Ein weiterer Bereich, der Gegenstand zahlreicher Forschungen war, ist die Beziehung zwischen Schlaf und Lernen oder Gedächtnisbildung. Wissenschaftler wissen mit Sicherheit, dass der Schlaf für das Lernen entscheidend ist – aber welche Schlafphase ist wichtiger?
Erfolgt das Lernen in der leichten REM-Schlafphase oder in der tiefen, nicht-REM-Phase des Schlafs? Wie koordinieren sich Neuronen in verschiedenen Hirnbereichen über die verschiedenen Schlafphasen hinweg, um das Lernen und die Gedächtniskonsolidierung zu erleichtern?
Zwei Studien, über die Medizinische Nachrichten heute berichtete, tragen dazu bei, Licht in diese Fragen zu bringen.
Schlaf hilft dem Gehirn zu lernen und flexibel zu bleiben
In der ersten Studie manipulierten die Experimentatoren die Tiefschlafphase der Studienteilnehmer, nachdem sie sie gebeten hatten, eine neue Reihe von Bewegungen zu lernen. Die Wissenschaftler überwachten die Gehirnaktivität der Teilnehmer – insbesondere ihren motorischen Kortex – während der gesamten Studie.
Das Team – unter der Leitung von Wissenschaftlern aus der Schweiz – stellte fest, dass ein unruhiger Tiefschlaf zu einer deutlich verringerten Lernleistung führte. Die Forscher erklärten, dass ihre Ergebnisse mit den Synapsen des Gehirns und ihrer Rolle beim Lernen zusammenhängen.
Synapsen sind mikroskopisch kleine Verbindungen zwischen Neuronen, die zusammen mit Gehirnchemikalien oder Neurotransmittern die Weiterleitung von elektrischen Impulsen von einem Neuron zum anderen erleichtern. Tagsüber schalten sich die Synapsen als Reaktion auf die Reize ein, die das Gehirn aus der Umwelt empfängt.
Im Schlaf jedoch kehrt die Aktivität dieser Synapsen auf den Normalzustand zurück. Ohne diese Erholungsphase bleiben sie zu lange auf ihrem Aktivitätshöhepunkt.
Dadurch wird die Neuroplastizität des Gehirns beeinträchtigt, d. h. seine Fähigkeit, sich neu zu verdrahten und neue Verbindungen zwischen Neuronen zu schaffen. Die Neuroplastizität ermöglicht es dem Gehirn, neue Fähigkeiten zu erlernen, sich zu verändern und an die Reize der Umgebung anzupassen und schließlich neue Dinge zu lernen.
Nicole Wenderoth, Professorin am Departement für Gesundheitswissenschaften und Technologie der ETH Zürich und Mitautorin, erklärt, was in ihrer neuen Studie passiert.
„In der stark erregten Region des Gehirns war die Lernleistung gesättigt und konnte nicht mehr verändert werden, was das Erlernen von motorischen Fähigkeiten hemmte.“
Nach Kenntnis der Autoren war dies die erste Studie, die einen kausalen Zusammenhang zwischen der Tiefschlafphase und der Lerneffizienz zeigte. „Wir haben eine Methode entwickelt, mit der wir die Schlaftiefe in einem bestimmten Teil des Gehirns reduzieren und so den kausalen Zusammenhang zwischen Tiefschlaf und Lerneffizienz nachweisen können“, sagt Studienmitautor Prof. Reto Huber.
Schlaf hilft auch beim Verlernen
Die zweite Studie, über die MNT berichtet, untersuchte verschiedene Schlafphasen. Diese Forschung zeigte jedoch, dass der Schlaf das Gehirn nicht nur in die Lage versetzt, neue Dinge zu lernen, sondern auch zu verlernen.
Die ursprüngliche Studie von 2017 beinhaltete eine auditive Lernaufgabe. Die Forscher spielten Tonsequenzen ab, während die Teilnehmer schliefen und wach waren.
Sie überwachten die elektrische Aktivität des Gehirns der Probanden mit einem Elektroenzephalogramm (EEG).
Die EEGs erfassten auch Schlafspindeln, die auftraten, wenn das schlafende Gehirn neue Töne lernte. Schlafspindeln sind Spitzen in der oszillatorischen Hirnaktivität, die in früheren Forschungen mit Lernen und Gedächtniskonsolidierung in Verbindung gebracht wurden.
Nach jeder Schlafsitzung baten die Experimentatoren die Teilnehmer, sich die Tonfolgen erneut anzuhören und sie wiederzuerkennen. Sie bewerteten ihre Lernleistung durch Tests.
Anhand der EEG-Messungen untersuchten die Wissenschaftler drei Schlafphasen: REM-Schlaf, leichter Nicht-REM-Schlaf und tiefer Nicht-REM-Schlaf.
Wenn die Teilnehmer die Geräusche während des REM-Schlafs oder während des leichten Nicht-REM-Schlafs hörten, konnten sie sie im Wachzustand besser wiedererkennen. Wurden sie jedoch während des tiefen Non-REM-Schlafs mit den neuen Klängen konfrontiert, fiel es ihnen schwerer, die Klangfolge im Wachzustand zu erkennen.
Während „EEG-Marker des Lernens im Leichtschlaf leicht zu beobachten waren, fehlten sie im Tiefschlaf deutlich“, berichten die Wissenschaftler.
Darüber hinaus war es für die Teilnehmer nicht nur schwierig, die Klänge wiederzuerkennen, die die Forscher ihnen im Tiefschlaf vorgespielt hatten, sondern sie fanden es auch schwieriger, diese Klänge (neu) zu lernen, verglichen mit völlig neuen Klängen.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der tiefe Non-REM-Schlaf weniger dazu dient, neue Dinge zu lernen, sondern vielmehr dazu, Informationen zu unterdrücken.
Die größte Überraschung lieferte die Fähigkeit des Gehirns zum Verlernen. Es scheint also, dass wir während des Schlafes entweder neue Erinnerungen bilden und lernen können oder das Gegenteil tun: Erinnerungen unterdrücken und verlernen.“
– Thomas Andrillon, Erstautor der Studie
Sie ergänzen auch die Belege dafür, dass der Tiefschlaf zur Erhaltung der Neuroplastizität beiträgt. Insbesondere kann der leichte Non-REM-Schlaf (Stufe 2) dazu beitragen, Synapsen zu erregen, während der tiefe Non-REM-Schlaf ihnen hilft, sich zu entspannen oder „herunterzufahren“
„Ein solcher Kontrast zwischen leichtem und tiefem Schlaf steht im Einklang mit einem qualitativen Unterschied zwischen diesen beiden Schlafstadien in Bezug auf die neuronale Plastizität“, schreiben die Autoren. „Nach dieser Ansicht begünstigt der leichte Schlaf die synaptische Potenzierung, während der Tiefschlaf die synaptische Verkleinerung fördert.“
„Wir vermuten keine funktionelle Rolle für die unterdrückende Wirkung von Informationen, die im Schlaf präsentiert werden“, fügen sie hinzu. „
Mit anderen Worten: Der Tiefschlaf kann uns helfen, zu verlernen oder zu vergessen, weil das Vergessen ein natürliches Nebenprodukt der Erhaltung der Neuroplastizität ist; das Vergessen ist ein Nebenprodukt unserer Fähigkeit zu lernen.
Vereinheitlichung der Schlaftheorien
Andrillon und Kollegen erklärten auch, dass ihre Ergebnisse von Bedeutung sind, weil sie dazu beitragen, zwei bisher widersprüchliche Denkschulen zu vereinheitlichen. Die eine sieht die Hauptfunktion des Schlafs im Lernen und in der Konsolidierung neuer Informationen. Die andere sieht ihn als Verwerfen nutzloser Informationen, um das Gehirn nicht zu überfordern.
Während Wissenschaftler immer mehr neurowissenschaftliche Beweise über die Funktionsweise des Schlafs sammeln, wird deutlich, dass solche Unterteilungen und Dichotomien insgesamt vielleicht nicht die sinnvollste Art sind, den Schlaf oder die Rolle des Schlafs beim Lernen zu betrachten.
Eine erst im letzten Monat veröffentlichte Studie zeigt zum Beispiel, dass REM- und Nicht-REM-Schlaf zusammenarbeiten, um das Lernen zu fördern.
Der Non-REM-Schlaf steigert die Leistung neu erworbener Fähigkeiten, indem er die Flexibilität und Neuroplastizität wiederherstellt, während der REM-Schlaf diese Verbesserungen stabilisiert und verhindert, dass neues Lernen sie auslöscht.
Die neue Forschung geht von der gleichen Hypothese aus, die die oben genannten Studien zu unterstreichen scheinen – dass der Schlaf die Synapsen und die neuronalen Verbindungen stärken muss, die während des Tages geschaffen wurden (um neues Wissen zu festigen und zu verhindern, dass es durch neue Informationen überschrieben wird). Er muss aber auch die Synapsen „herunterfahren“, d.h. entspannen oder schwächen, um ihre Flexibilität und die Neuroplastizität des Gehirns zu erhalten.
Diese Studie – unter der Leitung von Masako Tamaki vom Department of Cognitive, Linguistic, and Psychological Sciences an der Brown University in Providence, RI – umfasste eine visuelle Lernaufgabe. Die Forscher wiesen einer Gruppe von Teilnehmern zwei verschiedene Aufgaben zu, eine vor dem Schlaf und eine nach dem Schlaf. Die andere Gruppe erhielt keine Lernaufgaben.
Die Wissenschaftler verwendeten MRT-Scanner und Elektroden, die sie an Kopf und Augenlidern der Teilnehmer anbrachten. Sie setzten auch Magnetresonanzspektroskopie ein, um die beiden Gehirnchemikalien zu messen, die an der neuronalen Plastizität (oder Flexibilität der Synapsen) und der Stabilisierung beteiligt sind.
Tamaki und sein Team fanden heraus, dass die Neuroplastizität während des Nicht-REM-Schlafs zunahm. Dies stand in Zusammenhang mit einer besseren Lern- und Aufgabenleistung nach dem Schlaf.
Im REM-Schlaf nahm die neuronale Plastizität der Teilnehmer ab, was mit der Stabilisierung des Gelernten korrelierte. Die Forscher stellen die Hypothese auf, dass der REM-Schlaf dazu beiträgt, zu verhindern, dass das vor dem Schlaf Gelernte durch späteres Lernen überschrieben wird.
Im Gegensatz zum Non-REM-Schlaf sahen die Forscher den starken Rückgang der Plastizität während des REM-Schlafs nur bei den Probanden, die eine Aufgabe zu lernen hatten.
In den Worten der Forscher: „Die Plastizität nahm während des NREM-Schlafs zu, unabhängig davon, ob vor dem Schlaf gelernt wurde, aber sie war mit Leistungssteigerungen nach dem Schlaf im Vergleich zur Leistung vor dem Schlaf verbunden. Im Gegensatz dazu nahm der Wert während des REM-Schlafs ab, aber nur nach dem Training vor dem Schlaf, und der Rückgang war mit einer Stabilisierung des Lernens vor dem Schlaf verbunden.“
„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der NREM-Schlaf die Plastizität fördert, was zu Leistungssteigerungen unabhängig vom Lernen führt, während der REM-Schlaf die Plastizität verringert, um das Lernen auf eine lernspezifische Weise zu stabilisieren.“
– Masako Tamaki et al.