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Hirnforschung, was kannst du? : Schlaf kann ein Neuanfang sein

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Gelerntes festigt sich im Schlaf Bild: obs

Lernstoff festigt sich maßgeblich im Schlaf. Das Gedächtnis kann in diesen Ruhephasen optimiert werden. Und auch eine „Reprogrammierung“ riskanter Verhaltensweisen scheint möglich, was Chancen für Suchtkranke birgt.

          Die Relevanz des Gedächtnisses für unser Dasein wird vielen von uns nur in Ausnahmefällen bewusst, etwa wenn wir in der Schule mit Mühe Schillers „Glocke“ auswendig lernen oder im Alter die Vergesslichkeit überhandnimmt. Doch Gedächtnis ist viel mehr: Es formt unser gesamtes Wissen und damit unser Bewusstsein und unsere Persönlichkeit. Wenn ein Kind laufen und sprechen lernt, bilden sich in seinem Gehirn neuronale Gedächtnisrepräsentationen aus, die diese Fertigkeiten dauerhaft ermöglichen. Wir lernen zudem, von den Gesichtern unserer Mitmenschen Gefühle abzulesen, Wörtern Bedeutungen beizumessen und Strategien einzusetzen, um soziale Konflikte und komplexe Probleme zu lösen. Sofern erlernt, beruht alles Verhalten auf der Herausbildung überdauernder Gedächtnisrepräsentationen. Auch Erkenntnisprozesse setzen Gedächtnis maßgeblich voraus. Eine Blume beispielsweise können wir nur als solche erkennen, wenn unser Verstand bereits die Idee einer Blume beinhaltet. Entsprechend bildet sich Bewusstsein durch die kontinuierliche Einbindung akuter Sinnesempfindungen in bereits bestehende Gedächtnisrepräsentationen aus. Dieses Konzept wurde und wird von vielen Philosophen und Psychologen wie Descartes, Kant und Wilhelm Wundt vertreten. Angesichts der fundamentalen Bedeutung des Gedächtnisses für die Ausbildung und Aufrechterhaltung von Bewusstsein, wie wir es im Wachzustand erleben, mag es überraschen, dass Gedächtnis zu einem großen Teil im Schlaf entsteht, einem Zustand, der ja gerade durch einen ausgeprägten Verlust des Bewusstseins charakterisiert ist. Bewusstsein und die Bildung von längerfristigen Gedächtnisinhalten scheinen jedoch zwei Prozesse zu sein, die in den neuronalen Netzwerken unseres Gehirns nicht gleichzeitig ablaufen können.

          Wie entsteht Gedächtnis? Die Bildung von Gedächtnis verdankt sich zwei hinsichtlich ihrer neurophysiologischen Mechanismen völlig unterschiedlichen Teilprozessen, der „Enkodierung“, also dem „Lernen“ von zu speichernden Informationen, und der darauffolgenden „Konsolidierung“ der frischen Gedächtnisspuren. Anders als bei der Speicherung von Informationen auf einer Computerfestplatte müssen die neuronal enkodierten Informationen nämlich stabilisiert werden, um nicht zu zerfallen und vergessen zu werden. Die Konsolidierung umfasst zudem die Integration der neu enkodierten Information in bereits bestehende Wissensnetzwerke, ohne dass diese beschädigt oder überschrieben werden. Denn was nützte das mühsame Erlernen der Differentialrechnung, wenn das anschließende Pauken der Integralrechnung alles Erlernte wieder zunichtemachen würde? Die Enkodierung von Gedächtnisinhalten funktioniert genau wie deren Abruf, also das Erinnern, am besten im aufmerksamen Wachzustand. Für die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten scheinen dagegen der Schlaf und der damit einhergehende „Schlafmodus“ der Gehirnaktivität von essentieller Bedeutung zu sein.

          Initialer Speicher

          Die Bildung von Langzeitgedächtnis ist ein dynamischer, zweistufiger Prozess, in dessen Verlauf sich die zentralnervösen Repräsentationen der erlernten Inhalte qualitativ verändern. Am Ende eines Tages verfügen wir über eine Sammlung recht genauer Erinnerungen daran, was wir wann und wo gemacht und erlebt haben; selbst belanglose Details wie die schlecht sitzende Krawatte eines Gesprächspartners oder eine kaputte Verkehrsampel auf dem Heimweg stehen uns noch klar vor Augen. Solcherlei Erlebnisse werden zunächst in einem „initialen“ Speicher enkodiert, der die Informationen extrem schnell aufnimmt, so dass bereits eine einmalige Reizdarbietung eine genaue Repräsentation induzieren kann. Das neuroanatomische Korrelat dieses initialen Speichers sind der Hippocampus und umliegende Regionen des Schläfenlappens. Doch nicht alle initial gespeicherten Episoden können in den Langzeitspeicher überführt werden, da dies die vermutlich begrenzte Speicherkapazität unseres Gehirns überfordern würde, auch wenn die entsprechenden Hirnareale, insbesondere die Hirnrinde und das Striatum, ungemein umfangreiche neuronale Netzwerke darstellen. So findet während der Gedächtniskonsolidierung ein Selektionsprozess statt, an dessen Ende nur die relevantesten Informationen, die Quintessenz („gist“) der Erlebnisse, im langfristigen Speicher zurückbleiben. Wie dieser Selektionsvorgang genau abläuft, wird gegenwärtig erforscht. Wir wissen bereits, dass der Konsolidierungsprozess die Repräsentationen so reorganisiert, dass relevante und emotionale Aspekte sowie Regelhaftigkeiten der erlebten Episoden dauerhaft in den Langzeitspeicher überführt werden, während gleichzeitig Detail- und Kontextinformationen verloren gehen. Nach einer Unterrichtsstunde über Südamerika werden Einzelheiten wie die rote Bluse der Erdkundelehrerin oder der Regenschauer, der sich vor dem Klassenzimmer ergoss, relativ schnell vergessen, doch die Assoziation von Santiago mit Chile und Lima mit Peru bleibt (zumindest beim wissbegierigen, zielorientierten Schüler) länger haften: Episodische Inhalte verwandeln sich in „dekontextualisiertes“, semantisches Wissen. Ähnlich verhält es sich beim Erlernen motorischer Fertigkeiten. Besteht anfänglich noch eine detaillierte Erinnerung an die spezifischen Umstände einer Skistunde, an den feschen Lehrer, die steile Piste, das klare Wetter, lösen sich bei der Bildung des Langzeitgedächtnisses trainingsrelevante Aspekte, etwa „Tal-Ski belasten“, heraus und verankern sich als prozedurales Wissen langfristig im Gedächtnis.

          Ein Nickerchen kann der Gedächtnisleistung manchmal nützen

          Welche neuronalen Vorgänge der Herausbildung von Langzeitgedächtnis zugrunde liegen, ist bisher nur ansatzweise aufgeklärt worden. Auf den kanadischen Biopsychologen Donald O. Hebb geht die Vorstellung zurück, dass assoziierte Informationen im Gehirn von synaptisch miteinander verbundenen Neuronen repräsentiert werden. Demnach führt die Enkodierung von zwei mehr oder weniger zeitgleich erlebten Reizen, etwa durch das Lesen deutsch-englischer Wortpaare beim Vokabellernen, zur gleichzeitigen Aktivierung zweier unterschiedlicher Neuronen-Ensembles, die jeweils eines der Wörter repräsentieren. Die Wiederholung der synchronen Aktivierung der Neuronen-Ensembles stärkt deren synaptische Verknüpfung und die Assoziation zwischen den beiden Wörtern dergestalt, dass die Aktivierung eines Ensembles automatisch zur Mitaktivierung des anderen, mithin zur sogenannten „synaptischen Konsolidierung“ führt. Darüber hinaus, so wird angenommen, entfacht das wiederholte Feuern dieser Neuronen-Netzwerke die Aktivierung von Ensembles in weiteren, entfernteren Hirnstrukturen; durch deren Stärkung erfährt die Repräsentation der Information eine allmähliche räumliche Umverteilung im Sinne eines „System-Konsolidierungsprozesses“. So kann beispielsweise die wiederholte Aktivierung frisch enkodierter Repräsentationen im Hippocampus zu einer Stärkung von Neuronennetzen führen, die in der Hirnrinde lokalisiert sind und die Langzeitspeicherung der Information gewährleisten.

          Studien vor 100 Jahren

          Dass Schlaf nach dem Lernen die Verfestigung des Gelernten fördert, ist keine neue Erkenntnis. Die experimentelle Gedächtnisforschung konnte mit Hilfe systematischer Untersuchungen bereits in ihren Anfängen zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigen, dass Listen auswendig gelernter sinnloser Silben länger im Gedächtnis bleiben, wenn die Versuchsteilnehmer nach dem Lernen schlafen statt zu wachen. Diese Beobachtung wurde zunächst damit erklärt, dass der Schlaf das Überschreiben der gelernten Silben mit später verarbeiteten Informationen, das heißt einen „Interferenz-Effekt“, verhindere, da im Schlaf keine neuen Informationen aufgenommen werden. Neuere Untersuchungen zeigen jedoch, dass der Schlaf über diesen Schutz vor Interferenz hinaus die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten aktiv unterstützt. So verstärkt der Schlaf nicht nur das Gedächtnis für zuvor gelernte Assoziationen, etwa zwischen Vokabeln, sondern befördert auch Prozesse der Abstraktion wie die Einsicht in versteckte Strukturen und Regelhaftigkeiten im erlernten Material. Werden Versuchspersonen mit einem Zahlenrätsel konfrontiert, ohne es bei dieser ersten Bearbeitung lösen zu können, und dürfen danach schlafen, demonstrieren sie bei einer späteren zweiten Testung mehr als doppelt so häufig Einsicht in die den Zahlenreihen inhärente Struktur als Versuchspersonen, die nach der ersten Bearbeitung des Rätsels wach bleiben: Schlaf fördert die Erlangung expliziten Wissens um die Lösung des Rätsels. Etwas, das vor dem Schlaf nicht erkannt worden ist, wird durch den Schlaf bewusst. Ein solches Bewusstwerden ist nur schwer mit einem rein passiven Schutz vor Interferenzen erklärbar, sondern legt einen aktiven, schlafabhängigen Konsolidierungsprozess nahe, in dem über die Reorganisation der Gedächtnisrepräsentation bestimmte Merkmale und Strukturen hervorgehoben und dem Bewusstsein zugänglich werden. Dieser Reorganisationsprozess lässt sich auf neuronaler Ebene mittels funktionaler Kernspintomographie nachvollziehen, insofern Schlaf nach dem Lernen zu einer stärkeren Einbindung der neuronalen Repräsentationen des Erlernten in Hirnrinden- und striatale Strukturen führt.

          Der (nächtliche) Schlaf umfasst eine wiederkehrende Abfolge verschiedener Schlafstadien, die anhand der im Elektroenzephalogramm (EEG) abgeleiteten hirnelektrischen Aktivität differenziert werden können. Die Kernschlafstadien sind der „Tiefschlaf“ und der „REM-Schlaf“, in dem phasenweise „rapid eye movements“ auftreten. Unter Bezugnahme auf die zunächst von Freud postulierte Annahme, das im REM-Schlaf verortete Träumen stelle eine Art Reprozessieren erlebter Episoden dar, vermutete man anfänglich, dass Gedächtnis vor allem in diesem Schlafstadium gebildet wird. Diese Vorstellung ist allerdings nach heutigem Erkenntnisstand nicht haltbar. Fraglich ist zunächst, ob wir im REM-Schlaf überhaupt träumen, oder ob Traumerlebnisse nicht eher während des Erwachens aus dem REM-Schlaf generiert werden. Wichtiger noch: Im Tierexperiment konnte durch die Ableitung der Aktivität hippocampaler Neurone gezeigt werden, dass im Schlaf in der Tat ein neuronales Reprozessieren erlebter Episoden stattfindet, jedoch nicht im REM-, sondern im Tiefschlaf. So werden in diesem Schlafstadium dieselben neuronalen Muster im Hippocampus reaktiviert, die sich beim vorhergehenden Lernen (etwa eines Wegs durch ein Labyrinth) herausgebildet haben: Es kommt zu einem „Replay“ der neuronalen Repräsentation, und dieses neuronale Wiederabspielen scheint sich in derselben Weise auch während des menschlichen Tiefschlafs zuzutragen.

          Schlaf nützt dem Langzeitgedächtnis

          Der neuronale Replay steht im Zentrum der gegenwärtigen Theorien darüber, wie Schlaf durch einen „aktiven System-Konsolidierungsprozess“ die Bildung von Langzeitgedächtnis fördert. Die Konsolidierung findet dabei auf der Basis eines Dialogs zwischen Hirnrinde und Hippocampus statt: Beim Lernen im Wachzustand werden die Informationen einerseits in Neuronennetzwerken der Hirnrinde, gleichzeitig aber auch (zumindest was bestimmte episodische Aspekte angeht) in hippocampalen Netzwerken enkodiert. In darauffolgenden Tiefschlafperioden kommt es zu wiederholten Reaktivierungen dieser frisch enkodierten hippocampalen Repräsentationen, bei denen hohe, langsame EEG-Wellen, sogenannte „slow oscillations“, die das hervorstechendste Merkmal des Tiefschlafs sind, eine entscheidende Rolle spielen. Diese Wellen entstehen in der Hirnrinde und lassen weite Teile des Gehirns, einschließlich des Hippocampus, mit einer Frequenz von etwas unter 1 Hz zwischen Phasen erhöhter neuronaler Erregbarkeit (up-states) und verminderter Erregbarkeit (down-states) schwingen. Mit den up-states signalisiert die Hirnrinde dem Hippocampus ihre erhöhte Erregbarkeit und Bereitschaft, vom Hippocampus gesendete Gedächtnisinformationen aufzunehmen, um den hippocampalen Replay frischer Gedächtnisrepräsentationen anzustoßen. Entsprechend treten die neuronalen Reaktivierungen immer während eines up-state der slow oscillation auf. Die up-states der langsamen Wellen setzen darüber hinaus Mechanismen wie im Thalamus generierte EEG-Spindeln in Gang, welche die Übertragung der reaktivierten Gedächtnisinformation zur Hirnrinde und vermutlich auch deren längerfristige Einspeicherung in die entsprechenden Neuronennetzwerke befördern.

          Replay neuronaler Repräsentationen ist auch im Wachzustand zu beobachten, etwa in kurzen Verschnaufpausen einer Ratte beim Erkunden eines Labyrinths. Warum muss das Gehirn dann überhaupt schlafen, um Gedächtnis zu verfestigen? Der Replay im Tiefschlaf findet in einem einzigartigen neurochemischen Milieu statt, in dem zum Beispiel die Konzentrationen des Stresshormons Kortisol und die Freisetzung des Neuromodulators Acetylcholin auf ein Minimum reduziert werden. Nur in diesem Milieu führt der Replay zu einem Transfer der Gedächtnisinformation in Richtung Hirnrinde.

          Zentrale Rolle

          Angesichts der zentralen Rolle des Schlafs für die Gedächtnisbildung liegt der Gedanke nahe, die Leistungsfähigkeit des Gedächtnisses durch Eingriffe in den Schlaf zu steigern, beispielsweise durch die Gabe von Schlafmitteln. Allerdings führen weder herkömmliche Hypnotika wie die weitverbreiteten Benzodiazepine noch neuere, auf das GABAerge Transmittersystem wirkende Substanzen zu einer echten Intensivierung des funktional entscheidenden Tiefschlafs, so dass eine Verbesserung der Gedächtnisbildung ausbleibt.

          Größeren Erfolg als Pharmaka scheinen Ansätze zu versprechen, welche die in der Hirnrinde entstehenden langsamen Oszillationen durch elektrische oder akustische Stimulation direkt verstärken. So kann dem schlafenden Gehirn der Rhythmus der slow oscillations durch die Stimulation der Hirnrinde mit entsprechend pulsierenden, schwachen elektrischen Potentialfeldern gewissermaßen aufgezwungen werden.

          Gezielte Manipulation?

          Erste Studien an Gesunden und an älteren Patienten im Vorstadium einer Demenz zeigen, dass diese Stimulation die akute Langzeitgedächtnisbildung signifikant verbessert, wenn sie während endogener Tiefschlafphasen durchgeführt wird. Das recht bescheidene Ausmaß dieser Effekte könnte seinen Grund darin haben, dass dieses Verfahren dem Gehirn den Rhythmus von außen aufoktroyiert, ohne Rücksicht auf die zentralnervöse Eigenaktivität zu nehmen. Neuere Entwicklungen, sogenannte „closed-loop“-Stimulationsverfahren, setzen daher auf ein intelligenteres, weil adaptives Timing der Hirnwellen-Stimulation, indem sie spontan auftretende slow oscillations im Schlaf-EEG „online“ detektieren. Sobald eine langsame Welle erscheint, wird ein kurzer Stimulus – das kann ein elektrischer Impuls oder ein leiser Ton sein – „in Phase“ mit dem spontanen Rhythmus der langsamen Oszillationen appliziert. Diese phasenabhängig präsentierten Stimuli wirken auf die langsamen Schwingungen wie auf eine Schaukel, der sie stets im richtigen Augenblick einen Schubs verpassen, so dass sie an Amplitude und Dauer gewinnen. Versuche an gesunden Probanden belegen, dass solche Closed-loop-Stimulationstechniken den Schlaf-Gedächtniseffekt sehr deutlich verstärken. Zwar befindet sich dieser Ansatz derzeit noch in einer frühen Entwicklungsphase, sein immenses Potential ist allerdings schon jetzt erkennbar. Neben dem slow oscillation-Rhythmus schwingt das Gehirn in weiteren Rhythmen, welche spezifische kognitive Leistungen unterstützen, wie etwa dem mit Aufmerksamkeitsprozessen verbundenen Theta-Rhythmus. Die Closed-loop-Stimulation dieser Rhythmen könnte eine sehr viel gezieltere und wahrscheinlich auch nebenwirkungsärmere Einflussnahme auf diese Abläufe ermöglichen als traditionelle pharmakologische Interventionsmethoden.

          Noch spannender ist ein Forschungsansatz, der darauf abzielt, bestimmte Inhalte des Gedächtnisses im Schlaf zu verstärken oder abzuschwächen. Dieser Ansatz macht sich zunutze, dass der Replay hippocampaler Gedächtnisrepräsentationen im Tiefschlaf künstlich herbeigeführt werden kann, indem ein „Reminder“, ein mit dem Lernmaterial assoziierter Erinnerungsreiz, erneut dargeboten wird. Wenn Versuchsteilnehmer deutsch-russische Vokabeln lernen und ihnen im darauffolgenden Tiefschlaf jeweils das deutsche Wort erneut präsentiert wird, prägen sich ihnen diese Vokabeln vergleichsweise besser ein. Als Reminder bieten sich insbesondere Gerüche an, die beim Lernen sowie im späteren Tiefschlaf dargeboten werden, da sie den Schlaf noch weniger stören als leise akustische Stimuli. Die gezielte Verstärkung spezifischer Lerninhalte im Schlaf eröffnet ungeahnte Möglichkeiten des „cognitive enhancement“ und ist prinzipiell in jeglichem schulischen Kontext vorstellbar. Die Vorgabe von Erinnerungsreizen im Schlaf könnte sogar die gezielte Löschung unerwünschter oder belastender Erinnerungen erlauben, indem sie Prozesse der Extinktion (das heißt eines therapeutisch induzierten Verlernens) verstärkt.

          Selbst völlig neue Lernprozesse können durch „Reminder“-Darbietungen im Tiefschlaf in Gang gesetzt werden. Probanden, die gelernt hatten, auf einen Ton mit Anzeichen von Angst zu reagieren, verlernten diese Angstreaktion, wenn derselbe Ton während anschließender Tiefschlafphasen erneut dargeboten wird. Es steht zu erwarten, dass sich durch eine solche im Schlaf hervorgerufene Extinktion von Reaktionsmustern, die unerwünschte Verhaltensweisen steuern, auch der Erfolg von Suchttherapien bei Rauchern, Alkoholikern oder Fettleibigen substantiell steigern lässt. Allerdings steckt die Entwicklung derartiger schlafbezogener Interventionsstrategien, die Gedächtnisinhalte gezielt löschen oder verstärken, noch in den Kinderschuhen. Vieles scheint möglich, und es ist zu früh, um Grenzen des Machbaren zu definieren. Die Idee, verhaltensabträgliche Erinnerungen im Schlaf zu entfernen – gleichsam wie maligne Tumoren unter Narkose –, ist allerdings für viele Psychotherapeuten ungeheuer attraktiv und befeuert momentan die Forschung. Es ist absehbar, dass aus dem vielversprechenden experimentellen Ansatz der Reprogrammierung von Gedächtnis im Schlaf in naher Zukunft ein im klinischen wie pädagogischen Rahmen nutzbares Interventionsinstrument entwickelt wird.

          Die Erwartungen an die Neurowissenschaften, aber auch die Versprechungen der Hirnforschung selbst sind hoch. Aber was kann sie wirklich? In dieser Artikelserie stellen wir die Frage nach Erfolgen und Möglichkeiten, aber auch Rückschlägen und Grenzen der modernen Neurowissenschaften in gesellschaftlich interessierenden Bereichen. Basierend auf einer Vortragsreihe, die in Frankfurt von der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung als größtem privaten Förderer der Hirnforschung organisiert wird, publizieren wir in losen Abständen Beiträge führender Hirnforscher zu den Themen Sprache, Technik, Wirtschaft, Krankheit, Kunst, Denken, Musik, Bewusstsein, Gefühle, Schule, Gedächtnis und Psyche.

          Jan Born ist Direktor des Instituts für Medizinische Psychologie und Verhaltensneurobiologie an der Universität Tübingen. Sein Forschungsschwerpunkt betrifft die Dynamik der Gedächtnisbildung in biologischen Systemen, insbesondere die Rolle des Schlafes. Er ist Mitglied der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften sowie der Nationalen Akademie der Wissenschaften - Leopoldina. Für seine Forschung wurde er im Jahr 2010 mit dem Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft ausgezeichnet.

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