Der nächtliche Schlaf kann überschüssige neuronale Vernetzungen aufräumen und so das Signalrauschen verringern. Ein vorteilhafter Effekt – jedoch möglicherweise nicht bei Depression.
Nach einer Nacht Schlafentzug lassen sich im Gehirn von Menschen vermehrt Biomarker für synaptische Verbindungen zwischen Nervenzellen nachweisen. Dies zeigt eine neue Studie von Forschern um Prof. David Elmenhorst vom Institut für Neurowissenschaften am Forschungszentrum Jülich. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schlaf wichtig ist, um diese Biomarker abzubauen und so das Gleichgewicht im Gehirn wiederherzustellen. Ähnliche Zusammenhänge wurden bisher nur im Tiermodell nachgewiesen. Die Studie ist jetzt in der Fachzeitschrift PLOS Biology erschienen.
Bisher wissen Schlafforscher nicht genau, warum Menschen und Tiere schlafen. Eine Annahme ist, dass Schlaf notwendig ist, um die synaptischen Verbindungen zwischen Nervenzellen im Gehirn, die im Wachzustand stärker werden, wieder zu reduzieren und so das Gleichgewicht zwischen den Nervenzellen im Gehirn wiederherzustellen. So lautet eine gängige Hypothese in der Schlafforschung, dass im Wachzustand fortlaufend neue Reize und Erfahrungen verarbeitet und Lernprozesse in Gang gesetzt werden und es dadurch zu einer Zunahme der synaptischen Verbindungen im Gehirn kommt. Es wird vermutet, dass das Gehirn dadurch mehr Energie braucht und das Signal-Rausch-Verhältnis in den neuronalen Netzwerken abnimmt, sodass sich die Informationsaufnahme und das Lernen mit zunehmender Wachzeit verschlechtern.
„Nach einer gängigen Annahme der Schlafforschung, der Hypothese der synaptischen Homöosthase, dient der anschließende Schlaf dazu, die Zunahme der synaptischen Verbindungen wieder zu normalisieren und die synaptische Aktivität auf ein energetisch und funktionell effizientes Niveau zu senken“, erläutert Elmenhorst. Dadurch, so wird weiter angenommen, werden auch der Energieverbrauch reduziert, die Homöosthase im Gehirn wiederhergestellt und die neuronalen Netzwerke wieder effizienter gemacht. Belege für diese Hypothesen wurden bisher jedoch nur im Tiermodell gefunden.
Um diese Zusammenhänge auch bei Menschen zu untersuchen, erfassten Elmenhorst und sein Team in der aktuellen Studie die Menge des synaptischen Vesikel-Glycoproteins 2A (SV2A) – einem Biomarker für die Synapsen im Gehirn – mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET). „SV2A ist ein Protein, das sich in nahezu allen synaptischen Vesikeln des Gehirns befindet. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Regulation der Freisetzung von Neurotransmittern und damit bei der Kommunikation zwischen Nervenzellen. Bislang gilt es nicht als direkter Regulator für Schlaf oder Wachheit“, erläutert Elmenhorst. „Für unsere Studie war SV2A vor allem interessant, weil es sich mit der PET-Bildgebung quantifizieren lässt und weil es als Marker für synaptische Strukturen beziehungsweise synaptische Verfügbarkeit gilt.“ Ein Vorteil der PET-Messungen ist, dass sich damit Veränderungen im gesamten Gehirn untersuchen lassen.
In die Studie wurden 40 gesunde Probanden im durchschnittlichen Alter von 27,5 Jahren (Standardabweichung: 6,5 Jahre; Altersbereich: 20 bis 45 Jahre) einbezogen. 14 Teilnehmer waren weiblich, 26 männlich. Bei allen Probanden wurde an zwei aufeinander folgenden Tagen ein PET-Scan durchgeführt. Dabei wurden sie per Zufall auf zwei Gruppen aufgeteilt, in denen jeweils zunächst eine Baseline-Messung durchgeführt wurde. Vor der zweiten Untersuchung hatte die eine Hälfte der Probanden eine Nacht lang nicht geschlafen und war insgesamt etwa 28 Stunden lang wach gewesen, wobei die Messung etwa vier Stunden nach dem Aufwachen durchgeführt wurde. Die andere Hälfte der Probanden (Kontrollgruppe) hatte vor der zweiten Untersuchung normal geschlafen. Beide Gruppen unterschieden sich nicht in ihren demographischen Merkmalen.
Die Auswertung ergab, dass Probanden, die 28 Stunden lang nicht geschlafen hatten, im Vergleich zur Kontrollgruppe in mehreren Regionen des Gehirns signifikant höhere SV2A-Werte hatten. So war das Protein im Hippocampus um 5,6 Prozent, im Thalamus um 4,6 Prozent und im parietalen Cortex (Parietallappen) um 3,2 Prozent erhöht. Der Hippocampus ist eine Region, die für Lernen und Gedächtnis wichtig ist, der Thalamus gilt als wichtige Schaltstelle für den Austausch von Informationen im Gehirn. Weiterhin war SV2A im Striatum, im okzipitalen Cortex (Okzipitallappen) und im temporalen Cortex (Temporallappen) signifikant erhöht. Dagegen wurde im frontalen Cortex (Frontallappen) und im Cingulum keine signifikante Erhöhung gefunden.
Weiterhin untersuchten die Wissenschaftler, was im Gehirn passiert, wenn die Probanden nach dem Schlafentzug zwei Stunden lang schlafen durften. Sie stellten fest, dass der Anstieg von SV2A im Gehirn positiv mit einem erhöhten Anteil an langsamwelligem Schlaf korrelierte. Dieser ist durch große, langsame Wellen im Elektroenzephalogramm (EEG) gekennzeichnet und gilt als Indikator für Tiefschlaf und das Schlafbedürfnis (Schlafdruck). Der Schlafdruck nimmt mit zunehmender Wachzeit zu und wird durch Schlaf wieder verringert.
Zwischen der Zunahme von SV2A und der Leistung in kognitiven Tests sowie der Schläfrigkeit der Probanden wurden keine signifikanten Zusammenhänge gefunden. Allerdings war Schlafentzug mit einer signifikant geringeren Leistung in kognitiven Tests und einer signifikant höheren Schläfrigkeit verbunden.
SV2A ist zwar nur ein stellvertretendes Maß für Verbindungen zwischen Nervenzellen im Gehirn. Zudem wurde nur eine leichte Erhöhung von SV2A gefunden. Dennoch stützen die Ergebnisse die Hypothese, dass Schlaf dazu beiträgt, das synaptische Gleichgewicht im Gehirn wiederherzustellen. Außerdem legen sie nahe, dass ein Zusammenhang zwischen dem Schlafbedürfnis und dem Aufbau von Verbindungen zwischen Nervenzellen besteht.
„Während einer verlängerten Wachzeit verarbeitet das Gehirn weiterhin Reize und Informationen“, erläutern die Autoren. „Unsere Studie zeigt, dass ein Marker für synaptische Dichte nach ungefähr 28,5 Stunden Wachheit in mehreren Regionen des Gehirns erhöht ist. Das legt nahe, dass Schlafmangel nicht nur zu Müdigkeit führt, sondern auch mit messbaren Veränderungen der Verbindungen zwischen Nervenzellen einhergeht.“
Insgesamt wird angenommen, dass Schlaf eine selektive Konsolidierung wichtiger Gedächtnisinhalte ermöglicht. „Das bedeutet, dass im Schlaf einige, für Lernen und Gedächtnis relevante Verbindungen stabilisiert oder gezielt verstärkt werden, während viele andere synaptische Verbindungen abgeschwächt werden“, erläutert Elmenhorst. Die Gesamtbilanz könne dann dennoch in Richtung einer synaptischen „Renormalisierung“ gehen.
„Nach unserem Kenntnisstand handelt es sich um die erste Längsschnittstudie beim Menschen, die mithilfe von PET-Bildgebung schlafbedingte Veränderungen der synaptischen Dichte erfasst hat“, sagt der Wissenschaftler. Die Ergebnisse würden daher eine wichtige Brücke zu Erkenntnissen aus tierexperimentellen und zellbiologischen Studien schlagen, in denen ähnliche Zusammenhänge beobachtet wurden.
Auch bei anderen Neurotransmittern wurden Zusammenhänge zwischen der Wachzeit, der synaptischen Dichte und einer Zunahme von langsamwelligem Schlaf beobachtet. So war in einer Studie mit Menschen ein Anstieg der Dichte von Glutamat-Rezeptoren nach Schlafentzug positiv mit dem Tiefschlaf-Anteil am darauf folgenden Schlaf korreliert. In einer anderen Studie wurde beobachtet, dass die Verfügbarkeit von Adenosin A1-Rezeptoren nach Schlafentzug erhöht war und sich nach anschließendem Erholungsschlaf wieder reduzierte. Auch bei Serotonin-2a-Rezeptoren wurde ein Anstieg nach Schlafentzug beobachtet.
„Die beobachteten Zusammenhänge deuten darauf hin, dass PET-Messungen, die für SV2A sensitiv sind, dynamische Veränderungen der synaptischen Organisation erfassen können, die vom Schlaf- oder Wachzustand abhängig sind“, so Elmenhorst. „Dabei ist bisher nicht klar, ob Veränderungen des SV2A-Signals strukturelle Veränderungen der Synapsen, funktionelle Anpassungen der synaptischen Vesikel oder eine Kombination aus beidem widerspiegeln.“ Dies müsse in weiteren Studien untersucht werden. Weiterhin könnte es interessant sein, in Studien mit einer größeren Teilnehmerzahl Unterschiede bei SV2A zwischen Männern und Frauen zu untersuchen. So wurden in der aktuellen Studie bei dem Protein zwar keine signifikanten Unterschiede zwischen Männern und Frauen beobachtet. Allerdings war bei Frauen nach Schlafentzug in mehreren Hirnregionen ein zahlenmäßig höherer Anstieg von SV2A zu beobachten als bei Männern.
Für die klinische Praxis ergäben sich aus den Ergebnissen zunächst keine unmittelbaren Konsequenzen, so Elmenhorst. Dagegen seien sie wichtig für die weitere Forschung und die Interpretation von Forschungsergebnissen. „Besonders relevant bei unseren Ergebnissen ist, dass sie zeigen, dass synaptische Marker im Gehirn bereits im Verlauf eines einzelnen Schlaf-Wach-Zyklus messbaren Schwankungen unterliegen“, sagt der Wissenschaftler. „Dieses Wissen ist wichtig für die Interpretation von Studien, die Unterschiede der synaptischen Dichte zwischen gesunden Probanden und Patienten untersuchen.“ So werde in Zukunft stärker berücksichtigt werden müssen, dass ein Teil der Unterschiede möglicherweise durch den aktuellen Schlafzustand oder die Schlafgeschichte beeinflusst werden könne.
Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, die Rolle des Schlafs für die synaptische Plastizität des Gehirns, die Bildung von Gedächtnisinhalten und die Regulierung der Stimmung besser zu verstehen. Dabei sei es wichtig, in Zukunft die Auswirkungen von längerfristigem, chronischem Schlafmangel auf die synaptischen Verbindungen zu untersuchen, schreiben die Autoren. So kann es bei chronischem Schlafmangel zu kognitiven Beeinträchtigungen, Entzündungsprozessen an den Nervenzellen und einer beschleunigten Neurodegeneration kommen.
Längerfristige, groß angelegte PET-Studien zu SV2A, die die Effekte von chronischem Schlafmangel und Erholungsschlaf untersuchen, könnten dazu beitragen, diese Zusammenhänge besser zu verstehen und herauszufinden, ob die Veränderungen reversibel oder irgendwann nicht mehr vollständig umkehrbar sind. Langfristig könnte dies für Erkrankungen wie Depressionen, Schizophrenie oder neurodegenerative Erkrankungen von Bedeutung sein. Denn hier spielen sowohl Störungen des Schlafes als auch Veränderungen bei den synaptischen Funktionen eine Rolle.
So wurden bei Patienten mit Depressionen, bei denen sowohl die Stimmung als auch der Schlaf beeinträchtigt sind, synaptische Defizite beobachtet. In Studien wurde nachgewiesen, dass SV2A bei Patienten mit mittelschweren bis schweren Depressionen reduziert ist. Weiterhin ist bekannt, dass sowohl schnell wirksame Antidepressiva wie Ketamin als auch Schlafentzug die Bindung von SV2A erhöhen. Dies könnte die positive Wirkung von therapeutischem Schlafentzug bei Patienten mit Depressionen auf die Stimmung erklären: Schlafentzug könnte durch eine Verstärkung der synaptischen Verbindungen den synaptischen Defiziten entgegenwirken. Die Ergebnisse legen nahe, dass es zwischen Schlaf, synaptischer Plastizität und der Stimmungsregulierung gemeinsame neurobiologische Mechanismen gibt.
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