Gehirnwäschesystem wird gefährlich: Das passiert mit dem schlaflosen Gehirn

Benommenheit, Konzentrationsschwäche, geistige Unfähigkeit, sich zu konzentrieren – fast jeder kennt diese Empfindungen nach schlaflosen Nächten: Man fühlt sich nicht so wach wie sonst. Woran liegt das? Eine neue Studie des MIT in Boston, veröffentlicht in Nature Neuroscience, liefert eine mögliche Erklärung. Die Studie zeigt, was im menschlichen Gehirn ohne Schlaf passiert . Im Fokus steht dabei das „Reinigungssystem“, das normalerweise im Schlaf aktiv ist. Wissenschaftler haben entdeckt, dass bei Konzentrationsschwächen, die durch Schlafmangel verursacht werden, vermehrt Hirnflüssigkeit austritt . Dieser Prozess findet normalerweise im Schlaf statt und hilft, tagsüber angesammelte Abfallprodukte abzutransportieren. Man geht davon aus, dass dieser Flüssigkeitsfluss notwendig ist, um ein gesundes und normal funktionierendes Gehirn aufrechtzuerhalten.

Bei Schlafmangel versucht der Körper offenbar, diesen „Reinigungsprozess“ durch die Aktivierung von Impulsen des Liquorflusses auszugleichen. Dieser „Rückfluss“ hat jedoch seinen Preis: eine drastische Reduzierung der Aufmerksamkeitsspanne. „Wenn man nicht schläft, dringen die Liquorwellen in den Wachzustand ein, wenn man sie normalerweise nicht wahrnimmt. Dies führt zu einem Kompromiss: Die Aufmerksamkeitsspanne nimmt während der Phasen des Liquorflusses ab“, erklärt die Hauptautorin Laura Lewis, Mitglied des MIT Institute for Medical Engineering and Science und des Research Laboratory of Electronics sowie Mitarbeiterin des Picower Institute for Learning and Memory.

Obwohl Schlaf ein grundlegender biologischer Prozess ist, ist seine genaue Bedeutung noch nicht vollständig geklärt. Er scheint unerlässlich für die Aufrechterhaltung der Wachheit zu sein, und Schlafentzug führt nachweislich zu Beeinträchtigungen der Aufmerksamkeit und anderer kognitiver Funktionen. Während wir schlafen, hilft die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit, die das Gehirn schützt, angesammelte Stoffwechselprodukte abzutransportieren . In einer Studie aus dem Jahr 2019 zeigten Lewis und Kollegen, dass der Flüssigkeitsfluss im Schlaf einem rhythmischen Muster folgt – die Flüssigkeit fließt in das Gehirn hinein und wieder hinaus – und dass diese Flüsse mit Veränderungen der Gehirnwellen zusammenhängen.

Was passiert mit dem Gehirn, wenn man nicht schläft?

Diese Entdeckung veranlasste Wissenschaftler zu der Frage, was nach Schlafentzug geschieht. Um dies genauer zu untersuchen, rekrutierten sie 26 Freiwillige und unterzogen sie zwei Tests: einem nach einer schlaflosen Nacht und einem nach einer erholsamen Nacht. Am Morgen überwachten die Forscher verschiedene Parameter der Gehirn- und Körperfunktionen, während die Teilnehmer eine Aufgabe bearbeiteten, die üblicherweise zur Beurteilung der Auswirkungen von Schlafentzug eingesetzt wird.

Während des Tests trug jeder Teilnehmer einen Elektroenzephalogramm-Helm (EEG-Helm), der Hirnströme aufzeichnete, während gleichzeitig eine funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) durchgeführt wurde. Die Forscher verwendeten eine modifizierte Version des Tests, die neben der Sauerstoffsättigung des Blutes im Gehirn auch den Zu- und Abfluss der Zerebrospinalflüssigkeit erfasste. Zusätzlich wurden Herzfrequenz, Atemfrequenz und Pupillendurchmesser jedes Probanden gemessen. Die Teilnehmer bearbeiteten während des Scans zwei Aufmerksamkeitsaufgaben: eine visuelle und eine auditive. Bei der visuellen Aufgabe mussten sie auf einen Bildschirm mit einem fixierten Kreuz schauen. In zufälligen Abständen verwandelte sich das Kreuz in ein Quadrat, und die Teilnehmer wurden gebeten, jedes Mal einen Knopf zu drücken, wenn sie diese Verwandlung bemerkten. Bei der auditiven Aufgabe hörten sie stattdessen einen Piepton.

Wie erwartet, schnitten die Teilnehmer mit Schlafentzug bei diesen Aufgaben schlechter ab als die ausgeruhten. Ihre Reaktionszeiten waren langsamer, und bei einigen Reizen bemerkten sie gar keine Veränderung. Während dieser kurzen Aufmerksamkeitslücken stellten die Forscher mehrere gleichzeitig auftretende physiologische Veränderungen fest. Die bedeutendste war der Austritt von Hirnflüssigkeit (Liquor cerebrospinalis, CSF). Nach jeder Aufmerksamkeitslücke kehrte die CSF ins Gehirn zurück. „Die Ergebnisse legen daher nahe, dass diese Flüssigkeit bei einem Aufmerksamkeitsverlust tatsächlich nach außen, vom Gehirn weg, ausgestoßen wird. Und wenn die Aufmerksamkeit wiederkehrt, wird sie wieder aufgenommen“, erklärt Lewis.

Forscher vermuten, dass das Gehirn bei Schlafentzug den Verlust der normalerweise im Schlaf stattfindenden Reinigungsprozesse kompensiert , obwohl diese erhöhten Hirnflüssigkeitsflüsse zu Aufmerksamkeitsverlusten führen. „Man kann sich diese Vorgänge so vorstellen, dass das Gehirn, da es so viel Schlaf benötigt, versucht, in einen schlafähnlichen Zustand zu gelangen, um zumindest einen Teil der kognitiven Funktionen wiederherzustellen“, erklärt Studienleiter Zinong Yang. „Das Hirnflüssigkeitssystem versucht, die Funktion wiederherzustellen, indem es das Gehirn von Zuständen hoher Aufmerksamkeit in Zustände erhöhter Durchblutung versetzt.“ Die Forscher entdeckten außerdem weitere physiologische Ereignisse, die mit Aufmerksamkeitslücken einhergehen, darunter eine verringerte Atmung und Herzfrequenz sowie eine Verengung der Pupillen. Sie stellten fest, dass insbesondere die Pupillenverengung etwa 12 Sekunden vor dem Austritt von Hirnflüssigkeit aus dem Gehirn begann und sich nach dem Aufmerksamkeitsverlust wieder erweiterte. „Interessanterweise scheint es sich hierbei nicht nur um ein Phänomen des Gehirns zu handeln, sondern um ein Ereignis, das den gesamten Organismus betrifft“, bemerkt Lewis. „Diese Erkenntnisse“, schlussfolgert er, „legen die Annahme, dass es einen einheitlichen Schaltkreis gibt, der sowohl das steuert, was wir als höhere Gehirnfunktionen betrachten (unsere Aufmerksamkeit, unsere Fähigkeit, die Welt wahrzunehmen und auf sie zu reagieren), als auch grundlegende physiologische Prozesse wie die Dynamik der Hirnflüssigkeit, die Durchblutung des gesamten Gehirns und die Verengung der Blutgefäße.“