Vom Lernen zur Wartung: Was während des Schlafes im Gehirn passiert

Schlaf ist zum Teil immer noch ein Mysterium. Warum ist er so wichtig, dass wir einen großen Teil unserer Zeit damit verbringen? US-Forscher sind der Frage nun auf den Grund gegangen.

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Etwa ein Drittel seines Lebens verbringt der Mensch mit Schlafen. Dauerhaft zu wenig Nachtruhe trübt nicht nur die Stimmung, sondern kann auch ernsthafte Folgen für die Gesundheit haben. Kaum geklärt ist aber bislang, warum wir eigentlich regelmäßigen Schlaf brauchen. US-amerikanische Forscher sind dem nun auf den Grund gegangen. Ihr Fazit im Fachblatt "Science Advances": Während Schlaf in der frühen Kindheit wichtig für Lernprozesse im Hirn ist, steht später dessen Reparatur im Fokus.

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.

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.

Schlafprobleme führen zu Depressionen und Übergewicht

Beim Menschen 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. Wissenschaftler der Universitäten von Texas und Kalifornien sowie des Santa Fe Instituts um die Mathematikerin Junyu Cao haben daher nun eine statistische Analyse mit den Daten aus mehr als 60 Schlaf-Studien 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. 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.

Gehirn bildet und stärkt Synapsen

Während des REM-Schlafs, der 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, welche die Nervenzellen miteinander verbinden und kommunizieren lassen. "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 das 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. "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." (dpa/fra)