Schlaf festigt das Gedächtnis
Jahrgang 2006 Ausgewählte Artikel
Schlaf festigt das Gedächtnis
von Prof. Dr. Jan Born
Der Schlaf erfüllt viele
unterschiedliche Funktionen für den Organismus. Die
Verfestigung, d. h. die Konsolidierung von
Gedächtnisinhalten, könnte aber eine der wichtigsten
Funktionen des Schlafs darstellen. Dafür sprechen
neurowissenschaftliche Studien der letzten Jahre.
Außerdem kann der Einfluss des Schlafs auf das
Gedächtnis möglicherweise eines der wichtigsten
Charakteristika des Schlafs erklären, nämlich dass
wir im Schlaf das Bewusstsein verlieren. Es scheint so zu sein,
dass das Gehirn nicht gleichzeitig Information aufnehmen und
diese Information im Langzeitgedächtnis einspeichern kann.
Da die akute Verarbeitung von Informationen und deren
Abspeicherung im Gehirn in denselben neuronalen Netzwerken
stattfinden, beide aber miteinander unvereinbare Prozesse sind,
findet die eigentliche Einspeicherung der Information in das
Langzeitgedächtnis zu einer Zeit statt, in der das Gehirn
keine Informationen aufnehmen muss bzw. kann – im Schlaf.
Die Vermutung, dass der Schlaf das
Gedächtnis fördert, besteht bereits sehr lange,
allerdings ergaben sich entscheidende Fortschritte bei der
Erforschung dieses Zusammenhangs erst, seit die Psychologie ein
besseres Verständnis der Gedächtnisbildung
ermöglicht hatte. Grundsätzlich sind im Rahmen der
Gedächtnisbildung drei Phasen zu unterscheiden. Die erste
dieser Phasen, die „Enkodierung“, bezieht sich auf
den anfänglichen Lernprozess, die eigentliche Aufnahme der
Information, die dazu führt, dass eine erste, aber noch
sehr labile Repräsentation der aufgenommenen Information
in den neuronalen Netzwerken des Gehirns entsteht. Der
Enkodierung folgt die Phase der Konsolidierung. Da die frisch
enkodierten Gedächtnisspuren sehr zerbrechlich sind und
leicht zerfallen, wird die entsprechende Information schnell
vergessen. Längerfristiges Behalten erfordert daher einen
Vorgang, der die Gedächtnisspur verfestigt. Diese
Verfestigung geht wahrscheinlich gleichzeitig mit einer
Integration und Vernetzung der neu aufgenommenen Inhalte mit
bereits im Langzeitgedächtnis gespeicherten Informationen
einher. Das Konsolidieren und Behalten der
Gedächtnisinhalte ermöglicht schließlich den
dritten Teilprozess des Gedächtnisses, das Erinnern bzw.
den Abruf des gespeicherten Materials. Erst nach der klaren
experimentellen Trennung dieser Gedächtnisprozesse konnte
überhaupt gezeigt werden, dass der Schlaf einen Einfluss
auf die Konsolidierung von frisch aufgenommenen
Gedächtnisinhalten ausübt. Was tagsüber
aufgenommen und erlernt wird, wird längerfristig behalten,
wenn nach dem Lernen geschlafen wird. Wir haben dies etwa in
einer jüngeren Studie sehr schön demonstrieren
können, in der Schüler zwischen 16 und 18 Jahren
Vokabeln lernten und diese zwei Tage später wiedergaben.
Bei der Abfrage waren die Schüler dann am besten, wenn sie
die Vokabeln abends gelernt hatten und in der darauf folgenden
Nacht schliefen. Deutlich schlechter waren die Schüler,
wenn sie morgens gelernt hatten oder wenn sie in der ersten
Nacht nach dem abendlichen Lernen wach geblieben waren
(anschließend aber tagsüber und in der darauf
folgenden Nacht geschlafen hatten). Offensichtlich fördert
der Schlaf die Gedächtniskonsolidierung insbesondere dann,
wenn er relativ bald nach dem Lernen auftritt. Die Rolle des
Schlafs als Förderer der Gedächtniskonsolidierung
schließt selbstverständlich nicht seine allgemeine
Erholungsfunktion, die er auch auf Hirnfunktionen ausübt,
aus. Zu wenig Schlaf führt zu Konzentrationsmängeln
und damit auch zu schlechteren Lern- und Erinnerungsleistungen.
Schlaf fördert die
Gedächtnisbildung in unterschiedlichen
Gedächtnissystemen
In der Neuropsychologie unterscheidet man
zwischen verschiedenen Gedächtnissysteme, die in
unterschiedlichen Hirnstrukturen lokalisiert sind. Die bereits
angesprochenen Vokabeln werden im so genannten deklarativen
Gedächtnissystem abgespeichert, welches für das
Behalten von Fakten (Wissensgedächtnis) und die Erinnerung
an Episoden (z. B. an eine bestimmte Geburtstagsparty)
verantwortlich ist und insbesondere den im Inneren des
Schläfenlappens des Großhirns lokalisierten
Hippocampus benötigt. Ein zweites wichtiges
Gedächtnissystem ist das so genannte prozedurale
Gedächtnis, an dem in erster Linie neuronale Netzwerke in
der Hirnrinde und im Striatum beteiligt sind und das für
die Abspeicherung von sensorischen und motorischen Fertigkeiten
wie z. B. Fahrradfahren, Krawattebinden oder Schminken
essentiell ist, die man vor allem durch wiederholtes Üben
erlernt und sich einprägt. Schlaf fördert nicht nur
die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten im deklarativen
Gedächtnissystem, sondern auch im prozeduralen
Gedächtnis. Trainieren beispielsweise Teilnehmer an einem
Experiment am Tag vor einer regulären nächtlichen
Schlafperiode, so schnell und genau wie möglich eine
bestimmte Reihenfolge von Tasten auf einer Computertastatur zu
drücken, so können sie das bei einer Abruftestung,
die Tage später stattfindet, in der Regel nicht nur ebenso
gut wie am Ende der anfänglichen Trainingsperiode, sondern
sind noch etwas besser. Diese Leistungsverbesserung, die
gleichsam einen latenten, während des Behaltensintervalls
stattfindenden Lernprozess widerspiegelt, tritt aber nur dann
auf, wenn die Probanden in der Nacht nach dem Training
schlafen. Vergleichbare durch Schlaf induzierte
Leistungsverbesserungen lassen sich auch im deklarativen
Gedächtnissystem nachweisen. Wir haben beispielsweise
zeigen können, dass Probanden nach einer Schlafperiode
bestimmte Arten von Problemlöseaufgaben besser lösen
können als nach entsprechenden Wachperioden. Dabei handelt
es sich um eine Wirkung des Schlafs auf die
Gedächtnisbildung, weil der Schlaf die Einsicht in die
Lösung des Problems nur dann verbessert, wenn die
Probanden sich bereits vor der Schlafphase mit dem Problem
beschäftigt hat, d. h., wenn in den neuronalen Netzen des
Gehirns eine entsprechende Repräsentation der
Aufgabenstellung angelegt worden ist, auf die der Schlaf dann
einwirken kann.
Die Befunde, dass Schlaf zu einer
substantiellen Verbesserung von zuvor trainierten motorischen
Fertigkeiten führt und die Fähigkeit zur Einsicht in
die versteckten Strukturen eines Problems erhöht, machen
eines deutlich: Der im Schlaf ablaufende Konsolidierungsprozess
führt nicht einfach zu einer Verstärkung der
entsprechenden Gedächtnisspuren, sondern darüber
hinaus zu einer Reorganisation der entsprechenden
Gedächtnisrepräsentationen. In der Tat zeigen Studien
unter Verwendung so genannter bildgebender Verfahren wie der
funktionellen Kernspintomografie, dass der Schlaf zur
teilweisen Verlagerung der Gedächtnisinhalte in andere
neuronale Netzwerke führt, so dass die entsprechenden
neuronalen Gedächtnisspuren sich durch den Schlaf in
andere Hirnregionen verlagern können. Diese Befunde lassen
sich dadurch erklären, dass die Konsolidierung des
Gedächtnisses im Schlaf kein passives
„Einschleifen“ frisch erlernter Inhalte darstellt,
sondern ein aktiver Prozess ist, der auf einer Art
unterschwelligen Reaktivierung („replay“) der
frisch gelernten Gedächtnisinhalte beruht, die
während des Schlafes im Gehirn abläuft. Diese
Reaktivierung bleibt unterschwellig, weil sie nicht mit
entsprechendem Erleben verbunden ist und auch nicht, wie
häufig vermutet wird, mit Träumen einhergeht. Die im
Schlaf beobachtbaren Gedächtnisreaktivierungen
beschränken sich in der Tat auf neuronale Erregungsmuster,
die im Schlaf in genau derselben Form ablaufen, wie man sie im
Wachzustand in der vorausgehenden Lernphase beobachtet hat.
Deltaschlaf festigt deklarative
Gedächtnisinhalte, REM-Schlaf prozedurale und emotionale
Inhalte
Die Kernstadien des Schlafes sind der
REM-Schlaf (REM – „rapid eye movement“), der
mit Träumen assoziiert ist, und der Deltaschlaf (auch
Tiefschlaf oder „slow wave sleep“ genannt).
Während landläufig angenommen wird, dass frische
Gedächtnisinhalte vor allem im REM- oder Traumschlaf
erneut verarbeitet werden, zeigen neuere Arbeiten, dass beide
Kernschlafstadien an der Konsolidierung von
Gedächtnisinhalten mitwirken, dabei jedoch
unterschiedliche Funktionen erfüllen.
Gedächtnisinhalte wie gelernte Vokabeln und bewusste
Erlebnisse des Vortages, die im deklarativen
Gedächtnissystem abgespeichert werden, profitieren
insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, vom
Deltaschlaf, der den frühen Teil des nächtlichen
Schlafs dominiert. Demgegenüber profitieren Inhalte, die
nicht im deklarativen System abgespeichert werden, wie etwa
prozedurale motorische Fertigkeiten, aber auch die an bestimmte
Erlebnisse gekoppelten Emotionen, vor allem vom REM-Schlaf.
REM-Schlaf führt beispielsweise dazu, dass Probanden
aversive Bilder von Unfällen, die ihnen schon einmal
präsentiert worden sind, als verstärkt aversiv
empfinden, ein Befund übrigens, der der von Sigmund Freud
angenommenen kathartischen, also reinigenden Wirkung des
Traumschlafes widerspricht. Eher muss angenommen werden, dass
ein dauerhaftes „Vergessen“ traumatischer
Erlebnisse durch den Entzug von Schlaf und REM-Schlaf erreicht
werden kann.
Da der Schlaf Gedächtnisinhalte
verfestigt, führen Störungen des Schlafs zu
entsprechenden Einschränkungen der Gedächtnisbildung.
Patienten mit Insomnie zeigen einen verminderten Deltaschlaf.
Entsprechend wurde in ersten Studien mit diesen Patienten eine
verschlechterte Konsolidierung deklarativer
Gedächtnisinhalte beobachtet. Auch mit zunehmendem Alter
beobachtet man eine deutliche Abnahme vor allem des
Deltaschlafs, die bereits im mittleren Lebensalter von 50
Jahren deutlich wird. Vergleiche von jungen Menschen zwischen
20 und 30 Jahren mit solchen über 50 Jahren zeigen, dass
das Ausmaß der Konsolidierung deklarativer
Gedächtnisinhalte im Schlaf ganz eng mit der
regulären Ausprägung des Deltaschlafs verknüpft
ist – dies kann als weiterer Beleg für die
förderliche Wirkung ausreichenden Schlafs auf
Gedächtnisfunktionen aufgefasst werden. In den
allermeisten der hier vorgestellten Studien wurde die
Konsolidierungswirkung nur einer einzigen nächtlichen
Schlafperiode untersucht. Umso relevanter sind diese Befunde
für die Gedächtnisfunktion des Schlafes angesichts
der Tatsache, dass der Mensch jede Nacht schläft.
Quellen:
Backhaus J, Junghanns K, Born J, Hohaus K,
Faasch F, Hohagen F (2006) Impaired declarative memory
consolidation during sleep in patients with primary insomnia.
Biol Psychiatry 27: Epub ahead of print.
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Gais S, Haider H, Verleger R, Born J (2004) Sleep inspires
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Fischer S, Hallschmid M, Elsner AL, Born J
(2002) Sleep forms memory for finger skills. Proc Natl Acad Sci
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