Wartungsarbeiten Das passiert während des Schlafens im Gehirn

Obwohl wir ihm einen grossen Teil unserer Zeit widmen, ist der Schlaf in vielerlei Hinsicht immer noch ein Mysterium. Warum ist er überhaupt so wichtig? Forscher aus den USA haben sich dieser Frage nun genähert.

Wenn wir dauerhaft zu wenig Nachtruhe bekommen, schlägt das nicht nur auf die Stimmung, sondern kann auch ernsthafte Folgen für die Gesundheit haben. So führt kurzfristiger Schlafentzug zu einer verringerten Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentrationsproblemen, während chronische Schlafprobleme mit Depressionen, Übergewicht, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und einem geschwächten Immunsystem in Verbindung gebracht werden.

Umso wichtiger ist die Frage, welche Funktionen der Schlaf eigentlich erfüllt. US-amerikanische Forscher sind dem nun auf den Grund gegangen. Ihr Fazit: Während Schlaf in der frühen Kindheit wichtig für Lernprozesse im Hirn ist, steht später dessen Reparatur im Fokus. Das berichten die Wissenschaftler im Fachblatt «Science Advances».

60 Studien analysiert

Die Forscher der Universitäten von Texas und Kalifornien sowie des Santa Fe Instituts um die Mathematikerin Junyu Cao haben eine statistische Analyse mit den Daten aus mehr als 60 Schlafstudien vorgenommen, die sowohl Menschen als auch Säugetiere umfassten. Sie werteten Daten zur Gesamtschlafdauer, Zeiten in verschiedenen Schlafphasen sowie zu Gehirn- und Körpergrösse aus.

Das Team, bestehend aus Neurologen, Biologen und Statistikern, entwickelte daraus ein Modell, das erklärt, warum sich die Schlafzeit über verschiedene Spezies hinweg verringert, je grösser das Gehirn wird.

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Konkret identifizierten die Forscher einen Punkt, der beim Menschen im Alter von 2,4 Jahren eintritt und ab dem sich die Funktion der Nachtruhe fundamental verändert: von Reorganisation zur Reparatur. Das passt zu den Ergebnissen früherer Studien, die mehrere wichtige Übergänge in der Gehirnentwicklung bei Kindern zwischen zwei und drei Jahren belegten.

Bis zu diesem Alter wächst das Hirn rasant. Während der sogenannten REM-Schlafphase, die von raschen Augenbewegungen (Rapid Eye Movement) und Träumen gekennzeichnet ist, ist das Gehirn damit beschäftigt, Synapsen zu bilden und zu stärken. Das sind jene Strukturen, die die Nervenzellen miteinander verbinden und kommunizieren lassen.

Babys in der Tiefschlafphase nicht wecken

«Babys sollten während des REM-Schlafs nicht geweckt werden, da in ihren Hirnen wichtige Arbeit passiert, während sie schlummern», kommentiert Biologin und Koautorin Gina Poe in einer zur Studie veröffentlichten Mitteilung.

Nach etwa 2,4 Jahren verändere sich der Hauptzweck des Schlafes allerdings – und zwar rapide. Statt Synapsen aufzubauen, gehe es ab da und für den Rest des Lebens hauptsächlich um die Wartung und Reparatur des Gehirns. Denn tatsächlich sei eine gewisse neurologische Schädigung des Hirns während der Wachstunden bei Menschen und Tieren normal. Schlaf helfe, diese Schäden zu reparieren – wie bei U-Bahnen, die nachts gewartet und repariert würden, um den Verkehr tagsüber nicht zu behindern, erklärt der theoretische Physiker und Koautor Geoffrey West.

Jene Wartungsarbeiten passierten hauptsächlich während des Nicht-REM-Schlafes. Entsprechend nehme dessen Anteil ab einem Alter von 2,4 Jahren beim Menschen zu, während die Schlafdauer insgesamt abnehme. So würden Neugeborene etwa 50 Prozent ihres Schlafes in der REM-Phase verbringen, während dieser Anteil im Alter von zehn Jahren auf 25 Prozent falle und bei Menschen über 50 Jahren schliesslich bei 15 Prozent liege.

«Schlaf ist so wichtig wie Nahrung»

Klar ist, dass Schlaf überlebenswichtig ist: Dies belegte spätestens das Experiment des Schlafforschers Allan Rechtschaffen, der in den 1980er-Jahren zeigte, dass Ratten, die dauerhaft vom Ruhen abgehalten wurden, nach wenigen Wochen starben.

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«Schlaf ist so wichtig wie Nahrung», fasst Biologin Poe zusammen. «Und es ist erstaunlich, wie gut der Schlaf den Bedürfnissen unseres Nervensystems entspricht. Von Quallen über Vögel bis hin zu Walen schläft jeder. Während wir schlafen, ruht sich unser Gehirn nicht aus.»

Mäuse schlafen fünfmal länger als Elefanten, Babys brauchen mehr Schlaf als Erwachsene und bei Delfinen und Zugvögeln schläft abwechselnd immer nur eine Hirnhälfte, während die andere wacht. All jene Phänomene gehören zu den Mysterien, welche die Wissenschaft teilweise immer noch vor Rätsel stellen.