Schlafmangel zerstört still und leise Ihr Gedächtnis, und selbst das Nachholen von Schlaf kann das Problem nicht beheben.

Bildquelle: pixabay

Schon in der Römerzeit erkannte der Rhetoriker und Lehrer Quintilian den engen Zusammenhang zwischen Schlaf und Gedächtnis: „Es ist eine merkwürdige Tatsache, deren Ursache nicht offensichtlich ist, dass die Pause von einer Nacht die Stärke des Gedächtnisses erheblich steigert … Dieser Zeitraum, von dem man normalerweise annimmt, dass er Vergesslichkeit verursacht, stärkt tatsächlich unser Gedächtnis.“

Fast jeder, der schon einmal die Gehirnaktivität eines schlafenden Tieres gehört hat, wird den Schock dieses Augenblicks nie vergessen: Nach der Verstärkung durch einen Lautsprecher hören Forscher oft ein heftiges und schnelles „Knall“-Geräusch . Manche Leute würden es mit einer „Schusssalve“ oder einer „Feuerwerksexplosion“ vergleichen, während andere denken würden, es sei irgendwo eine Explosion gewesen.

Tatsächlich hörten die Forscher elektrische Signale im Gehirn, sogenannte Gehirnwellen . Im 20. Jahrhundert, vor dem Aufkommen fortschrittlicherer Bildgebungs- und Datenanalysetechnologien, wandelten Forscher verarbeitete elektrische Signale in Audiosignale um und verließen sich auf den Ton, um die Gehirnaktivität von Tieren in Echtzeit zu überwachen.

Ein Großteil dieser Überwachung erfolgt bei Ratten. Im Wachzustand sendet das Gehirn von Ratten gleichmäßige, rhythmische Vibrationen aus, während sie neue Umgebungen erkunden. Und wenn die Ratten einschliefen, wurden die schläfrigen menschlichen Forscher an diesem Ende des Geräts häufig durch Töne aus den Lautsprechern geweckt.

Obwohl die Ohren der Forscher diese Tortur nicht mehr ertragen müssen, spiegeln solche Geräusche tatsächlich direkt die Aktivitäten des Gehirns während des Schlafs wider. Diese Art von Gehirnwellen wird als „Sharp-Wave-Ripple“ bezeichnet. Es handelt sich um einen Ausbruch intensiver, hochfrequenter (oft zwischen 100 und 250 Hz) Gehirnwellen, die vom Hippocampus des Gehirns ausgesendet werden.

Scharfe Wellenkräuselungen unterschiedlicher Länge (Bildquelle: Matthew A. Wilson & Bruce L. Mcnaughton., 1994)

Scharfe Wellenkräusel

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass scharfe Wellen in zwei Situationen auftreten: Erstens, wenn Menschen oder Tiere wach, aber in einem entspannten und inaktiven Zustand sind, insbesondere wenn sie sich nach der Erledigung einer Aufgabe ruhig ausruhen , was darauf hinweist, dass das Gehirn mit der Aufgabe verbundene Erinnerungen überprüft und verarbeitet ; die andere befindet sich in der dritten Phase des Non-REM-Schlafs (NERM), in der diese Gehirnwelle eine Rolle bei der Übertragung von Erinnerungen vom Kurzzeitspeicher (Hippocampus) in den Langzeitspeicher (Großhirnrinde) spielt.

Genauer gesagt handelt es sich bei scharfen Wellen um die synchrone Entladung einer Gruppe von Neuronen im Hippocampus des Gehirns, gefolgt von der synchronen Entladung einer zweiten Gruppe von Neuronen, dann der dritten Gruppe, der vierten Gruppe ... Solche Signale breiten sich wie Wasserwellen aus und übermitteln die im Laufe des Tages vom Hippocampus erworbenen Erinnerungen an den Neokortex, wo sie als Langzeiterinnerungen verankert werden.

Ein klassisches Rattenexperiment ermöglicht es uns, intuitiv zu erkennen, wie Erinnerungen im Schlaf gebildet werden: Die Forscher setzten die Ratten in ein Labyrinth und belohnten sie mit Futter, das an bestimmten Stellen platziert war. Während die Ratten durch das Labyrinth navigierten, konnten wir sehen, wie verschiedene Neuronen im Hippocampus nacheinander feuerten, als würden sie eine Karte im Gehirn bilden. Nachdem die Ratten eingeschlafen waren, stellten die Forscher zu ihrer Überraschung fest, dass diese Neuronen im Gehirn während der Tiefschlafphase der Ratten (Teil von NERM) immer wieder in der gleichen Reihenfolge feuerten , allerdings mit einer 10- bis 20-fachen Geschwindigkeit im Vergleich zum Tag, so als würden die Erlebnisse des Tages im Gehirn mit erhöhter Geschwindigkeit wiederholt abgespielt. Diese neuronalen Aktivitäten mit „Doppelgeschwindigkeitswiederholung“ bilden scharfe Wellenkräuselungen.

Bildquelle: Global Science, Ausgabe April 2024

In der Folgezeit haben immer mehr Studien die Bedeutung scharfer Wellen bei der Gedächtnisbildung nachgewiesen. Als die Forscher die Bildung scharfer Wellenkräuselungen störten, hatten die Ratten erhebliche Schwierigkeiten, sich an ihre vorherigen Entscheidungen zu erinnern. Eine künstliche Verlängerung der Dauer scharfer Wellenbewegungen während des Schlafs verbessert die Leistung von Ratten bei derselben Gedächtnisaufgabe erheblich.

„Die bisherige Forschung zu Sharp-Wave-Ripples hat die Bedeutung von Sharp-Wave-Ripples während des Schlafs vollständig nachgewiesen, daher sind wir natürlich neugierig, wie sich Schlafmangel auf Sharp-Wave-Ripples auswirkt“, sagte Kamran Diba, Forscher im Neural Circuits and Memory Laboratory der University of Michigan.

Eine kürzlich in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Studie von Diba und seinen Mitarbeitern zeigte, dass Schlafmangel die Qualität scharfer Wellen reduziert und dadurch den Prozess der Gedächtniswiedergabe im Gehirn hemmt. Noch wichtiger ist, dass dieser Verlust nur schwer wieder ausgeglichen werden kann, selbst wenn Sie den Schlaf nachholen.

Kamran Diba (Bildnachweis: Kamran Diba)

Die „Fensterperiode“ des Gedächtnisses

Auch in diesem Experiment geht es um die Aktivitäten der Ratten im Labyrinth . Über einen Zeitraum von mehreren Wochen zeichneten Diba und seine Kollegen die Erkundung eines Labyrinths durch sieben Ratten und die Aktivität in ihren Hippocampi auf. Nachdem sie durch das Labyrinth gekämpft hatten, konnten einige der Ratten bis zu neun Stunden auf natürliche Weise schlafen.

Außerdem störte das Team, wie alle bösen Forscher, den Schlaf anderer Ratten „leicht“, indem es ihre Schlafzeit um fünf Stunden verkürzte und Veränderungen der scharfen Wellenbewegungen in ihren Gehirnen überwachte.

„Zu unserer Überraschung war die Häufigkeit scharfer Wellen während des Schlafentzugs sogar höher als im Tiefschlaf“, sagte Diba. Mäuse, die wiederholt geweckt wurden, zeigten ähnliche oder sogar häufigere scharfe Wellenbewegungen als Mäuse, die normal schliefen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass ihr Gedächtnis stärker geworden ist.

Bildquelle: pixabay

Tatsächlich stellte das Team fest, dass die Intensität der neuronalen Aktivität bei schlaflosen Ratten nachließ, was dazu führte, dass die scharfen Wellen weniger intensiv und chaotischer wurden. Am wichtigsten ist, dass die Neuronen dieser Ratten ihre Aktivierungsmuster am Tag weniger häufig wiederholten . Mit anderen Worten: Schlafmangel beeinträchtigt die Qualität scharfer Wellenbewegungen, und die Qualität ist der Schlüssel zur Umwandlung von im Hippocampus gespeicherten Kurzzeiterinnerungen in Langzeiterinnerungen.

Die Forscher stellten außerdem fest, dass selbst das Nachholen von Schlaf nach Schlafmangel den Gedächtnisverlust nicht ausgleichen konnte. Nachdem die Forscher der Gruppe mit Schlafentzug zwei Tage lang erlaubt hatten, wieder normal zu schlafen, beobachteten sie, dass sich die Qualität der scharfen Wellen wiederhergestellt hatte, es jedoch schwierig war, die Qualität der Ratten zu erreichen, die normal geschlafen hatten .

Es scheint, dass nach dem Verpassen der „Fensterperiode“ für die Gedächtnisbildung aufgrund von Schlafmangel das Ausgleichen durch Schlaf den Gedächtnisverlust während dieser Zeit nicht beheben kann und auch nicht sofort die Fähigkeit zur Umwandlung des Kurzzeitgedächtnisses in ein Langzeitgedächtnis wiederherstellen kann. „Dies ist bemerkenswert, denn obwohl die meisten Marker für Gesundheit und Funktion des Gehirns, einschließlich der Proteinsignalisierung und der Gentranskription, nach ausreichend Schlaf wieder auf ein normales Niveau zurückkehren, wird das durch Schlafentzug beeinträchtigte Gedächtnis im Allgemeinen nicht wiederhergestellt“, schreiben die Forscher in ihrem Artikel.

Komplexe Effekte

Während unser Verständnis scharfer Wellen immer tiefer wird, erkennen Wissenschaftler allmählich, dass diese tatsächlich eine sehr komplexe Rolle im Prozess der Gedächtnisbildung spielen. Eine im März in Science veröffentlichte Studie verglich die Häufigkeit scharfer Wellenbewegungen bei Ratten, nachdem sie eine Aufgabe ausgeführt oder ein Ereignis erlebt hatten, und während des Schlafs. Es zeigte sich, dass die scharfen Wellen, die im Wachzustand häufiger auftraten, auch im Schlaf häufiger wiederkehrten. Dies lässt darauf schließen, dass scharfe Wellenkräuselungen wie Etiketten wirken, die unsere Tageserlebnisse filtern und entscheiden, welche davon in unser Langzeitgedächtnis gelangen.

„Dieser Befund steht im Einklang mit unseren Schlussfolgerungen“, sagte Diba, „und auch mit einer anderen Studie, die wir im Mai in Nature veröffentlicht haben.“ In dieser Studie stellte das Forschungsteam fest, dass scharfe Wellen nicht nur Informationen vom Tag wiedergeben, sondern auch die Aktivitäten des nächsten Tages „vorhersagen“. „Deshalb kann Schlafmangel auch die Fähigkeit des Gehirns beeinträchtigen, optimal auf zukünftige Erlebnisse zu reagieren“, sagte Diba.

Abschließend geben die Forscher noch einige Tipps zum Thema Gedächtnis:

F: Ist es also immer noch sinnvoll, vor einer Prüfung lange aufzubleiben, um zu lernen ?

A: Es kann auch hilfreich sein, wenn Sie in letzter Minute büffeln und nach der Wiederholung noch etwas schlafen. Angreifbar waren jedoch die Informationen, die man früher am Tag erfahren hatte. (Wenn der Schlafdruck zunimmt) wird die Fähigkeit des Gehirns, diese Informationen zu puffern und zu behalten, bis Sie einschlafen, zunehmend eingeschränkt.

Verweise

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07538-2

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07397-x

[3]https://www.nature.com/articles/d41586-024-01732-y

[4]https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8261

[5]https://www.nature.com/articles/nn.2384

[6]https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(02)01096-6

[7]https://www.science.org/doi/10.1126/science.8036517

[8]https://www.quantamagazine.org/in-brains-electrical-ripples-markers-for-memories-appear-20190806/

[9]https://news.rice.edu/news/2024/brain-rest-neurons-rehearse-future-experience

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (ID: huanqiukexue)

Autor: Erqi

Herausgeber: He Tong

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin

Das Titelbild und die Bilder in diesem Artikel stammen aus der Copyright-Bibliothek

Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen