Schlaf im Gehirn: Neue Studie entdeckt hyperlokale Nickerchen

Schlaf zeigt sich im Gehirn offenbar als langsame Wellen, die etwa einmal pro Zehntelsekunde über seine Oberfläche laufen – zumindest war das bislang die Annahme.

Eine neue Studie mit Mäusen deutet darauf hin, dass wir schlafbezogene Muster der Hirnaktivität übersehen haben. Diese spiegeln den Zustand einzelner Gehirnzellen wider, nicht die gemeinsame Aktivität von Millionen oder Milliarden Neuronen.

Bei der Messung dieser hyperlokalen, weniger als einen Millimeter umfassenden Gehirnsignale mit Einzeldrahtelektroden stellten Forschende zudem fest, dass einzelne Bereiche des Säugetiergehirns offenbar kurz einnicken können, während andere Regionen vollständig wach bleiben.

„Als Wissenschaftler hat es uns überrascht festzustellen, dass verschiedene Bereiche unseres Gehirns tatsächlich kleine Nickerchen machen, während der Rest des Gehirns wach ist“, sagt David Haussler, Bioinformatiker an der University of California (UC) Santa Cruz.

Schlaf und Wachheit im Gehirn neu gemessen

Seit ungefähr einem Jahrhundert dienen hirnweite Muster elektrischer Aktivität dazu, den Unterschied zwischen Schlafen und Wachsein quantitativ zu bestimmen. Meist werden diese Gehirnwellen mittels Elektroenzephalogramm (EEG) erfasst, mit Elektroden, die auf der Kopfhaut angebracht werden.

„Mit leistungsstarken Werkzeugen und neuen computergestützten Methoden lässt sich enorm viel gewinnen, wenn wir unsere grundlegendsten Annahmen hinterfragen“, sagt Keith Hengen, Neurowissenschaftler an der Washington University in St. Louis und leitender Autor der Studie.

„Je grundlegender wir verstehen, was Schlaf und Wachsein sind, desto besser können wir relevante klinische und krankheitsbezogene Probleme angehen.“

Hengen und sein Team hinterfragten, wie Schlaf gemessen und von Wachheit abgegrenzt wird. Schließlich überschneiden sich beide Zustände offensichtlich im Gehirn von Tieren, die während des Schlafs aufmerksam bleiben können – eine Fähigkeit, die als unihemisphärischer Slow-Wave-Schlaf bekannt ist.

In den 1960er-Jahren vermuteten Forschende zunächst und wiesen später nach, dass Delfine und andere Wale eine Gehirnhälfte ruhen lassen können, während sie aktiv bleiben. Dabei halten sie mitunter ein Auge offen, um nach Fressfeinden Ausschau zu halten und den Kontakt zu anderen Mitgliedern ihrer Gruppe zu bewahren.

Auch Robben und Vögel zeigen Varianten dieses teils schlafenden, teils wachen Ruhezustands – ein kluger Kompromiss zwischen Schlaf und Überleben.

Unihemisphärischer Schlaf bei Tieren und Menschen

Auch Menschen können zeitweise asymmetrische Schlafmuster zeigen, die an jene bei Tieren erinnern, jedoch nicht mit ihnen identisch sind.

2016 fanden Forschende der Brown University in den USA heraus, dass in der ersten Nacht an einem unbekannten Schlafort die linke Gehirnhälfte auf ungewöhnliche Geräusche wachsamer reagierte als die rechte. Sobald wir uns an eine Schlafumgebung gewöhnt haben, lässt dieser Unterschied nach.

„Wie sich herausstellt, verfügt das menschliche Gehirn über eine weniger ausgeprägte Form des unihemisphärischen Schlafs, wie er bei Vögeln und einigen Säugetieren vorkommt“, schrieb der Neurowissenschaftler Christof Koch in Scientific American, als diese Ergebnisse veröffentlicht wurden.

Wenn das Mausgehirn ein verlässlicher Hinweis ist, könnte die verschwimmende Grenze zwischen Wach- und Schlafzuständen beim Menschen letztlich ein neurologisches Merkmal sein, das wir mit anderen Tieren teilen.

Haussler und das Team sammelten über Wochen Daten von neun Mäusen. Den Tieren waren dünne Drahtelektroden in 10 verschiedene Hirnregionen implantiert worden. Anschließend speisten die Forschenden die Daten in ein künstliches neuronales Netzwerk ein, das lernte, zwischen Schlaf- und Wachzuständen zu unterscheiden.

Die Aufzeichnungen stammten aus 100 Mikrometern – einem Zehntelmillimeter – Gehirngewebe. Anhand kurzer „Flacker“-Ereignisse in der Aktivität von Gehirnzellen, die lediglich 10 bis 100 Millisekunden andauerten, konnte der Algorithmus Schlaf-Wach-Zyklen zuverlässig erkennen.

Diese „hyperlokalen“ Signale legten nahe, dass Teile des Gehirns der Tiere einschliefen, während andere Regionen aktiv und wach blieben. Zufällig bemerkten die Forschenden, dass dies genau dann geschah, wenn die Maus sich möglicherweise für den Bruchteil einer Sekunde nicht bewegte – fast so, als wäre sie kurz „weggetreten“.

„Wir konnten die einzelnen Zeitpunkte betrachten, zu denen diese Neuronen feuerten, und es war ziemlich eindeutig, dass [die Neuronen] in einen anderen Zustand übergingen“, erklärt Aiden Schneider, Computerbiologe an der Washington University in St. Louis, der die Studie gemeinsam mit David Parks leitete, einem Doktoranden der Informatik an der UC Santa Cruz.

„In manchen Fällen könnten diese Flacker-Ereignisse auf den Bereich einer einzelnen Gehirnregion begrenzt sein, vielleicht sogar auf einen noch kleineren Bereich.“

Das Team geht davon aus, dass seine neue Methode zur Messung von Schlaf-Wach-Zuständen neue Erkenntnisse darüber liefern könnte, wie wir schlafen – sofern sich diese „Flacker“-Ereignisse auch von anderen Forschungsgruppen beobachten lassen.

„Sie [die Flacker-Ereignisse] brechen die Regeln, die man auf Grundlage von hundert Jahren Fachliteratur erwarten würde“, sagt Hengen.

Die Studie wurde in Nature Neuroscience veröffentlicht.