Die entscheidende Rolle des Schlafs bei der Bewahrung des Gedächtnisses

Jeder, der schlecht geschlafen hat, kann bestätigen, dass der Schlafmangel die Kognition, insbesondere das Gedächtnis, beeinträchtigt. Aber die Forscher wissen nicht wirklich warum, und Unbekannte wie diese erschweren das wissenschaftliche Verständnis von gedächtnisbedingten Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit und anderen Arten von Demenz.

Die meisten Forschungsergebnisse zeigen, dass Schlaf eine entscheidende Rolle bei der Bildung und Speicherung von Langzeiterinnerungen spielt. In bestimmten Schlafphasen, insbesondere in Phasen wie Rapid Eye Movement (REM) und Slow-Wave-Schlaf, scheinen verschiedene Arten von Erinnerungen in verschiedenen Gehirnregionen verarbeitet zu werden. Darüber hinaus hat der Schlaf eine weitere wichtige Funktion: Er gibt dem Gehirn die Möglichkeit, sich selbst zu reinigen. Yale-Forscher verfolgen verschiedene Ansätze, um zu verstehen, wie Schlaf unsere Erinnerungen prägt.

Wie sich episodische Erinnerungen bilden und entwickeln

George Dragoi, MD, PhDaußerordentlicher Professor für Psychiatrie und Neurowissenschaften an der Yale School of Medicine, untersucht, wie episodische Erinnerungen – Erinnerungen an bestimmte Ereignisse oder Erfahrungen – entstehen und sich entwickeln. Episodische Erinnerungen ergänzen das semantische Gedächtnis auf der Grundlage von Fakten und allgemeinen Informationen. Sie betreffen hauptsächlich Teile des Hippocampus und des Neokortex und erfordern zwei getrennte Phasen: Kodierung und Konsolidierung.

Phase 1: Speichercodierung

Während der Codierung stimulieren die Gehirnproben von der Außenwelt und codieren sie schnell im Inneren Sequenzen innerhalb von Neuronennetzwerken im Hippocampus. Dragoi sagte, dass diese verbundenen Neuronen, wenn sie aktiviert werden, nacheinander feuern und die Details der Erinnerung konkretisieren. Die Amygdala scheint diesen Erinnerungen oder Details irgendwann auf dem Weg eine emotionale Bedeutung beizumessen.

Phase 2: Gedächtniskonsolidierung

Bei der Konsolidierung, einem Prozess, von dem Forscher glauben, dass er während des Schlafs stattfindet, insbesondere im Tiefschlaf, werden codierte Sequenzen durch chemische Verbindungen in neue und bestehende neuronale Wissensnetzwerke integriert und zur Langzeitspeicherung im Neokortex abgelegt. Das bedeutet, dass Schlaf für die episodische Gedächtnisbildung und wahrscheinlich für die meisten Arten der Gedächtnisbildung unerlässlich ist. „Encoding ist sicherlich erforderlich, aber nicht ausreichend für [episodic] Gedächtnisbildung “, erklärte Dragoi. “Wenn verschlüsselte Informationen nach dem Kontakt mit neuen Erfahrungen nicht konsolidiert werden, werden Sie sich einfach nicht daran erinnern.”

Die entscheidende Rolle des Schlafs bei der Gedächtniskonsolidierung

Warum ist Schlaf so wichtig für die Konsolidierung? Möglicherweise, weil der Schlaf optimale Bedingungen für die Konsolidierung zu bieten scheint, da er Perioden mit reduzierter externer Stimulation und erhöhten Neurotransmitterspiegeln bietet, die die Kommunikation zwischen Hippocampus und Neokortex fördern.

Schlaf kann dem Gehirn auch Zeit geben, Platz für neue Erinnerungen zu schaffen, indem er die Stärke neuronaler Verbindungen entfernt oder verringert, die mit nicht mehr nützlichen Erinnerungen verbunden sind. Während der menschlichen Entwicklung entfernt ein Prozess namens Pruning überschüssige neuronale Verbindungen. „Wie bei einem Baum schneidet man Äste ab oder entfernt langfristig Verbindungen im Gehirn“, erklärt Dragoi. “Bei Erwachsenen ist die Struktur der Verbindungen bereits aufgebaut, und die Stärke dieser Verbindungen kann im Laufe der Zeit reduziert oder erhöht werden.”

Basierend auf seiner Arbeit und der anderer glaubt Dragoi, dass Schlaf diesen mentalen Aufräumprozess unterstützen kann, indem er die erhöhte neuronale Aktivität durch die Exposition gegenüber bestimmten Reizen reduziert und das homöostatische Gleichgewicht im Gehirn aufrechterhält. Er fügt hinzu, dass einige Studien auch zeigen, dass das Gehirn Vorlagen für Proteine ​​nach einer Art innerer Uhr zu produzieren scheint, dass diese Vorlagen jedoch ohne Schlaf nicht in tatsächliche Proteine ​​übersetzt werden. „Dies scheint das Schlafbedürfnis weiter mit einer gesunden synaptischen Funktion und Proteinproduktion zu verknüpfen“, schloss er, eine Erkenntnis, die weitreichende therapeutische Anwendungen haben könnte.

Abbau der Abfallstoffe des Gehirns während des Schlafs

Die Frage, wie Erinnerungen verloren gehen, bleibt ein Hauptaugenmerk der Gedächtnis- und Schlafforschung. Mit Techniken wie Magnetresonanztomographie (MRT) und Elektroenzephalographie (EEG), Helene Benveniste, MD, PhD, Professorin für Anästhesiologie, und ihre Kollegen haben herausgefunden, dass der Schlaf dem Gehirn kritische Zeit und Bedingungen geben kann, um Abfallmetaboliten zu entfernen. Die Akkumulation bestimmter Metaboliten im Gehirn, insbesondere Beta-Amyloid und abnorme Tau-Proteine, scheint das Risiko für kognitive Störungen wie zu erhöhen Alzheimer-Krankheit.

Benveniste sagte, dass Forscher einst dachten, der Hauptzweck des Schlafes sei es, Ruhe und Gedächtnisverarbeitung zu ermöglichen. „Nun, ich denke, wir verstehen, dass ein weiterer Zweck des Schlafs auch darin bestehen könnte, dem Gehirn Zeit zu geben, sich selbst zu reinigen“, sagte sie.

Wie die Schlafqualität das Alzheimer-Risiko beeinflussen kann

Im Jahr 2013 half Benveniste bei der ersten Beschreibung der glymphatisches System, ein Weg zur Abfallbeseitigung im Gehirn das wie das lymphatische System funktioniert, aber weitgehend auf Astroglia-Gehirnzellen beruht. Kurz gesagt, das glymphatische System ermöglicht es der Zerebrospinalflüssigkeit, in die Räume um die Arterien herum zu fließen, bevor sie durch Aquaporin-4 (AQP4)-Wasserkanäle in das Gehirngewebe gelangt, wo sie sich mit Flüssigkeiten und Stoffwechselabfällen um die Zellen herum vermischt und sich dann aus dem Gehirngewebe herausbewegt in den die Venen umgebenden Raum zur Beseitigung durch das Lymph- oder Kreislaufsystem.

Benveniste und andere haben Beweise dafür gefunden, dass eine gesunde glymphatische Funktion die Auswirkungen von Risikofaktoren reduzieren kann, die mit kognitiven Erkrankungen wie z Alzheimer-Krankheit durch Erleichterung der metabolischen Abfallbeseitigung im Gehirn. Eine Studie, an der sie 2018 arbeitete, kam zu dem Schluss, dass selbst eine Nacht Schlafentzug die Beta-Amyloid-Belastung im rechten Hippocampus von Erwachsenen erhöht.

Einige Studien, darunter mehrere von Benveniste mitverfasste Studien, zeigen auch, dass viele Menschen mit Alzheimer-Krankheit oder kognitiven Beeinträchtigungen durch vaskuläre Demenz oder Erkrankungen der kleinen Gefäße an einer glymphatischen Dysfunktion leiden. Das System scheint auch im Schlaf am effizientesten zu sein, insbesondere im Tiefschlaf, der auch als Tiefschlaf bekannt ist. “Bei weitem die größten Unterschiede, die wir bei den glymphatischen Transportraten gesehen haben, sind, wenn Menschen vom Wachzustand in den Schlaf wechseln”, erklärte Benveniste und fügte hinzu, dass Medikamente, die Erregungszustände manipulieren, wie Anästhetika, auch die glymphatische Funktion stark zu beeinflussen scheinen.

Faktoren, die den Kreislauf beeinflussen, scheinen auch die glymphatische Funktion zu beeinflussen, einschließlich der Pulsfrequenz, der Atemfrequenz und einiger Stoffwechselbedingungen. Benveniste und andere haben auch herausgefunden, dass sich die glymphatische Effizienz verbessert, wenn Ratten und andere Versuchstiere auf der Seite oder dem Rücken liegend schlafen. Sie stellte fest, dass diese Positionen bei vielen Tieren, einschließlich Menschen, die bevorzugte Schlafhaltung sind.

„Das finde ich klinisch sehr interessant“, sagte Benveniste. „Menschen auf der Intensivstation, die Probleme beim Schlucken oder beim Schutz ihrer Atemwege haben oder ein Hirntrauma haben, werden oft mit erhobenem Kopf sitzen gelassen – sogar während sie schlafen. Manchmal unterbrechen wir sogar häufig den Schlaf, um nach ihnen zu sehen.“ Mit einem besseren Verständnis des Schlafes und der glymphatischen Funktion, erklärte Benveniste, könnten Praktiken wie diese überarbeitet werden.

SLEEP-SMART zur Verbesserung der Schlafhygiene

Da die Auswirkungen des Schlafs auf das Gedächtnis immer deutlicher werden, untersuchen Forscher, wie sich Schlafinterventionen auf Elemente der Kognition auswirken, insbesondere auf Gedächtnisschwierigkeiten. Hilary Blumberg, MDder John and Hope Furth Professor für Psychiatrische Neurowissenschaften und Direktor des Mood Disorders Research Program von Yale, ist der leitende Forscher einer Studie, die untersucht, wie Verhaltenstechniken funktionieren den Schlaf verbessern, das kognitive und emotionale Altern bei Frauen beeinflussen. Sie arbeitet in dieser Forschung mit zusammen Carolyn M. Mazure, PhDdie Norma Weinberg Spungen und Joan Lebson Bildner Professorin für Frauengesundheitsforschung und Direktorin der Frauengesundheitsforschung in Yale, in einer von Women’s Health Access Matters finanzierten Studie.

Frauen leiden häufiger unter Schlafstörungen als Männer, besonders wenn sie älter werden – etwas, das Bloomberg half, mit der Tatsache in Verbindung zu bringen, dass die frontotemporalen Gehirnschaltkreise von Frauen empfindlicher auf die negativen Auswirkungen von Stress zu reagieren scheinen als die von Männern. Frontotemporale Gehirnschaltkreise umfassen Teile der Amygdala und des Hippocampus, den Gehirnregionen, die am meisten für kognitive und emotionale Funktionen verantwortlich sind.

Bloomberg sagte, dass ein Schwerpunkt ihrer Studie darin besteht, Menschen Strategien beizubringen, die sie ihr ganzes Leben lang anwenden können, um den Schlaf und andere tägliche Aktivitätsmuster zu regulieren, was die emotionale Regulierung, die Stressresistenz und die kognitive Funktion verbessern kann. Die Studie konzentriert sich auf Frauen ab 50 Jahren und verwendet eine modifizierte Version der sozialen Rhythmustherapie namens SLEEP-SMART (Schlaf-Selbstüberwachungs- und Regulationstherapie)mit Sitzungen, die tägliche Aktivitäten und Interaktionen überprüfen und sie dann ändern, um die Regelmäßigkeit zu erhöhen.

Diese Überprüfung beinhaltet die Verfolgung solcher Details wie die Person, mit der jemand jeden Tag zum ersten Mal in Kontakt kommt; Essenszeiten; und alle anderen täglichen Aktivitäten, die biologische Rhythmen beeinflussen. Es beinhaltet auch einfache selbstregulierende Aktivitäten wie Sonneneinstrahlung vor allem anderen; Planung wichtiger Tagesaktivitäten; und natürlich das Ausschalten technischer Geräte vor dem Schlafengehen.

Die Studienteilnehmer nehmen vor und nach der 12-wöchigen Intervention an MRT-Scans teil, die zusammen mit anderen Daten Veränderungen in der emotionalen Regulation, Kognition und Gehirnschaltung identifizieren. Diese Daten werden es dem Team ermöglichen, die Auswirkungen von SLEEP-SMART-Interventionen auf die kognitive und emotionale Gesundheit sowie Blut- und Gehirn-Biomarker zu bewerten, die als Risikofaktoren für die Alzheimer-Krankheit und verwandte Demenzerkrankungen gelten.

Untersuchung der Gesamtauswirkung des Schlafs auf das Gedächtnis

Die Forscher haben noch viel zu tun, bevor sie die Feinheiten des Gedächtnisses und das Ausmaß, in dem der Schlaf diesen entscheidenden neurologischen Prozess prägt, aufdecken können. Dragoi und sein Team setzen ihre Arbeit von 2019 fort, bei der die Elektrophysiologie zur Aufdeckung verwendet wurde drei Entwicklungsstadien die es Nagetiergehirnen ermöglichen, neuronale Sequenzen zu bilden, die zur Gedächtnisbildung verwendet werden. Das Team hofft zu verstehen, was die Verschiebungen zwischen diesen Stadien steuert, was das wissenschaftliche Verständnis der Bedingungen verbessern könnte, unter denen das Gedächtnis verändert wird oder wenn intern erzeugte Repräsentationen wie Erinnerungen den kognitiven Zustand dominieren, wie in Autismus oder Schizophrenie.

Blumberg und ihr Team haben vorläufige Beweise dafür gesehen, dass die Regulierung von Schlafmustern die Funktion der Gehirnschaltkreise verbessern kann, die Emotionen regulieren. Sie hofft, diese Arbeit ausweiten zu können und schreibt, dass „das Lehren von gesünderen, regelmäßigeren Schlaf- und täglichen Aktivitätsmustern etwas ist, das weltweit verbreitet werden könnte und einen großen Einfluss auf die Verbesserung der emotionalen und kognitiven Gesundheit haben könnte“.

Benveniste sagte, dass Forscher wahrscheinlich ein besseres Verständnis der Beziehungen zwischen glymphatischer Funktion, Gedächtnis und Schlaf benötigen, bevor sie diese Prozesse therapeutisch manipulieren können. Sie fügte hinzu, dass die Forscher insbesondere wissen müssten, ob Slow-Wave-Schlaf wirklich die Abfallbeseitigung im Gehirn fördert. „Wenn dies der Fall ist“, erklärte sie, „sollte der Fokus hierauf liegen.“

Ursprünglich veröffentlicht am 15. Juli 2020; aktualisiert am 10. Mai 2022

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