Hirnforschung Da hilft nur Augen zu und durch

Wer den Schlaf der Gerechten schläft oder in Morpheus' Armen liegt, der sündigt nicht. Sagt jedenfalls der Volksmund. An solchen Weisheiten herrscht kein Mangel. Gar nicht gern hat man es demnach, den Schlaf geraubt zu bekommen. Oder sich die Nacht um die Ohren schlagen zu müssen.

Fast ein Drittel der Lebenszeit verbringt der Mensch in einem scheinbar unproduktiven, bewußtlosen und auch wehrlosen Zustand. Trotzdem hat Schlaf durchaus ein positives Image, solange wir es nicht übertreiben. Fragt sich bloß, wozu das Ganze. Darauf gibt es eigentlich eine ziemlich befriedigende Antwort: Körper und Geist erholen sich in dieser Ruhephase, man muß einfach regelmäßig abschalten.

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Lösungen über Nacht

So weit, so gut, so unbewiesen. Zwar gibt es tatsächlich Hinweise darauf, daß schlummernd Stoffwechselgifte abgebaut werden, daß Immun- und Hormonsystem solche Ruhephasen nötig haben und daß auch die müden Knochen und Gelenke die Entlastung gut gebrauchen können. "Aber all das", sagt der Lübecker Schlafforscher Jan Born, "würde es ja nicht nötig machen, das Bewußtsein zu verlieren. Der Schlaf erfüllt also offenbar auch eine Funktion, die mit dem Wachsein inkompatibel ist." Born und viele seiner Fachkollegen glauben, daß sich das Gedächtnis im Schlaf konsolidiert, am Tage Gelerntes weiterverarbeitet, festigt und unwichtige Informationen aussortiert.

Der Lübecker Schlafforscher hat in den vergangenen Jahren mit seinen Studien Aufsehen erregt. Im Frühjahr dieses Jahres etwa erschienen in Nature die Ergebnisse von Experimenten seines Mitarbeiters Ullrich Wagner. Der hatte Probanden vor eine nicht allzu schwierige logische Aufgabe gestellt. Sie mußten sich nur an zwei Grundregeln halten, um die richtigen Zahlenreihen herauszubekommen. Eine dritte Regel bekamen sie allerdings nicht mitgeteilt, nämlich die, daß man nach der Hälfte jeder Zahlenreihe die bisherigen Ergebnisse einfach nur spiegelbildlich in die verbleibenden Antwortfelder eintragen muß. Viele Versuchsteilnehmer erkannten die versteckte Regel und lösten die Aufgaben mit einem Schlag deutlich schneller. Den meisten kam diese Einsicht aber nicht irgendwann, sondern über Nacht, nachdem sie im Wortsinn darüber geschlafen hatten.

Prominente Beispiele

Von ähnlichen Geistesblitzen in den Kissen gibt es in Biographien von Wissenschaftlern und Künstlern einiges nachzulesen. Dimitrij Mendelejew etwa erschloß sich das Ordnungsprinzip für sein Periodensystem der Elemente über Nacht, nachdem er am Abend zuvor noch ergebnislos über den Kärtchen mit den Symbolen gebrütet hatte.

Friedrich Kekule soll auf ähnliche Weise auf die Ringstruktur des Benzols gekommen sein. Und Robert Louis Stevenson will sich Schlüsselszenen seines "Doktor Jekyll und Mister Hyde" ebenfalls erschlafen haben. Es gibt unzählige ähnliche Anekdoten, von Wicki dem Wikinger bis Albert Einstein.

Besseres Lernen

Auf Borns Schreibtisch in Lübeck liegt derzeit ein Manuskript, das er zusammen mit seinen Mitarbeitern Lisa Marshall, Matthias Mölle und Manfred Hallschmid beim renommierten Journal of Neuroscience eingereicht hat. Auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin, die am Samstag in Freiburg zu Ende ging, stellte er die Ergebnisse erstmals vor. Es ist ein weiterer argumentativer Schlag gegen jene, die die reine Erholungstheorie vertreten. Zum ersten Mal in einem solchen Experiment legten die Wissenschaftler ihren schlafenden Probanden Elektroden nicht deshalb an, weil sie Hirnströme für ein Elektroencephalogramm (EEG) ableiten wollten. Sie versuchten vielmehr, bekannte Hirnstrommuster, bei denen sie einen Zusammenhang mit Lernprozessen vermuteten, zu verstärken. Über die Elektroden wurde im Tiefschlaf (Deltaschlaf) vorne am Kopf ein schwacher Strom von 0,26 Milliampere pro Quadratzentimeter verabreicht.

Am Tag zuvor hatten die Medizinstudenten, die, wie Born sagt, "ohnehin schon am Limit ihrer Lernkapazität arbeiten", Vokabeln pauken müssen. Am nächsten Tag konnten sich diejenigen Studenten, die nicht nur Placeboelektroden am Kopf kleben, sondern tatsächlich schwache Ströme verabreicht bekommen hatten, deutlich besser an die Wortpaare erinnern. Zusätzlich waren sie morgens auch noch besser gelaunt als ihre stromlosen Kollegen.

Spekulation

Es war die erste solche Studie, und auch die Lübecker Forscher selbst warnen vor einer Überinterpretation der Ergebnisse. Bis zum glücklich machenden Lerngenerator für den Heimgebrauch ist es wohl noch ein weiter Weg. Aber in den Köpfen der Schlaf-Lern-Forscher entwickelt sich zur Zeit ein immer deutlicheres Bild davon, was im nicht wirklich ruhenden Gehirn während des Schlafens passiert - zumindest beim sogenannten deklarativen Lernen wie etwa dem Einstudieren von Vokabeln.

Born, der selbst betont, daß "das alles noch Spekulation" ist, stellt es sich so vor: Am Tag werden Informationen aufgenommen und als nervliche Erregungsmuster in der Großhirnrinde gespeichert. Die wiederum schickt eine Kopie davon an das Lernzentrum des Gehirns, den Hippocampus. Im Schlaf wird diese Kopie aufgrund von niedrigen Werten des Botenstoffes Acetylcholin, der sich sonst hemmend auswirken würde, und durch bestimmte Hirnwellen wieder aktiviert. Solche langsamen Oszillationen gehen nachts verstärkt von den tagsüber beim Lernen beanspruchten Regionen des Großhirns aus. Und genau sie wurden bei den Lübecker Studenten offenbar durch den Elektrodenstrom verstärkt.

Bewußtseinsverlust ist Voraussetzung

Das Gelernte wird, glaubt Born, dadurch im Hippocampus neu abgespielt. Auch dem Thalamus wird indirekt die Möglichkeit gegeben, seinen Beitrag zu leisten: Der Hippocampus schickt die überarbeiteten Informationen zurück ins Großhirn, gleichzeitig sendet der Thalamus Signale, sogenannte Spindeln, die wie eine Art neuronaler Kleber wirken. Sie verstärken alles, was gleichzeitig mit ihnen im Großhirn ankommt. In diesem Falle also den gerade aus dem Hippocampus zurückgeschickten Lernstoff. Ein solcher Mechanismus könnte auch erklären, warum ein Bewußtseinsverlust nötig ist. Würden diese Prozesse des Wiederabspielens nämlich im Wachzustand auftreten, würden wir sie wahrscheinlich als Halluzinationen wahrnehmen.

Während das deklarative Gedächtnis vor allem vom Deltaschlaf (Begriffe siehe "Lernen und nochmals Lernen") abhängig zu sein scheint, profitiert das sogenannte prozedurale Gedächtnis, also etwa das Erlernen von Handlungsabläufen und Bewegungen, offenbar eher vom REM-Schlaf. Wenn überhaupt. Denn während einige Studien durchaus Hinweise darauf liefern, finden andere Untersuchungen gar keine Leistungsverbesserung nach einem Schläfchen.

Das große Paradoxon

Prozedurale Lernvorgänge laufen oft eher unbewußt ab. "Das ist vielleicht eine eher primitive Variante des Lernens, für die man nicht unbedingt Schlaf braucht", sagt Edwin Robertson von der Harvard University. Er konnte allerdings zeigen, daß Versuchspersonen ihre Lernleistung durchaus verbessern, wenn ihnen bewußtgemacht wurde, daß sie gerade lernen. Und für diese Verbesserung war wiederum Schlaf nötig. "Das ist hochinteressant", sagt Born, "durch diesen expliziten Hinweis bekommt die Information vielleicht einen zusätzlichen Marker, der sie dem schlafabhängigen Gedächtnis zuführt."

Genau hierin scheint das große Paradoxon von Lernen und Bewußtsein zu bestehen: Je bewußter wir Informationen speichern, desto mehr brauchen wir offenbar den Zustand der Bewußtlosigkeit, um sie zu festigen.

Gespaltene Meinungen

Das alles wirkt allerdings nur auf den ersten Blick wie ein schönes, stimmiges Bild vom Lernen im Schlaf. In Wahrheit kann jedoch keine Rede sein von Harmonie in der Forschergemeinde. Jerry Siegel von der University of California in Los Angeles, einer der bedeutendsten Schlafforscher der letzten Jahrzehnte, ist mehr als skeptisch, was die Zusammenhänge zwischen Lernen und Schlafen angeht. Er verweist auf die widersprüchlichen Studienresultate. Und Einsichten gelängen Menschen ja durchaus auch tagsüber. Siegel nennt noch zwei weitere Beispiele, die gegen die These sprächen: Antidepressiva seien dafür bekannt, daß sie den Patienten den REM-Schlaf raubten, ihre Lernfähigkeiten aber nicht weiter einschränkten. Und bei Walen und Delphinen, die nicht gerade für ihre Lernschwäche bekannt sind, konnte bisher überhaupt kein REM-Schlaf nachgewiesen werden.

Andere Schlafforscher haben ihre Meinung inzwischen geändert. Michael Hasselmo von der Boston University bezeichnet sich selbst als Einsichtigen. Jahrelang habe er seinen Studenten erzählt, daß Schlaf einfach einem physischen Bedürfnis des Körpers nach Ruhe entspringe. Heute glaubt er, die "Struktur unseres Wissens von der Welt würde zusammenbrechen, wenn wir nicht schlafen würden". Wenn er einen Vortrag halten muß, macht er am Abend vorher einen Probelauf, "dann kann ich darüber schlafen, und am nächsten Tag läuft alles viel flüssiger ab".

Ungewissheit

Die erste Nacht oder besser: der erste Schlaf nach dem Lernen ist offenbar entscheidend für die Gedächtnisbildung, glaubt auch Robert Stickgold von der Harvard Medical School. Er hielt eine seiner Lerngruppen die erste Nacht wach und testete sie drei Tage später, nachdem sie ihr Schlafdefizit hatten ausgleichen können. Sie schnitten deutlich schlechter ab als jene, die schon in der ersten Nacht in die Kissen durften.

Trotz all dieser Befunde beginnt bisher noch so manche wissenschaftliche Publikation zum Thema mit Worten wie: "Menschlicher Schlaf ist ein globaler Zustand, dessen Funktionen noch immer unklar sind."

Das Gehirn übt weiter

So jedenfalls eröffnen Giulio Tononi und Reto Huber von der University of Wisconsin in Madison ihren jüngsten Aufsatz in Nature. Sie zeigen darin, daß man durch eine Reihe bestimmter Lernaufgaben einzelne Hirnrindenareale dazu bringen kann, mehr langsame Oszillationen zu zeigen als andere, also sozusagen stärker zu schlafen - ein weiterer Hinweis darauf, daß Schlafen auch auf der zellulären Ebene eher etwas mit der Konsolidierung von Erinnerung zu tun hat als mit irgendeiner Kompensation von Ermüdung.

All das, was sich jetzt langsam zu einem stimmigen Modell für die Ursachen des nächtlichen Bewußtseinsverlustes formt, haben andere schon viel früher geahnt. Quintilian schrieb im ersten Jahrhundert nach Christus von der "seltsamen Tatsache, daß das Intervall einer einzigen Nacht die Stärke der Erinnerung deutlich verbessern kann". Von den Klassikern lernen heißt also auch besser lernen lernen. Nicht jeder hat schließlich einen schlafforschenden Vater wie Michael Hasselmo. Der hat seine Kinder schon bei ihren ersten Versuchen mit dem Fahrrad damit getröstet, daß ihr Gehirn, während sie schlafen, schon für sie weiterüben wird.