Dank eines einzigartigen Systems, das die Gehirnaktivität im Schlaf entschlüsselt, entschlüsselt ein Team der Université de Genève die neuronalen Mechanismen der Gedächtniskonsolidierung.
Wir schlafen durchschnittlich ein Drittel unserer Zeit. Aber was macht das Gehirn während dieser langen Stunden? Mithilfe eines künstlichen Intelligenzansatzes, der die Gehirnaktivität während des Schlafs entschlüsseln kann, konnten Wissenschaftler der Universität Genf (UNIGE), Schweiz, einen Blick darauf werfen, worüber wir im Schlaf nachdenken. Durch die Kombination von funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) und Elektroenzephalographie (EEG) liefert das Genfer Team beispiellose Beweise dafür, dass die Arbeit zum Aussortieren der Tausenden von Informationen, die während des Tages verarbeitet werden, im Tiefschlaf stattfindet. Tatsächlich kann das Gehirn, das keine äusseren Reize mehr empfängt, zu diesem Zeitpunkt alle diese Erinnerungen auswerten, um nur die nützlichsten zu behalten. Dazu stellt sie einen internen Dialog zwischen ihren verschiedenen Regionen her. Darüber hinaus regt die Verknüpfung einer Belohnung mit einer bestimmten Information das Gehirn dazu an, sich diese langfristig zu merken. Diese Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nature Communications entdeckt wurden, öffnen zum ersten Mal ein Fenster zum menschlichen Geist im Schlaf.
In Ermangelung von Werkzeugen, die die Gehirnaktivität übersetzen können, bleibt der Inhalt unserer schlafenden Gedanken unzugänglich. Wir wissen jedoch, dass Schlaf eine wichtige Rolle bei der Gedächtniskonsolidierung und dem emotionalen Management spielt: Wenn wir schlafen, reaktiviert unser Gehirn die während des Tages aufgebauten Gedächtnisspuren und hilft uns, unsere Emotionen zu regulieren. „Um herauszufinden, welche Hirnregionen im Schlaf aktiviert werden und um zu entschlüsseln, wie diese Regionen unser Gedächtnis festigen können, haben wir einen Decoder entwickelt, der die Aktivität des Gehirns im Tiefschlaf entschlüsseln kann und was ihr entspricht“, erklärt Virginie Sterpenich , eine Forscherin im Labor von Professor Sophie Schwartz am Department of Basic Neurosciences an der Medizinischen Fakultät der UNIGE und Hauptforscherin dieser Studie. „Insbesondere wollten wir sehen, inwieweit positive Emotionen dabei eine Rolle spielen.“
Während des Tiefschlafs sendet der Hippocampus – eine Struktur des Schläfenlappens, die vorübergehende Spuren aktueller Ereignisse speichert – die Informationen, die er während des Tages gespeichert hat, an die Großhirnrinde zurück. Es entsteht ein Dialog, der die Festigung des Gedächtnisses durch die Wiederholung der Tagesereignisse ermöglicht und somit die Verbindung zwischen den Neuronen verstärkt.
Kombination von MRT, Elektroenzephalographie und künstlicher Intelligenz
Um ihr Experiment durchzuführen, setzten die Wissenschaftler am frühen Abend Freiwillige in ein MRT und ließen sie zwei Videospiele spielen – ein Gesichtserkennungsspiel ähnlich wie „Guess Who?“ und ein 3D-Labyrinth, aus dem der Ausgang gefunden werden muss. Diese Spiele wurden gewählt, weil sie sehr unterschiedliche Hirnregionen aktivieren und daher in den MRT-Bildern besser zu unterscheiden sind. Ausserdem wurden die Spiele ohne Wissen der Freiwilligen so manipuliert, dass nur eines der beiden Spiele gewonnen werden konnte (die Hälfte der Freiwilligen gewann das eine und die andere Hälfte das zweite), damit das Gehirn das gewonnene Spiel mit einem positive Emotionen.
Anschliessen schliefen die Probanden im MRT ein bis zwei Stunden – die Länge eines Schlafzyklus – und ihre Gehirnaktivität wurde erneut aufgezeichnet.
„Wir kombinierten EEG, das den Schlafzustand misst, und funktionelles MRT, das alle zwei Sekunden ein Bild der Gehirnaktivität aufnimmt, und verwendeten dann einen ‚neuronalen Decoder‘, um zu bestimmen, ob die während der Spielzeit beobachtete Gehirnaktivität im Schlaf spontan wieder auftauchte.“
erklärt Sophie Schwartz.
Auch im Schlaf freut sich das Gehirn über Belohnungen
Durch den Vergleich von MRT-Scans der Wach- und Schlafphase beobachteten die Wissenschaftler, dass die Aktivierungsmuster des Gehirns im Tiefschlaf denen während der Spielphase sehr ähnlich waren. „Und ganz klar, das Gehirn erlebte das gewonnene Spiel und nicht das verlorene Spiel noch einmal, indem es die Regionen reaktivierte, die während des Wachzustands verwendet wurden. Sobald Sie schlafen gehen, ändert sich die Gehirnaktivität. Nach und nach begannen unsere Volontäre wieder über beide Spiele nachzudenken, und dann fast ausschließlich über das gewonnene Spiel im Tiefschlaf“, sagt Virginie Sterpenich.
Zwei Tage später führten die Freiwilligen einen Gedächtnistest durch: zum einen alle Gesichter im Spiel erkennen und zum anderen den Ausgangspunkt des Labyrinths finden. Auch hier wurden im Schlaf mehr die mit dem Spiel zusammenhängenden Hirnregionen aktiviert, besser waren die Gedächtnisleistungen. Daher ist das Gedächtnis, das mit Belohnung verbunden ist, höher, wenn es während des Schlafs spontan reaktiviert wird. Mit dieser Arbeit eröffnet das Genfer Team eine neue Perspektive in der Erforschung des schlafenden Gehirns und der unglaublichen Arbeit, die es jede Nacht leistet.
Virginie Sterpenich
Senior Researcher und Dozent
Institut für Grundlagen der Neurowissenschaften
Medizinische Fakultät UNIGE
Diese Forschung ist veröffentlicht in
Naturkommunikation
DOI: 10.1038/s41467-021-24357-5
Quelle: Université de Genève UNIDE, 14. Juli 2021