Forscher der LMU, des Max-Planck-Instituts für Bildungsforschung und der Universität Oxford haben untersucht, wie sich Schlaf auf das Gedächtnis auswirkt. Sie fanden einen Zusammenhang zwischen der Atmung und der Entstehung bestimmter Gehirnaktivitätsmuster im Schlaf, die mit der Reaktivierung von Gedächtnisinhalten verbunden sind. Die Daten weisen auf mögliche Folgen einer ungesunden Atmung auf das Gedächtnis hin. Wie werden Erinnerungen im Schlaf gefestigt?

Forscher um Dr. Thomas Schreiner, Leiter der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Institut für Psychologie der LMU, hatten bereits 2021 gezeigt, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen der Entstehung bestimmter schlafbezogener Gehirnaktivitätsmuster und der Reaktivierung von Gedächtnisinhalten während des Schlafs gibt. Es war jedoch noch unklar, ob diese Rhythmen von einem zentralen Schrittmacher orchestriert werden. Deshalb analysierten die Forscher gemeinsam mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Bildungsforschung in Berlin und der Universität Oxford die Daten erneut. Ihre Ergebnisse haben die Atmung als potenziellen Schrittmacher identifiziert, was bedeutet, dass unsere Atmung beeinflusst, wie Erinnerungen im Schlaf gefestigt werden,

Wie Atmung und Schlaf zusammenhängen

Für ihre ursprüngliche Studie zeigten die Forscher 20 Studienteilnehmern im Verlauf von zwei Sitzungen 120 Bilder. Alle Bilder waren mit bestimmten Wörtern verbunden. Anschließend schliefen die Teilnehmer rund zwei Stunden im Schlaflabor. Als sie aufwachten, wurden sie zu den Assoziationen befragt, die sie gelernt hatten. Während der gesamten Lern- und Schlafphase wurde ihre Gehirnaktivität sowie ihre Atmung mittels EEG aufgezeichnet. Die Forscher fanden heraus, dass zuvor erlernte Inhalte beim Vorliegen sogenannter langsamer Oszillationen und Schlafspindeln (kurze Phasen erhöhter Gehirnaktivität) vom schlafenden Gehirn spontan reaktiviert werden. Die Präzision der Kopplung dieser schlafbezogenen Gehirnrhythmen nimmt von der Kindheit bis ins Jugendalter zu, und nimmt mit zunehmendem Alter wieder ab.

Da sich die Atemfrequenz auch mit dem Alter ändert, analysierten die Forscher die Daten anschließend in Bezug auf die aufgezeichnete Atmung, und konnten einen Zusammenhang zwischen ihnen herstellen: Die Ergebnisse zeigen, dass die Atmung und die Entstehung charakteristischer langsamer Oszillations- und Spindelmuster miteinander verbunden sind. Obwohl andere Studien bereits einen Zusammenhang zwischen Atmung und Kognition im Wachzustand festgestellt hatten, macht diese Arbeit deutlich, dass die Atmung auch für die Gedächtnisverarbeitung im Schlaf wichtig ist.

Ältere Menschen leiden häufig unter Schlafstörungen, Atemstörungen und einer nachlassenden Gedächtnisfunktion. Die Forscher wollten untersuchen, ob es Zusammenhänge zwischen diesen Phänomenen gibt und ob Interventionen – etwa der Einsatz von CPAP-Masken, die bereits zur Behandlung von Schlafapnoe eingesetzt werden – aus kognitiver Sicht sinnvoll sind.

Wie Schlaf das Gedächtnis stärkt

Obwohl bekannt ist, dass Schlaf eine entscheidende Rolle bei der Stärkung des Gedächtnisses spielt, versuchen Wissenschaftler immer noch zu entschlüsseln, wie dieser Prozess über Nacht im Gehirn abläuft. Forschungen unter der Leitung von Wissenschaftlern der UCLA Health und der Universität Tel Aviv liefern die ersten physiologischen Beweise aus dem Inneren des menschlichen Gehirns, die die vorherrschende wissenschaftliche Theorie darüber stützen, wie das Gehirn das Gedächtnis während des Schlafs festigt. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass eine gezielte Tiefenhirnstimulation während einer kritischen Zeit im Schlafzyklus offenbar die Gedächtniskonsolidierung verbessert. Neue Forschungen liefern die ersten physiologischen Beweise aus dem Inneren des menschlichen Gehirns, die die vorherrschende wissenschaftliche Theorie darüber stützen, wie das Gehirn das Gedächtnis während des Schlafs festigt. Darüber hinaus schien die Tiefenhirnstimulation während einer kritischen Zeit im Schlafzyklus die Gedächtniskonsolidierung zu verbessern.

Die in Nature Neuroscience veröffentlichte Forschung könnte neue Hinweise darauf liefern, wie die Tiefenhirnstimulation während des Schlafs eines Tages Patienten mit Gedächtnisstörungen wie der Alzheimer-Krankheit helfen könnte. Dies wurde durch ein neuartiges „Closed-Loop“-System erreicht, das elektrische Impulse in einer Gehirnregion präzise synchronisiert mit der in einer anderen Region aufgezeichneten Gehirnaktivität lieferte. Nach der vorherrschenden Theorie darüber, wie das Gehirn beim Schlafengehen neue Informationen in das Langzeitgedächtnis umwandelt, gibt es über Nacht einen Dialog zwischen dem Hippocampus – dem Gedächtniszentrum des Gehirns – und der Großhirnrinde, die mit höheren Gehirnfunktionen wie Denken und Denken verbunden ist.

Dies geschieht während einer Phase des Tiefschlafs, wenn die Gehirnwellen besonders langsam sind, und Neuronen in allen Gehirnregionen zwischen schnellem, synchronem Feuer und Stille wechseln. Dies liefert den ersten wichtigen Beweis bis auf die Ebene einzelner Neuronen dafür, dass es tatsächlich diesen Interaktionsmechanismus zwischen dem Gedächtniszentrum und dem gesamten Kortex gibt. Es hat sowohl wissenschaftlichen Wert für das Verständnis, wie das Gedächtnis beim Menschen funktioniert, als auch für die Nutzung dieses Wissens, um das Gedächtnis wirklich zu stärken. Die Forscher hatten die einmalige Gelegenheit, diese Theorie der Gedächtniskonsolidierung mithilfe von Elektroden im Gehirn von 18 Epilepsiepatienten an der UCLA Health zu testen. Die Elektroden wurden im Gehirn der Patienten implantiert, um die Ursache ihrer Anfälle während Krankenhausaufenthalten von typischerweise etwa zehn Tagen zu identifizieren.

Tiefenhirnstimulation

Die Studie wurde an zwei Abenden und Vormittagen durchgeführt. Kurz vor dem Zubettgehen wurden den Studienteilnehmern Fotopaare von Tieren und 25 Prominenten gezeigt, darunter leicht erkennbare Stars wie Marilyn Monroe und Jack Nicholson. Sie wurden sofort auf ihre Fähigkeit getestet, sich daran zu erinnern, welche Berühmtheit mit welchem ​​Tier gepaart war, und sie wurden am Morgen nach einer Nacht ungestörten Schlafs erneut getestet. An einem anderen Abend wurden ihnen vor dem Schlafengehen 25 neue Tier- und Promi-Paarungen gezeigt. Diesmal erhielten sie über Nacht eine gezielte elektrische Stimulation, und am Morgen wurde ihre Fähigkeit getestet, sich an die Paarungen zu erinnern.

Um diese elektrische Stimulation zu liefern, hatten die Forscher ein Echtzeit-System mit geschlossenem Regelkreis entwickelt, das Fried mit einem musikalischen Dirigenten verglich: Das System „hörte“ auf die elektrischen Signale des Gehirns, und wenn Patienten in die Phase des Tiefschlafs fielen, die mit der Gedächtniskonsolidierung verbunden ist, lieferte es sanfte elektrische Impulse, die die schnell feuernden Neuronen anwiesen, synchron zu „spielen.“ Jede getestete Person schnitt bei Gedächtnistests nach einer Nacht mit Elektrostimulation besser ab als nach einer Nacht mit ungestörtem Schlaf. Wichtige elektrophysiologische Marker deuteten auch darauf hin, dass Informationen zwischen dem Hippocampus und dem gesamten Kortex flossen, was einen physischen Beweis für die Gedächtniskonsolidierung lieferte. Die Forscher stellten fest, dass diese Autobahn, über die Informationen zu dauerhafteren Speicherorten im Gehirn fließen, grundsätzlich verbessert werden konnten. Die nächste Herausforderung wäre dann, ob es den Forschern gelingt, bestimmte Erinnerungen zu modulieren.