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Wechseljahre

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Gehirn aus dem Takt: Altern verändert die Feinabstimmung neuronaler Rhythmen im Schlaf

Studie zeigt Zusammenhang zwischen veränderter Kopplung neuronaler Rhythmen und Vergessen

Unser Gehirn arbeitet unentwegt, Tag und Nacht. Während wir schlafen, sorgt es dafür, dass tags­über Erlebtes im Gedächt­nis dauerhaft ver­füg­bar bleibt. Dieser Vorgang wird als Kon­so­li­dierung bezeich­net. Kon­so­li­dierung erfordert, dass langsame rhythmische Muster neuronaler Aktivität möglichst präzise mit schnellen Mustern gekoppelt werden, insbesondere im Tiefschlaf. Ein Forscher*innenteam am Max-Planck-Institut für Bildungs­forschung konnte nun zusammen mit Kolleg*innen von der Goethe-Universität Frank­furt und der Universität Fribourg in der Schweiz nachweisen, dass bei älteren Menschen, die mehr verges­sen, diese Koppelung aus dem Takt geraten ist. Die Ergeb­nisse der Studie, an der 34 jüngeren und 41 älteren Probanden teilnahmen, wurden in der Fachzeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.

Das Gehirn ist nicht nur im Wachzustand aktiv, sondern auch im Schlaf. Im Wach­zustand sorgt das Zusam­men­spiel der verschiedenen Bereiche des Gehirns dafür, dass wir uns in der Welt orien­tieren, Hand­lun­gen durchführen und Umwelt­ein­drücke aufnehmen können. Im Schlaf wird das Erlebte gesichtet, geordnet und gefestigt (oder auch vergessen). Deswegen ist der Schlaf für die lang­fristige Speicherung und Ver­net­zung neuerworbenen Wissens und somit für das Lernen unerlässlich.

Zentral für den Informationsaustausch im Schlaf ist die zeitlich abgestimmte Kommunikation des Hippo­kampus mit der Groß­hirn­rinde. Der Hippokampus ist eine tief im Gehirn liegende Struk­tur, die wesent­lich an der schnellen aber kurzfristigen Speicherung neuerworbenen Wissens und all­täglicher Erlebnisse beteiligt ist. Der Schlaf ermöglicht es nun, dass der Hippo­kampus die langsamer lernende Groß­hirn­rinde „trainiert“, indem das Neuerlernte immer wieder reaktiviert und allmählich fest eingeschrieben wird. Um erfolgreich zu sein, erfordert dieses „Training“ der Großhirnrinde die zeitlich präzise Koordination der Nerven­zell­akti­vität in den betei­ligten Gehirn­arealen.

„Durch die Beobachtung der Gehirnaktivität von Probanden im Schlaf konnten wir nun zeigen, dass sich Per­sonen, die mehr vergessen, in einem wesentlichen Punkt von anderen Personen unterscheiden: Die Aktivität der Nervenzellen im Hippokampus und in der Groß­hirn­rinde ist bei den vergesslicheren Personen weniger präzise gekoppelt“, sagt Beate Muehlroth, Erstautorin der Studie und Doktorandin im Forschungs­bereich Entwicklungspsychologie des Max-Planck-Instituts für Bildungs­for­schung (MPIB).

Die Aktivität des Gehirns während des Schlafs können Wissenschaftler*innen mithilfe der Elektro­enze­phalo­grafie (EEG) sichtbar machen. Das EEG misst die elektrische Aktivität, welche durch die Nerven­zellen während ihrer Tätigkeit erzeugt wird. Wach- und Schlafphasen sind dabei durch spezifische Muster rhyth­mischer Nervenzellaktivität gekennzeichnet. So sind das markan­teste Merk­mal von Tief­schlaf­phasen lang­same Rhythmen in einer Frequenz von circa 0,5 bis 4 Schwingungen pro Sekunde, die sich nahezu über die gesamte Großhirnrinde ausbreiten. Diese sogenannten „langsamen Wellen“ ermöglichen die Koor­di­na­tion neuronaler Informationsverarbeitung in weiten Teilen des Gehirns. Auf diese Weise entstehen Zeit­fens­ter, in denen Erinnerungen durch den Hippokampus reaktiviert und durch die Großhirnrinde optimal gelernt werden können.

Die Aktivierung des Informationsaustauschs zwischen dem Hippokampus und der Großhirnrinde ist im men­schlichen EEG durch schnelle rhythmische Nerven­zell­aktivität mit einer Frequenz von circa 12 bis 16 Schwingungen pro Sekunde gekennzeichnet. Wegen ihrer äußeren Ähn­lich­keit mit Spindeln, wie sie beim Spinnen von Wolle verwendet werden, werden diese Schwingungsmuster auch als „Schlafspindeln“ be­zeich­net. Ein optimales „Training“ der Großhirnrinde durch den Hippokampus ist dann möglich, wenn Schlaf­spindeln genau zu jenen Zeitpunkten auftreten, in denen die langsamen Wellen die Nerven­zellen der Großhirnrinde für eine effiziente Informationsverarbeitung vorbereitet haben.

Das Forscherteam hat nun die Lern- und Merkfähigkeit von 34 jüngeren Proband*innen im Alter zwischen 19 und 28 Jahren und 41 älteren Proband*innen im Alter zwischen 63 und 74 Jahren in einem speziell zu diesem Zweck entwickelten Gedächtnistest verglichen. Die Nacht zwischen dem Lernen und dem Gedächt­nistest am nächsten Tag haben die Teilnehmer*innen zu Hause verbracht. Dort wurde die Nerven­zell­akti­vität im Schlaf mit einem tragbaren Schlaf-EEG System erfasst. Zusätzlich wurde die Größe und Struktur gedächtnis- und schlafrelevanter Gehirnareale mittels Magnetresonanztomografie (MRT) im Labor ver­messen.

In den Ergebnissen zeigte sich wie erwartet, dass ältere Probanden*innen im Durchschnitt mehr vergaßen als jüngere Teilnehmer*innen. Zusätzlich zeigte sich, dass Probanden*innen mit geringerer Merkfähigkeit nachts während der Tiefschlafphasen eine weniger präzise Kopplung zwischen Schlafspindeln und lang­samen Wellen aufwiesen. Ähnlich wie bei einer Person, die immer knapp am Takt vorbei klatscht, ver­passten die Schlafspindeln den optimalen Zeitpunkt zum „Training“ der Großhirnrinde, so dass die Kon­so­lidierung der neu erlernten Inhalte weniger erfolgreich war.

„Wir haben festgestellt, dass die Kopplung der beiden Nervenzellrhythmen mit dem Alter tendenziell ab­nimmt und die Vergesslichkeit gleichzeitig zunimmt. Dies bedeutet zugleich: Diejenigen unter den älteren Probanden, die bei den Gedächtnistests gut abschnitten, zeigten auch ein Kopp­lungs­muster, das dem der jüngeren Probanden ähnelt“, sagt Markus Werkle-Bergner, Seniorautor und Projektleiter am Max-Planck-Institut für Bildungsforschung.

In weiteren Analysen konnte das Forscherteam zusätzlich zeigen, dass das Ausmaß der Kopplung von Schlaf­spindeln und langsamen Wellen mit der Struktur derjenigen Gehirnareale zusammenhängt, die an ihrer Erzeugung beteiligt sind. Dies gilt vor allem für den Hippokampus, für eine Region im Stirnhirn, die als medialer präfrontale Kortex bezeichnet wird, sowie für den Thalamus. Diese drei Regionen sind besonders stark von Alterungsprozessen betroffen. Es drängt sich daher die Vermutung auf, dass die Alterung schlaf- und gedächtnisrelevanter Gehirnareale Prozesse der langfristigen Speicherung neuerworbener Ge­dächt­nisinhalte beeinträchtigt. In wie weit altersabhängige Veränderungen von Schlafverhalten und Schlaf­physiologie langfristig die strukturelle Alterung des Gehirns beeinflussen, oder ob letztere kausal für beo­bacht­bare Schlafbeeinträchtigungen mit höherem Lebensalter verantwortlich sind, soll in zukünftigen Ver­laufs­studien näher betrachtet werden.

Zitiert nach einer Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Bildungs­forschung vom 27.02.2019

Weitere Informationen zu gesundem Schlaf finden Sie im Frauengesundheitsportal