Orientierung im Schlaf

Das Navigationssystem in unserem Gehirn ist auf Schlaf angewiesen. Umgekehrt verhindern Schlafstörungen die Konsolidierung von Gedächtnisspuren – weiss der Forscher Antoine Adamantidis.

Wie man sich an eine bekannte Umgebung erinnert und sich darin räumlich zurechtfindet, hängt stark von einem gesunden Schlaf ab. Zu diesem Ergebnis ist eine Forschungsgruppe aus dem Zentrum für Experimentelle Neurologie (ZEN) der Neurologischen Universitätsklinik am Inselspital unter der Leitung von Prof. Dr. med. Antoine Adamantidis gekommen. Im Mai letzten Jahres konnten die Forscherinnen und Forscher die Resultate ihres erfolgreichen Experiments in der Fachzeitschrift «Science» veröffentlichen. Das Projekt wurde unterstützt vom Inselspital und von der Universität Bern, vom Schweizerischen Nationalfonds, dem Human Frontier Science Program und dem European Research Council (ERC).

Das Gehirn speichert neue Informationen in unterschiedlichen «Sparten» (etwa räumlich oder emotional) und verfestigt diese später zu abrufbaren Erinnerungen. Allerdings ist wenig über den genauen Prozess dieser Gedächtnisbildung bekannt. In einem Modell bewiesen die Berner Forscherinnen und Forscher erstmals, dass die Tiefschlafphase (sog. REM-Schlaf) direkt an der Bildung von räumlichen Erinnerungen beteiligt ist.

«GPS» im Hirn ist störanfällig
Seit dem Medizinnobelpreis 2014 ist bekannt, aus welchen Schaltkreisen das «GPS» in unserem Hirn gebildet ist. Mittels sogenannter Optogenetik* gelang es Prof. Adamantidis, in einem Mausmodell sehr selektiv genau diese Schaltkreise im REM-(«Traum»-)Schlaf zu unterbrechen. War das «GPS» im Schlaf aktiv, dann wurden erlebte Informationen des Tages erfolgreich in der Erinnerung abgespeichert. War der Navi-Schaltkreis jedoch inaktiv, gingen die Informationen verloren: Die Tiere erinnerten sich am nächsten Tag nicht mehr an eine bereits bekannte Umgebung.

Ob der Schlaf für das Gedächtnis essenziell ist, diskutieren Neurologinnen und Neurologen seit Jahren. Die Frage konnte bislang auch deswegen nicht beantwortet werden, weil in Gedächtnisstudien klassischerweise Schlafentzug eingesetzt wird. Zu wenig Schlaf ändert allerdings das Stresslevel sowie hormonelle Faktoren, die das Gedächtnis beeinflussen. Daher konnte man nicht beobachten, wie die normale Bildung von Erinnerungen vor sich geht. Antoine Adamantidis Studie zeigt nun durch einen sehr kontrollierten Aufbau am einfachen Modell einen direkten Zusammenhang zwischen REM-Schlaf und Gedächtnisformierung, ohne die Schlafdauer oder die Schlafqualität einschränken zu müssen.

Ein anderer Aspekt der Schlafforschung am ZEN befasst sich mit Mechanismen im Gehirn, die den Schlaf-Wach-Zyklus steuern. So entdeckte Prof. Adamantidis Forschergruppe Ende 2015 eine Art «Aufwachschalter»: Durch die Aktivierung eines Schaltkreises zwischen zwei Regionen des Zwischenhirns – dem Hypothalamus und dem Thalamus – wird der leichte Schlaf unterbrochen, was zu einem raschen Aufwachen führt. Das Folgeprojekt zum Aufwachmechanismus («Opto-Sleep: All-optical deconstruction of thalamic control of sleep-wake states») erhielt vom Europäischen Forschungsrat eine Förderung von 2 Mio. CHF für die nächsten fünf Jahre.

Schlechter Schlaf als Vorbote
Medizinerinnen und Mediziner betrachten die Qualität unseres Schlafes zunehmend auch als Indikator für unterliegende Erkrankungen. So wird schlechter Schlaf – neben den unmittelbaren negativen Auswirkungen auf das Hirn, den Stoffwechsel und das Herz – neu auch mit dem Beginn neurologischer Erkrankungen wie etwa Alzheimer oder Parkinson assoziiert. Es ist also möglich, dass bereits leichte Änderungen in der Schlafqualität Ärztinnen und Ärzten künftig als eine Art Frühwarnsystem dienen könnten.

Doch zunächst möchte die Berner Forschergruppe, welche im BENESCO-Netzwerk mitwirkt, mehr über das Zusammenspiel verschiedener Hirnareale herausfinden: «Bisher haben wir uns auf einzelne Schaltkreise konzentriert, um kausale Zusammenhänge exakt beschreiben zu können», so Prof. Adamantidis. «Jetzt geht es uns um eine ganzheitliche Sichtweise, um den Netzwerkverbund. Denn das fehlt auf unserem Gebiet bislang noch. Es ist ein bisschen wie mit einer Jazzband: Die Melodie des Saxophons allein ist schön – aber erst das Zusammenspiel aller Instrumente macht die Faszination aus.»

*Kontrolle von einzelnen, zuvor genetisch programmierten Hirnzellen mittels Lichtimpulsen, vergleichbar mit einem «An-Aus-Schalter».

Studie:
Causal evidence for the role of REM sleep theta rhythm in contextual memory consolidation.
Science 13 May 2016: Vol. 352, Issue 6287, pp. 812-816, DOI: 10.1126/science.aad5252

benesco.ch