08/11 2006

Schlaf festigt das Gedächtnis

Prof. Dr. med. 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. 

Born J, Rasch B, Gais S (2006) Sleep to remember. Neuroscientist, 12:410-24. 

Gais S, Lucas B, Born J (2006) Sleep after learning aids memory recall. Learn Mem 13:259-62. Wagner U, Gais S, Haider H, Verleger R, Born J (2004) Sleep inspires insight. Nature 427:352-355. 

Fischer S, Hallschmid M, Elsner AL, Born J (2002) Sleep forms memory for finger skills. Proc Natl Acad Sci USA 99(18):11987-11991.

Ausgabe-4-2006

Prof. Jan Born, Uniklinikum Lübeck


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. 
• Born J, Rasch B, Gais S (2006) Sleep to remember. Neuroscientist, 12:410-24. 
• Gais S, Lucas B, Born J (2006) Sleep after learning aids memory recall. Learn Mem 13:259-62. Wagner U, Gais S, Haider H, Verleger R, Born J (2004) Sleep inspires insight. Nature 427:352-355. 
• Fischer S, Hallschmid M, Elsner AL, Born J (2002) Sleep forms memory for finger skills. Proc Natl Acad Sci USA 99(18):11987-11991.


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