Neurowissenschaftler haben gerade einen faszinierenden Zusammenhang zwischen Schlaf, Gedächtnis und Atmung entdeckt

By | January 24, 2024

In einer bahnbrechenden Studie entdeckten Forscher einen signifikanten Zusammenhang zwischen Atemmustern im Schlaf und der Fähigkeit des Gehirns, Erinnerungen zu festigen. Diese Entdeckung, veröffentlicht in Naturkommunikationverdeutlicht, wie der einfache Akt des Atmens eine grundlegende Rolle bei der Organisation von Gehirnaktivitäten im Zusammenhang mit dem Gedächtnis während des Schlafs spielen kann.

Die Motivation hinter dieser bahnbrechenden Forschung entsprang dem Wunsch, das komplexe Zusammenspiel verschiedener physiologischer Prozesse und der Gedächtniskonsolidierung während des Schlafs zu verstehen. Frühere Untersuchungen haben die entscheidende Rolle bestimmter Schlafphasen, insbesondere des NREM-Schlafs (Non-Rapid-Eye-Movement-Schlaf), bei der Stärkung des Gedächtnisses nachgewiesen.

Während des NREM-Schlafs unterliegt das Gehirn ausgeprägten Schwingungen oder rhythmischen Aktivitäten, von denen angenommen wird, dass sie für die Übertragung und Festigung von Erinnerungen von entscheidender Bedeutung sind. Die Komplexität der Regulierung dieser Prozesse bleibt jedoch ein Rätsel. Angesichts zunehmender Hinweise darauf, dass die Atmung die kognitiven Funktionen im Wachzustand beeinflusst, waren die Forscher neugierig, herauszufinden, ob die Atmung im Schlaf einen ähnlichen Einfluss haben könnte.

Um die Bedeutung der Studie zu verstehen, ist es wichtig, zwei Schlüsselkonzepte zu verstehen: schlafbezogene Schwankungen und Gedächtnisreaktivierung. Schlafbezogene Oszillationen beziehen sich auf die rhythmischen Aktivitäten des Gehirns während des Schlafs, hauptsächlich langsame Oszillationen und Schlafspindeln. Bei diesen Schwingungen handelt es sich nicht nur um zufällige Gehirnaktivitäten, sondern sie gelten als entscheidend für die Gedächtniskonsolidierung – den Prozess der Umwandlung neuer, potenziell fragiler Erinnerungen in stabile, langfristige Erinnerungen. Bei der Gedächtnisreaktivierung handelt es sich um ein Phänomen, bei dem im Wachzustand gebildete Erinnerungen im Schlaf „wiedergegeben“ und gestärkt werden, insbesondere während dieser spezifischen Schwankungen.

„Wir wissen sehr gut, dass die Funktion des Schlafgedächtnisses vom präzisen Zusammenspiel schlafbezogener Schwingungen abhängt. Andererseits gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass die Atmung die neuronale Aktivität und Wahrnehmung im Wachzustand beeinflusst. Daher waren wir neugierig, ob die Atmung während des Schlafs eine ähnliche Rolle spielen und den Schlafrhythmus und die nachfolgenden kognitiven Prozesse prägen könnte“, erklärte Studienautor Thomas Schreiner, Nachwuchsgruppenleiter Emmy Noether am Ludwig-Maximilians-Universität München . Psychologie.

Die in einem Schlaflabor durchgeführte Studie umfasste 20 gesunde Teilnehmer, die in zwei separaten Sitzungen überwacht wurden, wobei jede Sitzung mindestens eine Woche auseinander lag. Mit diesem Design sollten Übertragungseffekte von der ersten Sitzung auf die zweite vermieden werden.

Bevor sie in das Hauptexperiment eintauchten, wurden die Teilnehmer durch ein Eingewöhnungsschläfchen mit der Schlaflaborumgebung vertraut gemacht. Dieser Schritt war von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass sich die Teilnehmer wohl fühlten und um potenzielle Verstimmungen oder Ängste zu minimieren, die durch das Schlafen in einer ungewohnten Umgebung entstehen könnten.

Sobald das eigentliche Experiment begann, beschäftigten sich die Teilnehmer mit einer Reihe von Aufgaben. Sie begannen mit einer psychomotorischen Vigilanzaufgabe (PVT), einem Standardtest zur Beurteilung von Wachsamkeit und Reaktionszeiten. Anschließend folgte eine Gedächtnisaufgabe, bei der die Teilnehmer Assoziationen zwischen 120 Verben und Bildern von Objekten oder Szenen lernten. Diese Lernphase war von entscheidender Bedeutung, da sie die Grundlage für spätere Tests zur Gedächtniskonsolidierung bildete.

Das Herzstück des Experiments war die Nickerchenzeit. Die Teilnehmer hatten 120 Minuten Schlaf, in denen Gehirnaktivität, Muskelaktivität, Herzaktivität und Atmung aufgezeichnet wurden. Nach dem Nickerchen wurde die Aufmerksamkeit der Teilnehmer mithilfe des PVT neu bewertet und die Gedächtnisleistung erneut getestet.

Um die Daten zu analysieren, konzentrierten sich die Forscher auf bestimmte Phasen des Atemzyklus und deren Synchronisierung mit den im EEG aufgezeichneten Gehirnschwingungen. Sie suchten nach Mustern und Zusammenhängen und versuchten zu verstehen, wie diese physiologischen Prozesse miteinander verbunden sein könnten.

Ein wichtiges Ergebnis war der signifikante Zusammenhang zwischen Atemrhythmus und bestimmten Gehirnaktivitäten während des Schlafs, bekannt als langsame Oszillationen und Schlafspindeln. Langsame Schwingungen sind eine Art langsamer, tiefer Gehirnwellen, die während des erholsamen Schlafs auftreten. Schlafspindeln hingegen sind plötzliche Ausbrüche oszillierender Gehirnaktivität.

Die Forscher fanden heraus, dass diese beiden Arten von Gehirnaktivität untrennbar mit den Atemmustern synchronisiert waren. Langsame Oszillationen traten oft kurz vor dem Höhepunkt der Inspiration auf, während Schlafspindeln eher kurz nach dem Höhepunkt der Inspiration auftraten. Diese Synchronisation schien ein grundlegender Aspekt dafür zu sein, wie das Gehirn seinen Gedächtniskonsolidierungsprozess während des Schlafs organisiert.

Bei genauerer Betrachtung fanden Schreiner und seine Kollegen heraus, dass diese Kopplung zwischen Atemmustern und schlafbezogenen Gehirnschwingungen einen erheblichen Einfluss auf den Gedächtnisreaktivierungsprozess hatte. Die Stärke der Synchronisation zwischen der Atmung und diesen Gehirnschwingungen korrelierte mit dem Ausmaß, in dem Erinnerungen während des Schlafs reaktiviert wurden.

Im Wesentlichen beeinflusste die Art und Weise, wie die Teilnehmer während des Schlafs atmeten, die Effektivität der Gedächtnisverarbeitung. Dieser Befund legt nahe, dass der einfache Akt des Atmens eine Schlüsselrolle bei der Organisation der gedächtnisbezogenen Gehirnaktivität während des Schlafs spielen könnte.

Die Ergebnisse unterstreichen die Tatsache, „dass Schlaf sowohl für unser körperliches Wohlbefinden als auch für unsere kognitiven Funktionen wirklich wichtig ist“, sagte Schreiner gegenüber PsyPost. „Daher ist es sehr wichtig, eine gute Schlafhygiene aufrechtzuerhalten bzw. zu etablieren und bei Schlafstörungen (z. B. aufgrund schlafbezogener Atmungsstörungen) entsprechend zu handeln.“

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Ergebnisse der Studie korrelativ waren. Dies bedeutet, dass zwar ein Zusammenhang zwischen Atemmustern und Gehirnaktivität im Schlaf festgestellt wurde, dies jedoch nicht unbedingt einen direkten Ursache-Wirkungs-Zusammenhang bedeutet. Um die genaue Natur dieser Beziehung zu verstehen, sind weitere Untersuchungen erforderlich.

„Unsere verfügbaren Ergebnisse sind korrelativer Natur. Das bedeutet, dass wir nur den Zusammenhang zwischen der Atmung im Schlaf und schlafbezogenen Rhythmen beschreiben. Obwohl dies ein wichtiger erster Schritt war, wird es von entscheidender Bedeutung sein, die Kausalität dieses Zusammenhangs zu beurteilen (zum Beispiel durch direkte Manipulation der Atmung während des Schlafs und die Beurteilung ihrer Auswirkung auf den Schlafrhythmus).“

Darüber hinaus bestand die Stichprobe überwiegend aus Frauen mit einem Durchschnittsalter von etwa 21 Jahren. „Ein entscheidender Schritt wird darin bestehen, die Bevölkerungsgruppen in Bezug auf Alter und Schlafqualität vielfältiger zu gestalten“, sagte Schreiner.

Zukünftige Forschungsrichtungen sind zahlreich und vielversprechend. Eine Möglichkeit besteht darin, Interventionen zu erforschen, die die Gedächtniskonsolidierung während des Schlafs verbessern können und dabei auf die Beziehung zwischen Atmung und Gehirnrhythmen abzielen. Dies kann schwerwiegende Folgen haben, insbesondere für ältere Erwachsene, bei denen häufig die Atemfunktion und das Gedächtnis nachlassen.

„Ich bin immer wieder überrascht, wie viele Facetten dieser Beziehung wir immer noch nicht verstehen, obwohl wir auf einer Fülle früherer Arbeiten zu Schlaf und Gedächtnis aufgebaut haben“, sagte Schreiner gegenüber PsyPost. „Es gibt also noch viel zu tun.“

Die Studie „Atmung moduliert Schlafoszillationen und Gedächtnisreaktivierung beim Menschen“ wurde von Thomas Schreiner, Marit Petzka, Tobias Staudigl und Bernhard P. Staresina verfasst.

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