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Licht im Oberstübchen

Im schlafenden Gehirn fließen elektrische Ströme, Nervenzellen knüpfen untereinander gezielt Verbindungen. So speichert der Mensch erlerntes Wissen und kann sich an Erlebtes erinnern.
aus SPIEGEL Wissen 4/2009

Es ist kein gemütliches Lager, das Doktor Maquet anzubieten hat. Die Pritsche ist so schmal, dass man sich nicht umdrehen kann; der Kopf liegt wie festgezurrt auf einem Kissen; die ganze Nacht ertönt ein lautes Dröhnen.

Kann in der engen Röhre eines lärmenden Kernspintomografen überhaupt jemand ein Auge zutun? Insgesamt 25 junge Frauen und Männer sind der Einladung Maquets gefolgt und haben es ausprobiert - und immerhin 14 von ihnen sind tatsächlich eingeschlafen.

Noch erstaunlicher jedoch ist, was es dann zu sehen gab. Just in dem Moment, in dem die Probanden in einen besonders festen Schlaf sanken, meist kurz nach Mitternacht, spielten sich in ihren Gehirnen geheimnisvolle Dinge ab. Der Kernspintomograf erfasste diese physiologischen Vorgänge und stellte sie auf einem Monitor als bunte Signale dar: In der Hirnrinde der schnaufenden und schnarchenden Probanden waren Nervenzellen aktiv.

Von wegen Tiefschlaf!

»Wir haben das Gehirn unterschätzt«, sagt Pierre Maquet, 47, ein Neurologe, der die einzigartige Studie am Centre de Recherches du Cyclotron der Universität Lüttich 2008 veröffentlicht hat. »Selbst im Tiefschlaf sind wichtige Areale unseres Denkorgans hellwach.«

Dabei hatten Forscher lange gedacht, zumindest in dieser Phase - sie beginnt meist direkt nach dem Einschlafen - würde sich das Gehirn endlich mal eine Pause gönnen und die funktionellen Prozesse auf das zum Überleben notwendige Mindestmaß herunterregulieren. Doch schon vor dem Befund aus Lüttich begann das Umdenken: Im Oberstübchen brennt allzeit ein Licht.

Besonders kräftig leuchtet es während des sogenannten REM-Schlafs, jener Phase, die zumeist nach dem Tiefschlaf beginnt und in den Morgen hinein dominiert. Der Schlummernde mag zwar still in den Kissen liegen, hinter den geschlossenen Lidern bewegt er jedoch die Augen heftig hin und her. »Rapid Eye Movement Sleep« sagen die Forscher, was zur Bezeichnung REM-Schlaf geführt hat. In dieser besonders unruhigen Phase träumt das Gehirn intensiv und ist äußerst aktiv - es verbraucht ungefähr so viel Energie wie im Wachzustand.

Im Tiefschlaf dagegen sinkt der Verbrauch zwar um die Hälfte, die verbleibende Energie wird jedoch, wie die Hirnscans aus Lüttich offenbaren, besonders wirkungsvoll eingesetzt. Da fließen ganz gezielt elektrische Ströme; in bestimmten Arealen werden Gene aktiviert und Proteine hergestellt; Nervenzellen knüpfen untereinander ganz gezielt Verbindungen, sogenannte Synapsen.

Diese physiologischen Abläufe im schlafenden Gehirn, das legen immer mehr Befunde nahe, sind die Grundlage für sein einzigartiges Erinnerungsvermögen. Einerseits erlauben sie es dem schlafenden Gehirn, die unzähligen Eindrücke des Tages noch einmal aufzurufen und dauerhaft im Gedächtnis zu speichern. Andererseits sind die nächtlichen Umbauarbeiten im Nervenzellgewebe offenbar notwendig, um es zu entrümpeln und aufnahmefähig zu machen für den nächsten Tag.

Schlafen und Erinnern sind eng verwoben - das hat, noch ohne Kernspintomografie und Elektroenzephalografie, der deutsche Psychologe Hermann Ebbinghaus (1850 bis 1909) als einer der Ersten nachgewiesen. Er fügte Buchstaben zu Silben, die keinen Sinn ergaben, setzte sich hin, lernte das Silbenmaterial auswendig und testete, wie viel er davon behalten konnte. Von den Selbstversuchen versprach sich Ebbinghaus Aufschlüsse darüber, welchen Regeln das menschliche Gedächtnis gehorcht. In seinen Ergebnissen sah man: Wenn er nach dem Büffeln erst mal schlief, dann prägte er sich die sinnlosen Silben deutlich besser ein.

Später untersuchte die Psychologin Rosa Katz (1885 bis 1976), wie der Schlaf das Gedächtnis beeinflusst, und verfasste eine Dissertation. Die Frau fand bestätigt: Wenn man nach dem Lernen schläft, dann bleibt einfach mehr hängen. Katz vermutete: Wenn man sich nach dem Lernen wach hält, dann wird der Vorgang des Erinnerns im Nachhinein gestört. »Über Wiedererkennen und rückwirkende Hemmung« stand am Ende über ihrer Doktorarbeit.

Diese Erkenntnis von Rosa Katz, die aufgrund ihres jüdischen Glaubens vor den Nazis aus Deutschland flüchten musste und nach Schweden ging, haben spätere Gelehrte immer weiter vorangetrieben, so dass heute kaum mehr Zweifel besteht: Schlaf ist auch dazu da, das Gelernte auch zu behalten.

Zug um Zug haben vergleichende Experimente den Schlaf als Schlaumacher bestätigt. Studenten, die ausgeschlafen sind, behalten mehr als Kommilitonen, die künstlich wach gehalten werden.

Das Lernen im Schlaf geschieht offenbar in unterschiedlichen Schritten. Zunächst einmal legt der Mensch Erlebnisse des Tages in einem Zwischenspeicher ab. Diese frischen Eindrücke ruft er nun im Schlaf ab, prüft ihren Wert und überschreibt sie gegebenenfalls in das Langzeitgedächtnis. »Konsolidierung« nennen die Forscher dieses dauerhafte Abspeichern.

Doch auf welchen neuronalen Vorgängen beruht das Lernen im Schlaf? Was geschieht da im Gehirn?

Genau diese Fragen sind es, die nun die Gedächtnisforscher beschäftigen, und das Cyclotron in Lüttich zählt zu den führenden Zentren. In dem mit Hightech vollgestopften Institut ist es Pierre Maquet und seinen Mitarbeitern auch gelungen, dem Gehirn gleichsam zuzuschauen, wenn es frische Eindrücke im Schlaf abruft und diese Episoden erneut abspielt.

Für die Studie nahmen männliche Testpersonen an einem Computerspiel teil und lernten, wie sie am besten durch eine virtuelle Stadt navigieren - was mit neuronalen Aktivitäten in einem bestimmten Hirnareal einherging: im sogenannten Hippocampus.

Am Abend nach dem Agieren am Computer durften sich die Testpersonen hinlegen. Und ausgerechnet als sie in den Tiefschlaf sanken, spielten sich vergleichbare Aktivitätsmuster im Hippocampus ab - die Gehirne wiederholten das Computerspiel. Und mehr noch: Je stärker die Signale im Hippocampus eines bestimmten Schläfers waren, desto besser schnitt der am nächsten Morgen ab, als er nochmals im Navigieren durch die virtuelle Stadt getestet wurde.

Der Befund passt zu dem, was man über den Hippocampus weiß. »Er ist sehr plastisch und kann sehr leicht Informationen aufnehmen«, sagt der Psychologe Steffen Gais von der Ludwig-Maximilians-Universität München. »Der Preis ist allerdings: Die Information wird sehr leicht von neuen Eindrücken überschrieben.«

Aus diesem Grund muss die Gedächtnisbildung offenbar in verschiedenen Schritten ablaufen: Die zwischengelagerten Informationen werden aus dem Hippocampus in eine andere Hirnregion übertragen, und zwar in den Neocortex. »Alles, was wir über die Welt wissen, ist in diesem großen Netzwerk gespeichert«, erläutert Gais, 36. »Es darf nicht überschrieben werden, deshalb ist der Neocortex nicht so plastisch.«

Gais selbst war es, der diesen Transfer vom Hippocampus in den Neocortex mittels Hirnscans sichtbar machen konnte. In der Studie versuchten Probanden, insgesamt 90 Wortpaare zu lernen; danach durften sie ungestört zu Bett gehen. Die Mitglieder einer Vergleichsgruppe übten die gleichen Wortpaare, wurden dann aber volle 24 Stunden lang vom Schlafen abgehalten.

Das Ergebnis: Die zusätzliche Mütze Schlaf hinterließ Spuren in den Gehirnen der Probanden in der Schlafgruppe. Eine der Spuren wurde sichtbar, als die Probanden zwei Tage später getestet wurden und ihre Gehirne unterdessen per Kernspin untersucht worden waren: Die Schläfer hatten heftigere Signale im Hippocampus als die übernächtigten Testpersonen.

Volle sechs Monate später wurden sämtliche Probanden ohne Vorankündigung abermals getestet und gleichzeitig per Kernspin untersucht - und tatsächlich entdeckten Gais und seine Kollegen eine weitere Spur: In den Gehirnen jener Testpersonen, die damals nach dem Pauken hatten schlafen dürfen, gab es auch jetzt noch, nach einem halben Jahr, auffällig starke Aktivitäten - und faszinierenderweise lagen sie vor allem im präfrontalen Cortex, der für das dauerhafte Erinnern eine Rolle spielt.

Die Hirnscans haben damit offenbart: Im Laufe der Monate war der Gedächtnisinhalt für die 90 Wortpaare vom Hippocampus tatsächlich in den Neocortex gewandert. Um einen solchen Transfer hinzubekommen, so scheint es, braucht das Gehirn die Abgeschiedenheit des Schlafs. Würden die frischen Gedächtnisinhalte aus dem Hippocampus plötzlich im Wachzustand aufgerufen, abgespielt und bearbeitet, dann litte der Mensch unter Wahnvorstellungen: Er sähe die Welt draußen und die Welt in sich zur gleichen Zeit - und könnte nicht unterscheiden, wo er sich befindet.

Doch seltsam: Wenn das Gehirn die Eindrücke im Schlaf wie einen Film abspielt, warum durchlebt der Mensch diese Erinnerung zwar im Geiste, nicht aber mit seinem Körper? Die Antwort: Beim Aufrufen und Abspeichern des Erlebten werden bestimmte Nervenzellen im Hirnstamm gezielt gehemmt. Aus diesem Grund liegt der Körper schlafend da und zuckt nicht mal mit dem Fuß, wenn er gerade eine Erinnerung ans Torwandschießen verarbeitet.

Bei Tieren konnten Wissenschaftler diese natürliche Blockade mit Medikamenten aufheben, erzählt Gais: »Katzen haben imaginäre Mäuse gefangen.«

Das Verankern der Gedächtnisinhalte, die Konsolidierung, kann sogar verbessert werden, indem man mit biochemischen Tricks in den Vorgang eingreift. Das haben der Psychologe Jan Born, 51, und seine Mitarbeiter an der Universität Lübeck in grundlegenden Arbeiten zeigen können. Einmal ließen sie Probanden eine elektronische Version des Memory-Spiels spielen: Es galt, sich die Lage von 15 Kartenpaaren mit bestimmten Bildmotiven zu merken. Den Testpersonen gaben die Forscher unterdessen Rosenduft zu schnuppern.

Nach dem Memory-Training gingen die Probanden zu Bett. Kaum waren sie in den Tiefschlaf gesunken - die Forscher erkannten dies anhand der Hirnströme -, wurden einige von ihnen abermals mit dem Rosenduft eingehüllt und per Kernspin beobachtet. Dabei schliefen sie wie die Murmeltiere.

Am Morgen darauf versuchten die Probanden, sich die Lage der Bildkarten ins Gedächtnis zu rufen. Das Ergebnis: Der Rosenduft stimulierte den Hippocampus jener Testpersonen, denen man die Essenz jeweils vor und während des Schlafs zugefächert hatte. Und diese erhöhte Aktivität ging tatsächlich mit auffällig guten Ergebnissen im Memory-Spiel einher: In durchschnittlich 97 Prozent der Spielrunden tippten sie die Lage der Karten richtig. Die anderen Probanden, die ohne Rosenduft genächtigt hatten, erzielten eine Quote von nur 86 Prozent.

Mit der Rosenduft-Studie ist es Born erstmals gelungen, jene Alltagserfahrung auf neuronaler Ebene nachzuverfolgen, die der französische Schriftsteller Marcel Proust (1871 bis 1922) einst beschrieben hatte: Gerüche können vergangene Episoden ins Gedächtnis rufen. Im Roman »Auf der Suche nach der verlorenen Zeit« taucht der Autor ein Stück Gebäck in den Tee und lässt es auf der Zunge und damit unter der Nase zergehen, genau so wie er es als kleiner Junge tat - und urplötzlich fühlt er sich zurückversetzt in seine Kindheit.

Die Gruppe um Born fand einen weiteren Trick, das Gedächtnis zu verbessern. Kurz vorm Zubettgehen prägten sich Probanden 46 Wortpaare ein. Als sie einnickten, schickten die Wissenschaftler schwache elektrische Ströme durch die Köpfe einiger der Probanden, um in ihren Gehirnen sogenannte langsame Wellen auszulösen. Dadurch wurden die Testpersonen künstlich im Tiefschlaf gehalten.

Die Gehirne machte das tatsächlich leistungsfähiger: Am nächsten Morgen konnten sich die Mitglieder der Tiefschlafgruppe deutlich besser an die Wortpaare erinnern als Vergleichspersonen, die man nicht manipuliert hatte.

Der Einsatz von Strom und Rosenduft zeigt eine weitreichende Perspektive auf: Man kann das Gedächtnis verbessern, indem man seine biologischen Grundlagen versteht und in diese gezielt eingreift. »Ja, wir können da an den Schrauben drehen«, urteilt der Lübecker Born. »Man kann das noch ausreizen, es ist wie mit dem Doping im Sport.«

Man kann das Gedächtnis aber auch lahmlegen, indem man die zugrunde liegenden Vorgänge stört. Neurowissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge haben es in Tierversuchen bereits vorgemacht. Es ging um jenen Schaltkreis im Hippocampus, der frische Erinnerungen im Tiefschlaf wie einen Film ablaufen lässt.

Die Forscher züchteten per Gentechnik Mäuse, bei denen dieser Schaltkreis einfach ausgeschaltet wurde, indem man den Tieren ein bestimmtes Futter zu fressen gab. Und schon war es mit der Lernfähigkeit der Mäuse vorbei. Nur noch schlecht konnten diese sich merken, wie der Weg durch ein Labyrinth führt.

Um seine Aufgabe als Zwischenspeicher erfüllen zu können, stellt der Hippocampus offenbar ständig neue Nervenzellen her. Einige tausend davon werden Tag und Nacht im Gehirn eines Erwachsenen produziert; die neuronalen Newcomer sind wohl dazu da, gezielt neue Lerninhalte zu speichern.

Säugetiere brauchen Schlaf, um neue Nervenzellen in ausreichender Zahl hervorzubringen. Denn Versuche an Tieren zeigen: Schlafentzug und ständiges Unterbrechen des Schlafs wirken wie Gift auf die Produktion frischer Nervenzellen, die Neurogenese. Je nach Studie ging die Produktion um 30 bis 80 Prozent zurück. Schlimmer noch: Jene wenigen Nervenzellen, die selbst bei ständigem Schlafmangel entstehen, reifen nicht recht heran; sie verkümmern und können ihre Aufgabe, Neues zu lernen, kaum erfüllen.

Doch scheint Schlafmangel nicht nur auf den Hippocampus zu schlagen, befürchten Experten, sondern er könne auf Dauer sogar die Seele krank machen.

In einem Übersichtsartikel zur Neurogenese in der Fachzeitschrift »Sleep Medicine Reviews« warnt der Neurowissenschaftler Peter Meerlo von der Universität Groningen: »Die Folgen von Schlafverlust könnten die Einheit des Hippocampus gefährden und am Ende zu kognitiven Fehlfunktionen führen sowie zur Entstehung von affektiven Störungen beitragen.«

Umso ernster sind Schlafstörungen zu nehmen, wie sie sich gerade im Alter häufen. Ausgerechnet der für das Gedächtnis so wichtige Tiefschlaf in der ersten Nachthälfte verlässt einen mit zunehmenden Lebensjahren. Junge Menschen zwischen 16 und 25 Jahren verbringen ungefähr 20 Prozent der Nacht im Tiefschlaf; zwischen 36 und 50 Jahren sinkt der Anteil auf nur noch 3 Prozent. Die dramatische Abnahme könnte erklären, warum Menschen im Alter oftmals schusselig werden: Dem Gehirn fehlt schlicht Tiefschlaf.

Aber nicht nur die Gedächtnisleistung schwindet, wenn ein Mensch allzu lange wach sein muss. Auch die Kreativität scheint zu leiden. Denn das schlafende Gehirn belässt es offenbar nicht dabei, Erlebtes zu konsolidieren. Es scheint einen frischen Gedächtnisinhalt auch hin und her zu wenden: Lohnt sich das dauerhafte Speichern überhaupt? Und wenn ja: Wo genau soll der Inhalt abgelegt werden?

Einen Hinweis auf solch schöpferischen Anspruch haben Psychologe Born und Kollegen in Lübeck gefunden. Sie legten Probanden ein logisches Problem mit zwei Lösungswegen vor: die jeweiligen Ergebnisse entweder in aufwendigen Einzelschritten zu ermitteln oder eine den Aufgaben innewohnende Regel zu erkennen - so hatte man die Lösung auf einen Schlag.

Und siehe da: Probanden, die nach den ersten Versuchen schlafen durften, entdeckten die Regel doppelt so häufig wie Testpersonen, die wach gehalten wurden. Irgendwann in der Nacht hatten die Schläfer offenbar eine Eingebung.

Auch hiermit bestätigt die Wissenschaft eine Erfahrung, die jeder kennt: Probleme erscheinen oftmals viel klarer und lassen sich viel leichter lösen, wenn man eine Nacht drüber schläft. Jan Born ist überzeugt: »Der Schlaf hat kreatives Potential.«

Weil Eingebungen mitten in tiefster Nacht kommen können, empfiehlt es sich, Stift und Papier neben dem Bett parat zu haben.

Doch offenbar taugt der Schlaf nicht nur dazu, bereits Erlebtes kognitiv zu verdauen. Anscheinend hilft er auch, die in der Zukunft liegenden Lernanforderungen besser zu bewältigen. Nach einem wohligen Schlaf, und dazu gehört auch das Nickerchen am Nachmittag, fühlen sich Menschen frisch und besonders aufnahmebereit für das, was da noch kommen mag.

Auch dieses Phänomen können Hirnforscher inzwischen auf der Ebene der Nervenzellen erklären. In einem Schlüsselexperiment hielten Forscher der Harvard Medical School junge, gesunde Testpersonen eine Nacht lang wach und zeigten ihnen am Morgen 150 Bilder von Menschen, Landschaften und anderen Motiven. Zwei Tage später - die Probanden hatten zwischenzeitlich schlafen dürfen - sollten sie sich daran erinnern, welche der Bilder sie zuvor gesehen hatten. Zur Kontrolle dienten Testpersonen, die jede Nacht schlafen durften.

Abermals ergab sich ein Vorsprung durch Nachtruhe: Die ausgeschlafenen Probanden schnitten bei dem Bildererkennen viel besser ab als jene, die man wach gehalten hatte.

Womöglich erreicht das Gehirn diesen Zustand des Aufgewecktseins, indem es, nach dem ereignisreichen Tag, im Schlaf seinen Erregungszustand systematisch herabdrosselt, gleichsam unaufgeregter wird.

Zumindest bei Ratten und auch bei Fliegen scheint das so zu sein. Wenn man diese Tiere in Experimenten wach hält, häufen sie im zentralen Nervensystem eine große Menge bestimmter Proteine an; Proteine, die in den Synapsen des Gehirns benötigt werden. Doch sobald sich die Tiere ausschlafen dürfen, sinkt die Konzentration dieser Proteine rasch - offenbar schwächen die Tiere während des Schlafs synaptische Verbindungen.

Nichts anderes tun Menschen, wenn sie in den Tiefschlaf fallen, vermuten Chiara Cirelli und Giulio Tononi von der University of Wisconsin in Madison, die hinter den Experimenten stehen. Die langsamen Wellen, die während des Tiefschlafs im Nervenzellgewebe auftreten, regeln ihnen zufolge den elektrochemischen Erregungszustand im gesamten Gehirn herunter.

Das spare Energie, so die Forscher, bewirke aber keinen Verlust wichtiger Daten. Denn das Herunterregeln erfolge jeweils proportional zur bestehenden Stärke einer Synapse. Die relativen Unterschiede in den Nervenzellverbindungen würden deshalb nicht verwischt, allerdings dürften die schwächsten Verbindungen verlorengehen - und mit ihnen jene Eindrücke, die die Erinnerung gar nicht lohnen.

»Vieles von dem, was wir am Tag lernen, müssen wir nun wirklich nicht behalten«, sagt Chiara Cirelli. Ein Mensch kann doch »nichts mehr lernen, bevor er den Müll, der das Gehirn laufend anfüllt, wegräumt«. Und zum Zwecke dieser kognitiven Selbstreinigung schlafe der Mensch.

So faszinierend die Einblicke ins schlafende Gehirn sind, so recht wollen sie doch nicht zusammenpassen: Einerseits haben Gelehrte wie Maquet und Gais den Tiefschlaf als Phase überraschend starker Aktivität im Gehirn erkannt. Zum anderen aber sagen Cirelli und Tononi, just in dieser Phase würden die neuronalen Aktivitäten gedrosselt.

Doch bereitet ihnen das keine schlaflosen Nächte, längst sind die verschiedenen Lager dabei, ihre Befunde in einer Synthese zu vereinen. »Beide Vorgänge könnten zur gleichen Zeit im Gehirn ablaufen«, sagt Pierre Maquet in Lüttich. Eine Studie, die das beweisen soll, sei bereits geplant, verrät der Doktor, stehe aber noch ganz am Anfang.

Bevor es weitere Neuigkeiten vom hellwachen Schläferhirn gibt, gilt es also noch etliche Nächte im ungemütlichen Kernspintomografen zu überstehen.

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