Wettbewerb zwischen den Gehirnhälften im Schlaf

Die meisten Tiere sind, wie der Mensch, beidseitig symmetrisch und besitzen beidseitig symmetrische Gehirne. Forscher des Max-Planck-Institutes für Hirnforschung in Frankfurt haben nun am Gehirn einer Echse gezeigt, dass während einer Schlafphase die beiden Hirnhälften miteinander konkurrieren, sodass eine Seite ihre Aktivität der anderen aufzwingt, bis die dominante Hemisphäre auf die andere Seite umschaltet.

„Der Schlaf der Bartagame Pogona vitticeps ist in zwei Zustände unterteilt, die denen ähneln, die bei Säugetieren, einschließlich den Menschen, beschrieben wurden: Eine Phase des sogenannten Slow-Wave-Schlafs, in der das Elektroenzephalogramm niederfrequente Wellen zeigt – daher der Name – und eine zweite Phase, die REM- (für Rapid Eye Movement) oder paradoxer Schlaf genannt wird, in der das EEG dem im Wachzustand aufgezeichneten ähnelt (daher “paradox”) und die Augen dazu neigen, ruckartige Bewegungen unter den Augenlidern zu machen (daher REM), während der Körper ansonsten gelähmt ist“, erklärte

Beim Menschen beginnt der Schlaf mit einer langen Slow-Wave-Phase (etwa 60 Minuten lang), gefolgt von fünf bis zehn Minuten REM-Schlaf, und dieser abwechselnde Zyklus wiederholt sich fünf bis sieben Mal pro Nacht. Im Laufe der Nacht nimmt der Anteil des REM-Schlafs bei jedem Schlafzyklus zu. Bei der untersuchten Bartagame ist der Schlafzyklus viel kürzer (<2 Minuten), und die beiden Schlafzustände sind während der ganzen Nacht gleich lang (jeweils 45–60 Sekunden). Eine Echse durchläuft jede Nacht 250–350 solcher Schlafzyklen, wobei sie regelmäßig zwischen ihren Versionen von Slow-Wave- und REM-Schlaf wechselt.

Durch die gleichzeitige Aufzeichnung der neuronalen Aktivität im gleichen Bereich (dem sogenannten Klaustrum) auf beiden Seiten des Pogona-Gehirns entdeckten die Wissenschaftler, dass jede Seite während der Slow-Wave-Phase des Schlafs unabhängig von der anderen arbeitet. Zu ihrer Überraschung wurden die beiden Seiten jedoch während der REM-Phase präzise synchronisiert, allerdings mit einer sehr kurzen Verzögerung von 20 Millisekunden zwischen dem linken und dem rechten Gehirn.

Noch überraschender war für die Forschenden die Feststellung, dass die Seite, die der anderen um 20 Millisekunden voraus war, im Durchschnitt einmal pro Schlafzyklus zwischen der linken und der rechten Seite wechselte. Beim Vergleich der Intensität der Signale, die während der REM-Phase im linken und rechten Klaustrum aufgezeichnet wurden, stellten sie außerdem fest, dass die Seite mit der stärkeren Aktivität in der Regel die führende war. Dies – zusammen mit anderen Beweisen, die sie in ihrer Arbeit präsentierten – deutet den Forschern zufolge darauf hin, dass die beiden Gehirnhälften während des REM-Schlafs miteinander konkurrieren, nicht aber während des Langsamschlafs, und dass die stärkere Seite ihre Aktivität der anderen aufzwingt, wenn sie konkurriert. Diese Form des Wettbewerbs wird als winner-takes-all bezeichnet.

Interessant ist, dass, obwohl die linke und die rechte Seite etwa gleich oft während der Nacht die Führungsrolle übernehmen (jeweils etwa die Hälfte der Schlafzyklen), der Wechsel zwischen den Seiten nicht exakt mit jedem Schlafzyklus erfolgt. Darüber hinaus wurde der Seitenwechsel in den letzten Stunden der Nacht seltener, wobei eine Seite die andere über viele Schlafzyklen dominierte, bevor sie die Dominanz an die andere Seite abgab, wiederum für viele aufeinanderfolgende Zyklen. “Dies deutet auf das Vorhandensein und das Zusammenspiel mehrerer Schaltkreise zur Schlafkontrolle hin, die jeweils unterschiedliche Zeitskalen aufweisen, sowie auf eine systematische Entwicklung einiger dieser Zeitskalen im Laufe der Nacht; dies deutet darauf hin, dass unabhängig von den Funktionen, die der Schlaf bei diesen Tieren erfüllt, zu Beginn und am Ende der Nacht unterschiedliche Mechanismen im Spiel sein könnten, mit unterschiedlichen Folgen”, erklärte Prof. Gilles Laurent,  Managing Director am Max-Planck-Institut für Hirnforschung.

Um zu verstehen, wie die beiden Gehirnhälften während des REM-Schlafs miteinander interagieren und konkurrieren, entdeckten die Wissenschaftler, dass diese Konkurrenz nicht auf direkte Interaktionen zwischen linker und rechter Klaustra zurückzuführen ist, sondern auf Schaltkreise, die sich weiter hinten im Gehirn, an der Verbindung zwischen Mittel- und Hinterhirn, befinden. Diese isthmischen Schaltkreise finden sich bei allen Wirbeltieren, einschließlich Säugetieren und Menschen, und sind bei Vögeln besonders gut untersucht worden. Dort hat sich gezeigt, dass sie für bestimmte Formen der visuellen Aufmerksamkeit bei wachen Vögeln (Eulen und Tauben) wichtig sind. Durch die Läsion einer Komponente dieser isthmischen Schaltkreise auf nur einer Seite des Pogona-Gehirns konnten Fenk und Kollegen den regelmäßigen Wechsel der Seitendominanz aufheben, sodass die intakte Seite die andere während der gesamten Nacht (und den darauf folgenden) dominierte.

Die in dieser Studie untersuchten Schaltkreise (Klaustrum, Mittelhirn und Isthmus) gibt es zwar auch bei Säugetieren, einschließlich des Menschen, aber es ist noch nicht bekannt, ob ähnliche konkurrierende Interaktionen auch beim Menschen während des REM-Schlafs auftreten. Die Mechanismen und Funktionen des Schlafs sind komplex und bei allen Tieren noch wenig erforscht. Diese neuen Ergebnisse bei einem Reptil verleihen den wichtigen Fragen der Schlafdynamik und -funktionen eine neue Komplexität.