Dienstag, März 28, 2023

Tiefschlaf verbessern, um langfrisitig die Lernfähigkeit des Gehirns zu erhalten

Tiefschlaf ist für die Lernfähigkeit des Gehirns sehr wichtig, das Erlernen von Aufgaben am Folgetag kann durch Störungen sehr beeinflusst werden.

Der Tiefschlaf ist eine Phase des Schlafes, die normalerweise bei jungen Erwachsenen etwa ein Viertel der Schlafzeit ein, wobei der Anteil mit zunehmenden Alter zurückgeht. Unter dem Strich befinden wir uns etwa 2 Stunden am Tag im Tiefschlaf. Unlängst konnten Schweizer Wissenschaftler einen kausalen Zusammenhang zwischen Tiefschlaf und Lernfähigkeit des Gehirns vor allem im Zusammenhang mit dem Erlernen von motorischen Aufgaben zeigen. Dazu wurde eine neue, nicht-invasive Methode entwickelt, um den Tiefschlaf des Menschen gezielt beeinflussen zu können. Dabei zeigte sich, dass die Synapsen im Gehirn den Tiefschlaf brauchen, um die Nervenzellaktivitäten normalisieren und auf ein für die Lernfähigkeit notwendiges Niveau zurückkommen zu können.

 

Tiefschlaf verbessern, und langfristig die Lernfähigkeit des Gehirns erhalten

Eine schlaflose Nacht kann die mentale Leistungsfähigkeit am folgenden Tag sehr beeinträchtigen. Forscher gehen davon aus, dass der Tiefschlaf essenziell ist, um die Lernfähigkeit des Gehirns langfristig zu erhalten. Während wir wach sind, erhalten wir ständig Eindrücke aus unserer Umwelt. Wobei diese äußeren Einflüsse zahlreiche Verbindungen zwischen den Nervenzellen – den sogenannten Synapsen – erregen und zeitweise verstärken kann. Erst im Schlaf wird diese Erregbarkeit von Synapsen wieder normalisiert.  Ohne Erholungsphase bleiben viele Synapsen maximal erregt, so dass keine Veränderung im System mehr möglich ist und die Lernfähigkeit blockiert oder sehr eingeschränkt ist.

 

Kausaler Zusammenhang zwischen Tiefschlaf und Lernfähigkeit

Der Zusammenhang zwischen Tiefschlaf und Lernfähigkeit ist zwar schon lange bekannt und belegt. Nun konnten Forscher eine kausale Verbindung im menschlichen Gehirn zeigen. Dazu ist es gelungen, den Tiefschlaf von Versuchspersonen gezielt zu manipulieren. Mit einer neuen Methode haben die Wissenschaftler die Schlaftiefe einer bestimmten Hirnregion reduziert. In Folge konnten sie schließlich einen Kausalzusammenhang zwischen Tiefschlaf und Lernfähigkeit nachweisen.

In dem zweiteiligen Experiment mit sechs Frauen und sieben Männern mussten die Probanden drei unterschiedliche motorische Aufgaben bewältigen. Konkret ging es darum, tagsüber verschiedene Abfolgen von Fingerbewegungen zu erlernen. In der Nacht wurden die Hirnaktivitäten der Versuchsteilnehmer während des Schlafs mittels EEG überwacht. Während die Probanden am ersten Tag nach der Lernphase ungestört schlafen konnten, wurde ihr Schlaf am zweiten Versuchstag gezielt beeinflusst. Das geschah mittels akustischer Stimulation während der Tiefschlaf-Phase. Die Wissenschaftler lokalisierten hierzu genau jene Hirnregion, die für das Erlernen der erwähnten Fingerbewegungen. Und zwar war das der Motorcortex im Gehirn, der für die Steuerung der motorischen Fähigkeiten zuständig ist. Die Studienteilnehmer waren sich der Manipulation nicht bewusst, für sie war die Schlafqualität gleichbleibend.

 

Gestörter Tiefschlaf beeinträchtigte motorische Leistungsfähigkeit

In einem zweiten Schritt untersuchten die Forscher, wie sich die Beeinflussung des Tiefschlafs auf die motorischen Lernaufgaben am Folgetag auswirkt. Dazu beobachteten sie, wie sich die Lern- und Leistungskurven der Versuchsteilnehmer im Verlauf des Experiments veränderten. Erwartungsgemäss konnten die Teilnehmer die motorische Aufgabe vor allem am Morgen gut erlernen. Je später die Stunde, desto höher war die Fehlerquote.

Nach dem Schlaf verbesserte sich die Lernfähigkeit wieder deutlich. Nicht so aber nach der Nacht mit der manipulierten Schlafphase. Hier zeigten sich deutliche Leistungseinbussen und deutliche Schwierigkeiten beim Erlernen von Fingerbewegungen. Die Lernfähigkeit war ähnlich schwach wie am Abend des ersten Versuchstags. Durch die Manipulation des Motorcortex wurde die Erregbarkeit der entsprechenden Synapsen im Schlaf nicht herabgesetzt. In der noch immer stark erregten Hirnregion war die Lernfähigkeit gesättigt und liess keine Veränderungen mehr zu, so dass das Erlernen motorischer Fähigkeiten gehemmt war.

In einem Kontrollexperiment manipulierten die Forschenden bei gleicher Aufgabenstellung eine andere Hirnregion während des Tiefschlafs. Hier zeigten sich jedoch keinerlei Effekte auf die Leistungsfähigkeit der Versuchsteilnehmenden.


Literatur:

Sara Fattinger, Toon T. de Beukelaar, Kathy L. Ruddy, Carina Volk, Natalie C. Heyse, Joshua A. Herbst, Richard H.R. Hahnloser, Nicole Wenderoth, Reto Huber. Deep sleep maintains learning efficiency of the human brain. Nature Communications. xx May 2017. doi:10.1038/ncomms15405

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