Wenn wir träumen, sind unsere Gehirne mit geräuschvoller elektrischer Aktivität erfüllt, die fast identisch mit der des wachen Gehirns ist.
Forscher der University of California, Berkeley, haben jedoch ein Signal aus dem Rauschen herausgefiltert, das das Träumen oder den REM-Schlaf eindeutig definiert und die Überwachung von Menschen mit Schlafstörungen sowie von bewusstlosen Komapatienten oder solchen unter Narkose möglicherweise erleichtert.
Jedes Jahr unterziehen sich Hunderttausende von Menschen nächtlichen Untersuchungen, um Schlafstörungen zu diagnostizieren. Die meisten von ihnen werden an ein Elektroenzephalogramm (EEG) angeschlossen, um die Gehirnaktivität zu überwachen, während sie vom Wachzustand in den Tiefschlaf und weiter in den REM-Schlaf übergehen. EEGs allein können jedoch nicht feststellen, ob ein Patient wach ist oder träumt: Ärzte können den REM-Schlaf nur durch die Aufzeichnung der schnellen Augenbewegungen – daher der Name – und des Muskeltonus unterscheiden, da sich unser Körper in einer allgemeinen Lähmung entspannt, um uns daran zu hindern, unsere Träume auszuleben.
„Wir haben jetzt wirklich eine Metrik, die uns genau sagt, wann wir uns im REM-Schlaf befinden. Es ist ein universelles Maß für die Bewusstlosigkeit“, sagte Robert Knight, Professor für Psychologie und Neurowissenschaften an der UC Berkeley und Hauptautor einer Studie, die am 28. Juli in der Online-Fachzeitschrift eLife veröffentlicht wurde.
„Diese neuen Erkenntnisse zeigen, dass es in der elektrischen Statik des menschlichen Gehirns etwas ganz Einzigartiges gibt – eine einfache Signatur“, sagte Mitautor und Schlafforscher Matthew Walker, Professor für Psychologie und Neurowissenschaften an der UC Berkeley. „Und wenn wir diese einfache elektrische Signatur messen, können wir zum ersten Mal genau bestimmen, in welchem Bewusstseinszustand sich jemand befindet – träumend, hellwach, betäubt oder im Tiefschlaf.“
Die Fähigkeit, den REM-Schlaf mit Hilfe eines EEGs zu unterscheiden, wird es Ärzten ermöglichen, Menschen unter Narkose während einer Operation zu überwachen, um zu erforschen, wie sich narkosebedingte Bewusstlosigkeit vom normalen Schlaf unterscheidet – eine immer noch ungeklärte Frage. Das ist der Hauptgrund, warum die Erstautorin Janna Lendner, Assistenzärztin in der Anästhesiologie, die Studie initiiert hat.
„Wir sagen unseren Patienten oft: ‚Sie werden jetzt einschlafen‘, und ich war neugierig, inwieweit sich diese beiden Zustände tatsächlich überschneiden“, so Lendner, Postdoktorandin an der UC Berkeley in ihrem vierten Jahr der Facharztausbildung in der Anästhesiologie am Universitätsklinikum Tübingen. „Anästhesie kann einige Nebenwirkungen haben. Wenn wir ein wenig darüber lernen, wie sie sich überschneiden – vielleicht entführt die Anästhesie einige Schlafbahnen – könnten wir die Anästhesie langfristig verbessern.“
Schlaf beruhigt das Gehirn
Schlaf, so schrieb Walker in seinem 2017 erschienenen Buch „Warum wir schlafen“, „bereichert eine Vielzahl von Funktionen, einschließlich unserer Fähigkeit zu lernen, sich etwas zu merken und logische Entscheidungen und Entscheidungen zu treffen. Der Schlaf wirkt sich positiv auf unsere psychische Gesundheit aus, indem er unsere emotionalen Gehirnschaltkreise neu kalibriert, so dass wir die sozialen und psychologischen Herausforderungen des nächsten Tages mit kühlem Kopf meistern können.“
Unterbrochener Schlaf beeinträchtigt all dies und erhöht das Risiko medizinischer, psychiatrischer und neurologischer Erkrankungen.
Die meisten Schlafforschungen konzentrieren sich auf die synchronisierten, rhythmischen Wellen, die durch das neuronale Netzwerk des Gehirns fließen, von den langsamen Wellen, die den Tiefschlaf signalisieren, typischerweise in den ersten Stunden der Nacht, bis zu den höherfrequenten Wellen, die für den Traumschlaf typisch sind. Diese Wellen erheben sich über einer Menge allgemeiner Aktivität, auch 1/f genannt, die normalerweise als Rauschen abgetan und ignoriert wurde.
Aber Knight und sein Labor haben dieses „Rauschen“ seit einem Jahrzehnt untersucht und festgestellt, dass es nützliche Informationen über den Zustand des Gehirns enthält. So entdeckten er und Bradley Voytek, ein ehemaliger Doktorand, der heute an der UC San Diego lehrt, im Jahr 2015, dass die hochfrequente Aktivität mit dem Alter zunimmt. Lendner hat nun herausgefunden, dass ein schnelleres Abfallen der hochfrequenten Aktivität im Vergleich zur niederfrequenten Aktivität ein einzigartiges Merkmal des REM-Schlafs ist.
„Es gibt diese Hintergrundaktivität, die nicht rhythmisch ist, und wir haben das lange Zeit übersehen“, sagte Lendner. „Manchmal wurde sie als Rauschen bezeichnet, aber sie ist kein Rauschen, sondern enthält eine Menge Informationen, auch über das zugrunde liegende Erregungsniveau.
Da langsame Wellen mit der Hemmung von Aktivitäten im Gehirn in Verbindung gebracht werden, während hochfrequente Aktivitäten – wie die im Wachzustand – mit erregendem Verhalten in Verbindung gebracht werden, könnte der stärkere Abfall ein Hinweis darauf sein, dass viele Aktivitäten im Gehirn, einschließlich derjenigen, die mit Muskelbewegungen zusammenhängen, während des REM-Schlafs unterdrückt werden.
Die neue Messung quantifiziert das Verhältnis der Hirnaktivität bei verschiedenen Frequenzen – wie viel Aktivität es bei Frequenzen von etwa 1 Zyklus pro Sekunde bis 50 Zyklen pro Sekunde gibt – und bestimmt die Steigung, das heißt, wie schnell das Spektrum abfällt. Dieser 1/f-„Abfall“ ist im REM-Schlaf stärker als im Wachzustand oder unter Narkose.
Lendner fand dieses charakteristische Maß in der nächtlichen Hirnaktivität von 20 Personen, die über EEG-Kopfhautelektroden in Walkers Schlaflabor an der UC Berkeley aufgezeichnet wurden, sowie bei 10 Personen, denen Elektroden im Gehirn platziert wurden, um nach den Ursachen von Epilepsie zu suchen, was als notwendiger Prolog zu einer Hirnoperation zur Linderung von Anfällen gilt.
Sie zeichnete auch die Hirnaktivität von 12 Epilepsiepatienten und 9 anderen Patienten auf, die sich einer Wirbelsäulenoperation mit dem gängigen Vollnarkosemittel Propofol unterzogen.
Lendner untersucht jetzt die Hirnaufzeichnungen von Komapatienten, um zu sehen, wie sich ihre Hirnaktivität im Laufe eines Tages verändert und ob der 1/f-Abfall dazu verwendet werden kann, die Wahrscheinlichkeit des Auftauchens aus dem Koma anzuzeigen.
„Noch wichtiger ist, dass ich denke, dass es ein weiteres Maß für die Bewertung von Komazuständen ist“, sagte Knight. „1/f ist sehr empfindlich. Es könnte zum Beispiel aufklären, ob sich jemand in einem Zustand minimalen Bewusstseins befindet und sich nicht bewegt, oder ob er wacher ist, als man denkt.“
Referenz: Lendner, J. D., Helfrich, R. F., Mander, B. A., Romundstad, L., Lin, J. J., Walker, M. P., Larsson, P. G., & Knight, R. T. (2020). Ein elektrophysiologischer Marker für das Erregungsniveau beim Menschen. ELife, 9, e55092. https://doi.org/10.7554/eLife.55092