederholtes Drücken eines Kraftsensors einem vorgegebenen Pfad auf dem Computerbildschirm zu folgen. Vor und während der Übungen wurde ihre Gehirnaktivität aufgezeichnet. Ein Algorithmus lernte, innerhalb der komplexen Gehirnsignale wichtige Merkmale zu erkennen, mit deren Hilfe vorhersagbar ist, wie gut der Proband die motorische Übung bewältigen wird. Solche Verfahren des maschinellen Lernens werden oft im Zusammenhang mit hochdimensionalen Daten und großen Datenmengen verwendet, etwa zur Verbesserung von Suchmaschinen. Basierend auf vielen Einzelbeispielen lernt der Algorithmus eine Vorschrift, die es ihm erlaubt, auch zukünftige, unbekannte Datensätze zu entschlüsseln.

Im nächsten Schritt wollen die Forscher beleuchten, inwieweit sich derartige Vorhersagemodelle praktisch nutzen lassen. Für die motorische Rehabilitation von Schlaganfallpatienten könnte es etwa hilfreich sein, den Start einer Bewegungsaufgabe kurzzeitig zu verzögern, bis ein geeigneter Hirnzustand vorliegt. Diesen Trainingseffekt will das Team gemeinsam mit Forschern des Universitätsklinikums Freiburg in einer Studie untersuchen.

Originalveröffentlichung:
Meinel, A./Castaño-Candamil, S./Reis, J./Tangermann, M. (2016): Pre-Trial EEG-Based Single-Trial Motor Performance Prediction to Enhance Neuroergonomics for a Hand Force Task. In: Frontiers in Neuroscience.
DOI: 10.3389/fnhum.2016.00170
URL: http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fnhum.2016.00170/full

Fitness für die „Grauen Zellen“ im Urlaub

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Auch im Urlaub geistig fit bleiben

Schlaf stärkt das Gedächtnis. Wer jede Nacht acht Stunden schläft, kann besser denken. Foto: obx-medizindirekt

Schlaf stärkt das Gedächtnis. Wer jede Nacht acht Stunden schläft, kann besser denken. Foto: obx-medizindirekt

Regensburg (obx-medizindirekt) – Urlaub ist wichtig für den Körper. Für den Kopf kann wochenlanges totales Ausspannen allerdings gelegentlich unerwünschte Folgen haben. Nach dem Urlaub kann man sich oft viel schlechter konzentrieren als gewohnt. Namen, Adressen und Telefonnummern fallen einem plötzlich nicht mehr ein. Doch gegen diese „urlaubsbedingten“ Gedächtnislücken kann man etwas tun.

Training bringt die grauen Zellen wieder in Schwung! Unser Gehirn braucht viel Sauerstoff. Der Gewichtsanteil des Gehirns am Körpergewicht beträgt lediglich zwei Prozent, aber es verbraucht 40 Prozent unseres eingeatmeten Sauerstoffs. Gehen Sie deshalb in Lernpausen an die frische Luft zum tief Durchatmen oder treiben Sie Freizeitsport.

Unser Gehirn braucht Flüssigkeit

Es besteht zu 70 Prozent aus Wasser, kann also nur im feuchten Milieu aktiv sein. Trinken Sie über den Tag verteilt, wenn Sie viel denken müssen, drei Liter Mineralwasser. Wer zu wenig trinkt, wird denkfaul, kann sich nicht konzentrieren. Ein ideales Getränk ist Apfel-Schorle: Apfelsaft und Mineralwasser jeweils zu gleichen Teilen gemischt.

Unser Gehirn braucht spezielle Nahrung

Man kann sich klug essen! Spurenelemente wie Zink, Kupfer und Phosphor sind solche Gehirnnahrung. Diese Substanzen sind unter anderem in Möhren, Avocados, Rosinen, Datteln, Feigen und Haferflocken enthalten.

Damit der eingeatmete Sauerstoff auch möglichst lange im Gehirn bleibt, sollten Sie Grün essen: Salat, Spinat, Kräuter. Der grüne Farbstoff Chlorophyll hält den Sauerstoff länger im Gehirn und sorgt dafür, dass er besser verwertet werden kann. Essen Sie zwischendurch auch Tomaten. Sie enthalten die Substanz 5-Hydroxy-Tryptamin, einen Botenstoff, der dem Gehirn hilft, zu entspannen.

Unser Gehirn braucht genügend Schlaf

Schlaf stärkt das Gedächtnis. Wer jede Nacht acht Stunden schläft, kann besser denken.

Auch ständiges Geistestraining hält die „Grauen Zellen“ fit:
– Gehen Sie ohne geschriebenen Merkzettel zum Einkaufen und vergleichen Sie dann zuhause, ob sie etwas  vergessen haben.
– Weichen Sie neuen geistigen Herausforderungen – etwa dem Umgang mit einem Computer oder Tablet – nicht aus.
– Lernen Sie Fremdsprachen oder gelegentlich mal ein Gedicht auswendig.
– Spielen Sie öfter mal Schach oder ein anderes Brettspiel, das zum Denken zwingt.
– Rechnen Sie wieder mehr im Kopf. Verwenden Sie nicht unentwegt den elektronischen Taschenrechner.
– Pflegen Sie regen Kontakt zu anderen Menschen.

Es gibt auch einen sehr wirksamen Akupressur-Griff aus der Chinesischen Medizin. Suchen Sie mit dem Zeigefinger der rechten Hand den Punkt LG 20. Er liegt an der höchsten Stelle am Kopf in der Mitte der Schädeldecke. Hier setzen Sie nun der Zeigefinger der rechten Hand an und massieren mit Druck in kreisenden Bewegungen jeweils 30 Sekunden, machen 10 Sekunden Pause und wiederholen die Übung mehrmals.

Oder nützen Sie die „Denkmütze“, eine Fingerübung aus der amerikanischen Kinesiologie, die der Arzt Dr. George Goodhaert entwickelt hat. Massieren Sie mit Daumen und Zeigefinger an beiden Händen die Ränder der Ohren, von oben nach unten. Wiederholen Sie die Übung mehrmals. Ihr Gehirn dankt es ihnen mit Höchstleistung.