Obwohl bekannt ist, dass Schlaf die kognitive Leistungsfähigkeit verbessert, sind die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen, insbesondere im Zusammenhang mit dem Non-REM-Schlaf, noch weitgehend unerforscht. Eine neue Studie eines Forscherteams der Rice University und des Houston Methodist’s Center for Neural Systems Restoration und des Weill Cornell Medical College, koordiniert von Valentin Dragoi von der Rice University, hat dennoch einen Schlüsselmechanismus aufgedeckt, durch den Schlaf die neuronale und verhaltensbezogene Leistung verbessert und möglicherweise unser grundlegendes Verständnis dafür verändert, wie Schlaf die Gehirnleistung optimiert.

Die in „Science“ veröffentlichte Studie zeigt, wie NREM-Schlaf – der leichtere Schlaf, den man zum Beispiel bei einem Nickerchen erlebt – die Gehirnsynchronisation fördert und die Informationskodierung verbessert, und wirft ein neues Licht auf diese Schlafphase. Die Forscher wiederholten diese Effekte durch invasive Stimulation, was vielversprechende Möglichkeiten für zukünftige Neuromodulationstherapien beim Menschen aufzeigt. Die Auswirkungen dieser Entdeckung ebnen möglicherweise den Weg für innovative Behandlungen von Schlafstörungen und sogar für Methoden zur Verbesserung der kognitiven und verhaltensbezogenen Leistung.

Wie Schlaf die Leistungsfähigkeit steigert

Die Untersuchung umfasste eine Untersuchung der neuronalen Aktivität in mehreren Hirnarealen bei der Affenart Makaken, während die Tiere vor und nach einer 30-minütigen NREM-Schlafphase eine visuelle Unterscheidungsaufgabe durchführten. Mithilfe von Multielektroden-Arrays zeichneten die Forscher die Aktivität von Tausenden von Neuronen in drei Hirnarealen auf: dem primären und dem mittleren visuellen Kortex sowie dem dorsolateralen präfrontalen Kortex, die mit der visuellen Verarbeitung und den exekutiven Funktionen in Verbindung gebracht werden. Um zu bestätigen, dass sich die Makaken im NREM-Schlaf befanden, überwachten die Forscher mithilfe der Polysomnographie ihre Gehirn- und Muskelaktivität und stellten mithilfe einer Videoanalyse sicher, dass ihre Augen geschlossen und ihre Körper entspannt waren. Die Ergebnisse zeigten, dass der Schlaf die Leistung der Tiere bei der visuellen Aufgabe verbesserte, indem sie gedrehte Bilder genauer unterscheiden konnten. Wichtig ist, dass diese Verbesserung nur bei denjenigen auftrat, die tatsächlich eingeschlafen waren – die Makaken, die in ruhigem Wachzustand waren, ohne einzuschlafen, zeigten nicht die gleiche Leistungssteigerung.

„Während des Schlafs beobachteten wir eine Zunahme der niederfrequenten Delta-Wellen-Aktivität und eine synchronisierte Entladung zwischen Neuronen in verschiedenen kortikalen Regionen“, sagte die Erstautorin Dr. Natasha Kharas, eine ehemalige Forscherin in Dragois Labor und derzeit in der neurologischen Chirurgie am Weill Cornell tätig. Nach dem Schlaf wurde die neuronale Aktivität jedoch im Vergleich zum Schlaf desynchronisiert, sodass die Neuronen unabhängiger feuern konnten. Diese Verschiebung führte zu einer verbesserten Genauigkeit bei der Informationsverarbeitung und Leistung bei den visuellen Aufgaben.

Die Forscher simulierten auch die neuronalen Auswirkungen des Schlafs durch niederfrequente elektrische Stimulation des visuellen Kortex. Sie führten eine 4-Hz-Stimulation durch, um die Delta-Frequenz nachzuahmen, die während des NREM-Schlafs beobachtet wurde, während die Tiere wach waren. Diese künstliche Stimulation reproduzierte den Desynchronisationseffekt, der nach dem Schlaf beobachtet wurde, und verbesserte in ähnlicher Weise die Aufgabenleistung der Tiere, was darauf hindeutet, dass spezifische Muster der elektrischen Stimulation möglicherweise genutzt werden könnten, um die kognitiven Vorteile des Schlafs nachzuahmen.

Entwicklung therapeutischer Hirnstimulationstechniken zur Verbesserung der kognitiven Funktion und des Gedächtnisses

Laut Dragoi, Mitautor der Studie, Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Rice University, Inhaber des Rosemary and Daniel J. Harrison III Presidential Distinguished Chair in Neuroprothetik am Houston Methodist und Professor für Neurowissenschaften an der Weill Cornell University, ist diese Erkenntnis von Bedeutung, da sie darauf hinweist, dass einige der erholsamen und leistungssteigernden Effekte des Schlafs auch ohne tatsächlichen Schlaf erzielt werden könnten. Die Fähigkeit, schlafähnliche neuronale Desynchronisation im Wachzustand zu reproduzieren, eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der kognitiven und Wahrnehmungsleistung in Situationen, in denen Schlaf nicht möglich ist – wie bei Personen mit Schlafstörungen oder unter erschwerenden Umständen wie der Weltraumforschung.

Die Forscher untersuchten ihre Ergebnisse weiter, indem sie ein großes neuronales Netzwerkmodell aufbauten. Sie stellten fest, dass während des Schlafs sowohl die erregenden als auch die hemmenden Verbindungen im Gehirn schwächer werden, dies jedoch asymmetrisch, sodass die hemmenden Verbindungen schwächer werden als die erregenden, was zu einer Zunahme der Erregung führt. Sie haben eine überraschende Lösung entdeckt, die das Gehirn nach dem Schlaf anwendet, wobei die an der Aufgabe beteiligten neuronalen Populationen nach dem Schlaf ihren Synchronisationsgrad verringern, obwohl sie während des Schlafs selbst synchronisierende Impulse erhalten.

Die Idee, dass NREM-Schlaf das Gehirn auf diese Weise effektiv ‚ankurbelt‘ und dass dieses Zurücksetzen künstlich nachgeahmt werden kann, bietet Potenzial für die Entwicklung therapeutischer Hirnstimulationstechniken zur Verbesserung der kognitiven Funktion und des Gedächtnisses. „Diese Studie vertieft nicht nur unser mechanistisches Verständnis der Rolle des Schlafs für die kognitive Funktion, sondern betritt auch Neuland, indem sie zeigt, dass bestimmte Muster der Hirnstimulation einige Vorteile des Schlafs ersetzen könnten, was auf eine Zukunft hindeutet, in der wir die Gehirnfunktion unabhängig vom Schlaf selbst steigern könnten“, so Dragoi.